三峽船閘系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試期水力學(xué)原型觀測

劉繼廣等

摘要：三峽船閘金屬結(jié)構(gòu)及機(jī)電設(shè)備無水、有水(抽水)系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試條件下，各級輸水系統(tǒng)的原型水力學(xué)監(jiān)測工作于2002年6月至2003年5月間進(jìn)行。安全監(jiān)測的主要項(xiàng)目包括閘室輸水特性、閥門區(qū)段輸水特性、門楣通氣、閘室空化特性、閥門段空化特性、閥門及人字門啟閉特性、閥門與人字門門體動力特性，監(jiān)測內(nèi)容多達(dá)20項(xiàng)。抽水調(diào)試期中間級閘首工作水頭分別達(dá)到了30m、40m、46m和設(shè)計(jì)工況的45.2m，初始淹沒水深達(dá)到了26m的設(shè)計(jì)條件，并進(jìn)行了雙邊輸水和單邊輸水、現(xiàn)地控制和集中控制等操作運(yùn)行條件的比較。本次監(jiān)測成果系統(tǒng)性及完整性較好，不僅為各級閘閥啟閉控制系統(tǒng)的調(diào)試提供了可參比數(shù)據(jù)，也為船閘的驗(yàn)收、鑒定、運(yùn)行管理提供了科學(xué)依據(jù)，保證了三峽圍堰期蓄水發(fā)電和五級船閘試通航目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，對國內(nèi)外開展高水頭船閘的設(shè)計(jì)和運(yùn)行亦有十分重要的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：船閘；聯(lián)合調(diào)試；安全監(jiān)測；水動力學(xué)；原型觀測；三峽工程

三峽船閘的規(guī)模和技術(shù)復(fù)雜程度世界空前，許多方面尚無成熟經(jīng)驗(yàn)可借鑒，是在大量物理模型試驗(yàn)研究、并吸取國內(nèi)外已建工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)建成的；由于船閘水力特性復(fù)雜及模型與原型之間的縮尺效應(yīng)，因此，在工程建成后，正式投入運(yùn)行前，開展船閘水力學(xué)和動力學(xué)方面的監(jiān)測十分必要。

三峽船閘水力學(xué)及動力學(xué)監(jiān)測設(shè)計(jì)安排在南線五級閘室及各閥門段，分兩個(gè)階段實(shí)施：2002年6月至2003年5月為配合船閘金屬結(jié)構(gòu)和機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試開展第一階段的監(jiān)測工作；2003年6月以后結(jié)合圍堰擋水發(fā)電進(jìn)行第二階段的監(jiān)測。通過監(jiān)測旨在發(fā)現(xiàn)和預(yù)見不利于船閘安全運(yùn)行的各種水力條件和現(xiàn)象，查找原因，研究對策，以確定船閘正式投入運(yùn)行后應(yīng)采取的合理運(yùn)行方式，并通過完整系統(tǒng)的水力學(xué)監(jiān)測，為工程驗(yàn)收、制定船閘管理運(yùn)行規(guī)程和確保工程安全提供依據(jù)，同時(shí)也為今后同類工程的水力學(xué)設(shè)計(jì)及模型預(yù)測提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。本文重點(diǎn)介紹三峽船閘金屬結(jié)構(gòu)和機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試階段的監(jiān)測工作。

1系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試期水力學(xué)監(jiān)測項(xiàng)目及內(nèi)容

三峽船閘金屬結(jié)構(gòu)及機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試階段水力學(xué)監(jiān)測內(nèi)容見表1。

2水力學(xué)原型監(jiān)測范圍及測點(diǎn)布置

根據(jù)監(jiān)測設(shè)計(jì)，在船閘南線的各級閘室廊道、南坡l#～6＃閥門段及上、下游進(jìn)出口箱涵內(nèi)共預(yù)埋脈動壓力底座116個(gè)，水聽器(水流噪聲監(jiān)測)底座58個(gè)，預(yù)埋了上述兩種電纜4萬余m，為水力學(xué)監(jiān)測做了大量的基礎(chǔ)準(zhǔn)備工作。

根據(jù)監(jiān)測要求，于2002年5月起在南線船閘各閘首安裝了監(jiān)測門井水位、閘室水位、通氣量、環(huán)境噪聲、溫度、閘閥行程、啟閉油壓，及門體振動加速度、應(yīng)力等各類傳感器共計(jì)270余支，其中應(yīng)變計(jì)103支，加速度計(jì)70支，安裝各項(xiàng)觀測電纜約5萬余m。

