巴塘水電站導流洞平面閘門流激振動試驗研究

劉 昉，李文勝，王延召，吳敏睿，盛傳明，徐國賓

(天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300350)

1 研究背景

閘門擋水時，在水流脈動壓力作用下常常發(fā)生振動，結構振動與其固有特性和外部激勵荷載密切相關，而劇烈的閘門振動會對樞紐工程的安全穩(wěn)定運行造成嚴重影響[1-3]。閘門因劇烈振動而無法正常工作的實例屢見不鮮，輕則會對閘門自身材料造成疲勞損傷，重則會導致結構發(fā)生動力失穩(wěn)而破壞[4]，如劉家峽平面工作閘門振動應力超出設計容許應力、四川獅子灘水電站定輪工作門在運行時發(fā)生劇烈垂向振動、西津電站船閘輸水廊道上閘首的平面定輪工作門由于閘門振動導致定輪懸臂輪止軸板剪斷、輪子脫落。所以，研究閘門振動問題具有重要的現(xiàn)實意義，一直是水利工程中的重點研究課題[5-6]。通過比較水流脈動頻率與結構自振頻率，進行共振校核，作為判斷閘門結構設計參數(shù)選擇優(yōu)劣的標準[7-8]。為進一步明確閘門的振動情況，通常采用水彈性模型試驗或數(shù)值計算手段進行分析，對閘門流激振動響應進行預測，規(guī)范和指導閘門的運行方式，確保結構振動處于安全范圍內[9-12]。明確閘門的振動問題是保證水工鋼閘門安全運行的重要環(huán)節(jié)，研究閘門結構在水動力載荷作用下的動力穩(wěn)定性及安全性等問題具有重要意義[13-15]。

目前國內外研究閘門振動的方法主要是制作彈性相似模型進行試驗，通過測算閘門結構振動時附近的水力特性，判斷閘門是否會出現(xiàn)較為危險的共振行為。為研究巴塘水電站導流洞平面閘門局開泄流過程中的閘門振動問題，本文利用完全水彈性物理模型進行模擬試驗，比較了門體上水流脈動頻率和閘門自振頻率，并對閘門結構進行應變測試，探究運行時的閘門結構振動和變形特征。通過水彈性試驗對閘門流激振動響應進行預測，期望為閘門結構優(yōu)化設計提供技術指導[16-18]。

2 模型建立

2.1 工程概況

巴塘水利樞紐工程以發(fā)電為主，正常蓄水位初擬為2 545 m，死水位為2 541 m。圖1給出了該工程導流洞進口段縱剖面圖，其中進口底板高程為2 487.0 m，洞身長796.03 m，進口引渠長30.0 m，導流洞洞身段斷面型式為城門洞型，斷面尺寸為12 m×14 m(寬×高)，平面閘門型式為潛孔平面閘門，閘門尺寸為7.8 m×14.2 m(寬×高)。進水塔孔口按2孔設計，單孔口尺寸為6 m×14 m(寬×高)。進水塔閘室段長18 m，寬24 m，塔高48 m，塔后設25 m長漸變段，由方型洞漸變?yōu)槌情T洞型，隧洞底坡i=5.02 ‰。在原型中，工作閘門為平面閘門，其門葉結構主要材質為Q345鋼，彈性模量E=200 GPa，泊松比μ=0.3，鋼結構密度為ρ=7.85×103kg/m3。平面閘門運行速度為1.5 m/min，梁格中布置鉛皮進行配重，確保閘門能夠動水閉門。門體采用滑塊支承方式，配合單吊點6 300 kN固定卷揚機進行啟閉操作。

圖1 巴塘水利樞紐工程導流洞進口段縱剖面圖(單位：m)

2.2 物理模型試驗方法及測點布置

模型按重力相似準則進行設計，整體模型模擬范圍為導流洞進水口至導流洞中段，為敞口泄流條件。整個模型由引水口(水箱內)、閘室段、漸變段、有壓洞段、尾水渠5部分組成。表1給出了各物理量的模型比尺參數(shù)。

表1 各物理量模型比尺參數(shù)

閘門模型試驗研究分為兩個階段，第1階段為平面閘門動水壓力模型試驗，該模型采用有機玻璃制作而成，其目的為滿足糙率相似以及便于觀察閘下和導流洞內的水流流態(tài)，主要測量閘門結構所受的時均水壓力和脈動水壓力，閘門模型如圖2(a)所示。第2階段為平面閘門流激振動試驗研究，該模型中閘門采用完全水彈性材料制作，模型嚴格滿足結構彈性相似和水力學相似。本試驗所采用的水彈性模型材料按照水彈性相似率的要求研制，用來模擬門葉結構的剛度及變形，所選模型材料的密度為7.8×103kg/m3，模型的綜合動摩擦系數(shù)f為0.26～0.30，模型如圖2(b)所示。

在模型門體上、下游和底緣位置共布置了8個壓力測點。壓力傳感器測量范圍為-4～30 kPa，分辨率為0.01 kPa，誤差≤±0.3% F.S.(滿量程)，自振頻率大于300 Hz。通過中國水利水電科學研究院研制的DJ800多功能監(jiān)測儀采集系統(tǒng)，測量閘門門體上的動水壓力。此外，在平面閘門水彈性相似模型的主橫梁翼緣板及主縱梁翼緣板等主要構件上共布置15個動應力測點(BFH120-5AA-X30型電阻應變計)及在門頂上布置3個電壓型加速度傳感器(測量范圍為10 m/s2；靈敏度為0.5 V/ms-2；分辨率為5×10-5m/s2)。各測點的布置位置如圖2(c)所示。通過動態(tài)電阻應變儀和北京東方振動和噪聲技術研究所研制的DASP智能采集系統(tǒng)配合恒流供電器進行閘門應變加速度的采集。

圖2 閘門模型及監(jiān)測點群布置

在模型試驗中，閘門模型的啟閉速度由電機控制，啟閉速度在0～1.5 m/min范圍內調節(jié)。同時將閘門頂部水平向振動加速度測點J2、閘門上部中間縱梁動應變測點Y15和閘門底緣處脈動壓力測點D4作為評估閘門振動、應變和水流脈動壓力等參量變化特性的典型測點。

3 試驗結果分析

3.1 水動力荷載

作用在閘門門體上的水壓力可分為脈動壓力和時均壓力[19]，通過分析時域、幅值特征和頻域能量分布特性等，可以獲得水流的脈動特性。利用模型試驗測得不同工況下作用在閘門上的局部脈動水壓力，本文將平面閘門底緣處測點D4作為脈動水壓力典型測點，著力分析閘門底緣區(qū)域水流脈動壓力的變化特征。模型試驗工況主要包括3種運行水頭和5種閘門局開條件，其中運行水頭分別為14、13和12 m，閘門相對開度分別是0.09、0.1、0.2、0.3以及0.5。圖3給出了各運行水頭下測點D4的脈動壓力與閘門相對開度的關系；圖4給出了運行水頭為14 m時，測點D4的壓力時程線及經FFT變換后的功率譜密度曲線。由圖3、4可知，底緣區(qū)域的水流脈動壓力隨閘門開度的增大而減小，隨運行水頭的升高而增大；閘門時均壓力分布規(guī)律較好，水流脈動能量的主頻較低且分布于1 Hz以下，脈動能量頻率集中于10 Hz以內。

圖3 各運行水頭下測點D4脈動壓力與閘門相對開度的關系

圖4 測點D4壓力時程線及其功率譜密度曲線(運行水頭14 m)

3.2 動應力響應分析

試驗觀測表明，各測點動應力響應均方差值在0.1 MPa以內。保持上游水位穩(wěn)定時，閘門在小開度區(qū)域動應力的均方差值相對較大，運行水頭由12 m升高至14 m時，閘門動應力均方差在0.02～0.08 MPa之間，脈動應力均方差最大為0.08 MPa，表明上游水頭在運行期內變化時，對閘門動應力響應影響較小。若按6倍均方差計算應力幅值為0.48 MPa，脈動應力較小。閘門結構受力特征良好，其剛度和強度均滿足設計要求，閘門可平穩(wěn)、安全運行。運行水頭為14 m、閘門在不同相對開度運行時，各動應力測點的測量結果見表2。

表2 運行水頭14 m閘門不同相對開度各測點動應力均方差測量結果 MPa

閘門由全開至全關過程中，門體上部典型測點Y15的應力時域過程線如圖5所示，在不同運行水頭下，門體上部典型測點Y15的時均應力與閘門相對開度關系曲線如圖6所示。由圖5、6可知，在閘門關閉的全過程中，門體振動比較平穩(wěn)，相同運行水頭下門體典型測點Y15應力基本不隨閘門開度的變化而變化；測點Y15時均應力隨運行水位的升高而增大，閘門不同開度下門體典型測點Y15的應力值最大為11.32 MPa(運行水位為14 m)，閘門承受的動應力較小，滿足動應力不大于材料允許應力20%的要求[20]。

圖5 閘門關閉過程中典型測點Y15的應力時域過程線 圖6 典型測點Y15的時均應力與閘門相對開度關系曲線

3.3 加速度及位移響應分析

平面閘門在運行水頭為14 m局部開啟運行時，門體頂部典型測點J2的加速度均方差值以及將加速度信號經過二次積分得到的振動位移均方差值如表3所示。

由表3可知，不同閘門開度下門體3個方向振動加速度均方差均在0.060 m/s2以內，振動位移均方差值在35 μm以內。試驗觀測表明，上游水頭由12 m升高至14 m時，測點J2的加速度均方差最大值由0.015 m/s2增大到0.058 m/s2，各點加速度(水平向、垂向、側向)均方差量級相當，最大為0.058 m/s2，按3倍均方差計算加速度幅值約為0.174 m/s2；位移均方差由0.393 μm增大到30.658 μm；按3倍均方差計算最大位移幅值約為91.974 μm。依據(jù)美國阿肯色河通航樞紐中心提出的按振動位移均方差值劃分水工鋼閘門振動強弱的標準[20]，位移均方差值為0～0.050 8 mm的振動對結構的影響可以忽略不計；位移均方差值在0.050 8～0.254 0 mm之間的振動為微小振動；位移均方差值在0.254 0～0.508 0 mm之間的振動為中等振動，位移均方差值大于0.508 0 mm的振動為嚴重振動。因此，該導流洞平面閘門在局部開啟擋水時的振動屬于微小振動。