1閘室充泄水過程水力特性 1）泄水與充水過程中閘室內(nèi)流態(tài)、水面波動情況

2）閘室水位（輸水流量、流量系數(shù)）

3）閘室廊道時(shí)均壓力與脈動壓力（廊道阻力系數(shù)）

4）閘室輸水超灌泄水頭

2閥門段充泄水過程水力特性 1）閘門段時(shí)均壓力與脈動壓力

2）閥門井水位

3空化特性 1）門楣通氣量及門井空氣噪聲

2）閥門段水流噪聲

3）輸水廊道水流噪聲

4閥門啟閉特性 1）吊桿行程（閥門開度）

2）啟閉機(jī)油壓（啟閉力）

5人字門啟閉特性 1）人字門角位移（角速度、角加速度）

2）人字門啟閉機(jī)油壓（啟閉力）

6南4、南6閥門動力特性 1）閥門吊桿振動應(yīng)力

2）閥門振動應(yīng)力

3）閥門振動加速度

4）閥門脈動壓力

7南4人字門動力特性 1）AB桿振動應(yīng)力

2）人字門振動應(yīng)力背拉桿動應(yīng)力

3）人字門振動加速度

全部安裝工作于2002年8月底完成，在抽水調(diào)試之前，閘首及閘室部位總計(jì)裝設(shè)傳感器480余支，電纜總長達(dá)9萬m以上。各測點(diǎn)傳感器技術(shù)指標(biāo)全部達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并經(jīng)過計(jì)量檢定。各類監(jiān)測儀器數(shù)量及分布統(tǒng)計(jì)見表2。

3監(jiān)測組織

三峽船閘水力學(xué)監(jiān)測工作特點(diǎn)是：1)戰(zhàn)線長，測站多，測試過程中水流為非恒定流狀態(tài)，要求進(jìn)行全過程實(shí)時(shí)監(jiān)測；2)各項(xiàng)數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)，必須實(shí)施同步監(jiān)測；3)監(jiān)測參數(shù)種類多，技術(shù)要求較高，采集儀器及采樣頻率必須滿足不同監(jiān)測參數(shù)的需要。因此，對監(jiān)測組織工作提出了很高的要求。

首先，在各閘首分別建立了6個(gè)監(jiān)測主站和多個(gè)臨時(shí)輔站。并視運(yùn)行情況確定某一閘首為監(jiān)測主站，上下閘首為輔站，制定了“同步監(jiān)測、平行移站”的8字方針，從而保證了相鄰兩閘室充泄水過程中，有關(guān)弧形工作閥門、閘室、閥門段、人字門等測試數(shù)據(jù)的相關(guān)性。

其次，根據(jù)監(jiān)測內(nèi)容的性質(zhì)，在現(xiàn)場按專業(yè)劃分了4個(gè)小組，即水力學(xué)、水流噪聲、動力學(xué)3個(gè)主要監(jiān)測小組，另外有1個(gè)小組負(fù)責(zé)上、下閘室的泄水和充水過程的流態(tài)攝像、照相、水尺測讀等工作，全方位記錄試驗(yàn)的全過程。

第三，考慮到本階段監(jiān)測組次及測點(diǎn)多，監(jiān)測數(shù)據(jù)量大，后處理及分析工作任務(wù)十分繁重，因此以4個(gè)監(jiān)測小組為主體，在后方組建了資料整編組，以便在當(dāng)日的監(jiān)測工作結(jié)束后能及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，并于次日提供“監(jiān)測簡報(bào)”，為金屬結(jié)構(gòu)調(diào)試及時(shí)提供依據(jù)。

4監(jiān)測方法

本階段水力學(xué)監(jiān)測工作除閘室流態(tài)和水尺采用攝像與人工讀數(shù)外，其余各種參數(shù)全部采用計(jì)算機(jī)控制的同步采集方式。各種觀測數(shù)據(jù)的采集和分析，采用國內(nèi)外當(dāng)前最先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，包括丹麥B&K;公司生產(chǎn)的3560型PULSE噪聲頻譜分析儀、日本共和公司生產(chǎn)的多通道應(yīng)變儀、國內(nèi)TOP海量多通道數(shù)據(jù)采集記錄儀、東方振動研究所的64通道數(shù)據(jù)采集(DASP和CDSP)系統(tǒng)，以及中國水利水電科學(xué)研究院研制開發(fā)、并經(jīng)過多次水力學(xué)原型觀測檢驗(yàn)的DJS00多功能水工數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，全部的采集系統(tǒng)均經(jīng)過計(jì)量檢定，滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的觀測精度要求。并按照監(jiān)測設(shè)計(jì)要求，在傳感器和采集系統(tǒng)的選型中特別考慮了各類參數(shù)的信號頻率，確定采樣頻率和樣本長度。并將相關(guān)技術(shù)參數(shù)分類整編，以滿足觀測設(shè)計(jì)和后處理分析的要求。

4.1水力學(xué)監(jiān)測方法

閘室、閥門段充泄水過程水力特性監(jiān)測實(shí)施框圖見圖1。

4.2水流噪聲監(jiān)測方法

閘室及閥門段水流噪聲監(jiān)測系統(tǒng)見圖2。通過水流噪聲信號的聲級、強(qiáng)度與頻率的關(guān)系，判斷水流是否發(fā)生空化。

4.3動力學(xué)監(jiān)測方法

反向弧形門和人字門啟閉特性及動力特性監(jiān)測實(shí)施框圖見圖3。

5監(jiān)測工況

按照有水調(diào)試和排干檢查進(jìn)度計(jì)劃，本階段共進(jìn)行了10次集中抽水調(diào)試和補(bǔ)充抽水調(diào)試試驗(yàn)。按設(shè)計(jì)的水級劃分要求，中間級閥門工作水頭分別達(dá)到30m、40m、45.2m和46m，此外還考慮閥門初始淹沒水深、開啟方式、控制方式及啟閉機(jī)組合。集中調(diào)試期的第1次抽水為檢查閥門止水情況，不作為監(jiān)測條件，第2次至第10次抽水試驗(yàn)監(jiān)測組次及工況見表3。其中第4次一第10次試驗(yàn)工況中間級閘室達(dá)到了45.2m的設(shè)計(jì)工作水頭及26m設(shè)計(jì)條件下的閥門初始淹沒水深。集中調(diào)試期(結(jié)合箱涵沖淤)監(jiān)測工作于2002年11月10日至2003年1月23日完成。2—4月對南線各級閘室進(jìn)行排干檢查。4月30日至5月23日，結(jié)合箱涵沖淤和試通航驗(yàn)收前各閘首的集控演示調(diào)試，重點(diǎn)進(jìn)行并完成5、6閘首單、雙邊調(diào)試監(jiān)測，為南線船閘首先投入試通航運(yùn)行奠定丁堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

6主要觀測成果簡介

三峽船閘金屬結(jié)構(gòu)和機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)有水(抽水)聯(lián)合調(diào)試期，中間級閘首工作水頭分別達(dá)到了30m、40m、46m和設(shè)計(jì)工況的45.2m(末級為22.6m)，初始淹沒水深達(dá)到了26m(末級為15.0m)的設(shè)計(jì)條件，并進(jìn)行了雙邊輸水和單邊輸水運(yùn)行工況，現(xiàn)地控制和集中控制操作條件的比較。

經(jīng)過多次的原型抽水調(diào)試，所埋設(shè)的各類(480余支)傳感器和多臺采集系統(tǒng)運(yùn)行正常，總完好率在92％以上，多組次觀測獲得的數(shù)據(jù)一致性好，說明前期的儀器埋設(shè)安裝技術(shù)是可靠的，觀測技術(shù)方案是可行的，觀測儀器的選型比較合理、精度較高，這標(biāo)志著船閘水力學(xué)原型監(jiān)測及前期準(zhǔn)備工作達(dá)到了新的水平。

通過監(jiān)測分析表明：該船閘總體設(shè)計(jì)是成功的。各級閘室充泄水時(shí)流態(tài)平穩(wěn)；充泄水時(shí)間各閘首閥門和人字門開啟時(shí)間及最大輸水能力均滿足設(shè)計(jì)要求；閘室和閥門段的水力特性總體良好，門楣通氣在一定時(shí)段內(nèi)有效地抑制了反向弧形閥門開啟過程中門楣附近區(qū)域的水流空化，但因系統(tǒng)流量系數(shù)偏大，調(diào)試過程中尤其是閥門全開后的最大流量時(shí)段，也監(jiān)測到閥門段和閘室T型管段尚存在水流空化跡象；反向弧形閥門和人字門啟閉過程平穩(wěn)，最大啟閉力未超過設(shè)計(jì)容量，門體動力特性良好且滿足設(shè)計(jì)要求，未見發(fā)生強(qiáng)烈的流激振動現(xiàn)象。

本調(diào)試階段試驗(yàn)工況組次多，監(jiān)測項(xiàng)目及內(nèi)容廣，累計(jì)原始數(shù)據(jù)總量達(dá)300G以上，獲得了豐富翔實(shí)的觀測成果。相同條件下，各級閘室和閥門段對應(yīng)測點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)一致性好、可比性強(qiáng)，不僅為各級閘閥啟閉控制系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行提供了可參比數(shù)據(jù)，也為全面、系統(tǒng)分析三峽船閘水力學(xué)特性，以及船閘的驗(yàn)收、鑒定、運(yùn)行管理提供了科學(xué)依據(jù)，保證了三峽五級船閘試通航和圍堰發(fā)電目標(biāo)工期的順利實(shí)現(xiàn)，該成果對國內(nèi)外開展高水頭船閘設(shè)計(jì)和研究亦有十分重要的參考價(jià)值。