表3 運行水頭14 m閘門不同相對開度典型測點J2的加速度均方差和位移均方差

圖7為運行水頭14 m時，門體頂部典型測點J2不同方向的加速度均方差與閘門相對開度的關系曲線。在閘門關閉過程中門體下落較為平穩(wěn)，閘門在各相對開度運行時的各測點振動加速度值較小。由圖7可看出，3個方向的加速度響應中，水平向振動加速度均方差值相對較大，側向次之，垂向最??；隨著閘門開度逐漸增大，門體側向振動響應逐漸減小，垂向振動響應先減小后略有增大，水平向振動響應先增大后減小，在閘門相對開度為0.3時達到最大，其后有所減小[21]。

圖7 典型測點J2不同方向的加速度均方差與閘門相對開度關系曲線(H=14 m)

圖8為運行水頭14 m、閘門相對開度為0.3時，由傅里葉變換得出的典型測點J2水平向加速度時程線和功率譜密度曲線。由圖8可知，閘門主要的振動能量集中在1.0 Hz之內，主頻為0～0.4 Hz，與水流脈動頻率基本一致。因此，閘門結構振動表現(xiàn)為水流脈動荷載作用下的低頻受迫振動。通過時域積分，可由實測加速度過程得到閘門振動位移的變化過程，其結果表明，閘門振動位移穩(wěn)定，主頻為0.19 Hz，能量主要集中在1.0 Hz以內。

圖8 典型測點J2水平向加速度時程線及其功率譜密度曲線(運行水頭14 m，閘門相對開度為0.3)

4 閘門模態(tài)分析

通過ANSYS Workbench 平臺對平面閘門進行結構模態(tài)分析[22-23]。在計算干模態(tài)時，閘門和鋼絲繩分別采用殼單元(Shell63)和桿單元(Beam188)進行模擬；在濕模態(tài)分析中，閘門上、下游水體采用ANSYS單元庫中的三維流體聲單元(Fluid3D)模擬[24-25]；流固耦合分析時，閘門的主橫梁、主縱梁及面板等主要結構用實體單元(SOLID45)進行模擬。上游順水流方向水體長度取20 m，下游順水流方向水體長度取6 m。上游靜水壓力作用明顯，故順水流向只在滑塊承壓處施加位移約束，同時在閘門底檻施加位移約束。閘門是由6 300 kN固定卷揚式啟閉機配合拉桿完成動水起閉，鋼絲繩直徑在50～ 80 mm范圍內選取，彈性模量E=(1.05～1.15)×105MPa，所以鋼絲繩用豎向力桿單元模擬。受拉桿的作用，在吊繩吊點處施加全約束，以便獲得平面閘門的頻率和振型。數(shù)值計算得出的平面閘門相對開度為0.09的情況下，前4階自振頻率和振型如表4所示，其中干濕模態(tài)1階振型特征見圖9。

表4 閘門相對開度為0.09時閘門干濕模態(tài)前4階自振頻率和振型

圖9 閘門相對開度為0.09時干濕模態(tài)1階振型特征

由表4和圖9可看出，平面閘門前4階干模態(tài)的最小自振頻率約為40 Hz，表現(xiàn)為閘門整體垂向振動，閘門開度對自振頻率影響不大。在動水的作用下，閘門濕模態(tài)受水體附加質量的影響，其自振頻率較在空氣中無水時降低20%～30%。同一振型的自振頻率濕模態(tài)與干模態(tài)變化相似，隨閘門開度增加，流固耦合影響程度減小。

5 結 論

通過對巴塘水電站導流洞平面閘門流激振動試驗分析，結果表明：

(1)閘門脈動壓力幅值隨開度的增大而減小、隨運行水頭的升高而增大。門體所受的水流脈動壓力主要能量頻率集中于10 Hz范圍內，主頻分布于1 Hz以下。平面閘門1階干模態(tài)頻率為40.05 Hz，1階濕模態(tài)頻率為35.40 Hz，1階頻率遠離水流脈動激勵的高能區(qū)域，平面閘門產生共振的可能性較低。

(2)利用該模型能夠定量測量分析該平面閘門的動力特性及流激振動響應特性，能夠為閘門的結構設計和運行管理提供有力技術支持。該平面閘門局部開啟運行時，門體動應力響應值、加速度響應值及動位移響應值均較小，閘門運行平穩(wěn)，振動屬于微小量級，說明閘門結構受力特性良好，強度和剛度均滿足設計要求。