深孔式弧形工作閘門流激振動危害評價及防振

徐爽

（中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130061）

1 工程概況

云峰水電站樞紐工程由大壩、引水洞和發(fā)電廠房三部分組成，總庫容38.95×108m3，裝機(jī)容量400 MW。中孔壩段閘墩頂高程為321.75 m，壩高105.00 m，壩段長15.00 m，壩頂寬25.00 m。4個泄洪中孔的進(jìn)口底高程為251.75 m，進(jìn)口為長方形，尺寸為5.30 m×7.00 m，壓力段為直徑5.30 m圓形斷面，進(jìn)口設(shè)置事故檢修平板閘門，后側(cè)設(shè)置孔口尺寸為4.25 m×4.25 m的高壓弧形閘門。閘門設(shè)計水頭為70.00 m，采用動水啟閉，大壩中孔布置見圖1。

圖1 大壩中孔布置圖（圖中高程以m計，尺寸以cm計）

2 測點(diǎn)布置與測試方法

中孔弧形閘門為對稱結(jié)構(gòu)，考慮到閘門各主要構(gòu)件的約束條件和測點(diǎn)代表性問題，每個閘門布置2個三軸無線加速度節(jié)點(diǎn)，通過對加速度測試結(jié)果進(jìn)行頻域積分處理獲得位移量。節(jié)點(diǎn)分別布置在閘門門體上橫梁右側(cè)和左支臂靠近支絞腹板上。采樣頻率設(shè)置為100次/s，實(shí)時傳輸采集數(shù)據(jù)。閘門自關(guān)閉狀態(tài)到全開，每0.10 m持住2 min進(jìn)行流激振動測試的數(shù)據(jù)采集。

測試過程重復(fù)2次后，對測試結(jié)果進(jìn)行初步分析，如2次檢測數(shù)據(jù)重復(fù)性較好可停止測試；如2次檢測數(shù)據(jù)重復(fù)性不好，分析原因并排除可能造成數(shù)據(jù)重復(fù)性不好的因素后，繼續(xù)測試。測試完成后，取最后一次的測試結(jié)果進(jìn)行下一步的數(shù)據(jù)分析及處理。

3 閘門流激振動響應(yīng)特性

1）中孔弧形閘門門體平行水流方向和閘門支臂切向的振動加速度與位移量最大，由此分析，水工鋼閘門的流激振動主振方向受水流方向和振源位置影響。

2）針對水工鋼閘門流激振動響應(yīng)特點(diǎn)，中孔弧形閘門不同提升高度的流激振動響應(yīng)中，振動的主要物理量加速度和位移大小成正比。

3）中孔弧形閘門門體的振動加速度和位移量大于支臂的加速度和位移量，反應(yīng)出水工鋼閘門的流激振動大小與振源位置和約束條件有關(guān)。

4）測試結(jié)果顯示，中孔弧形閘門不同提升高度的流激振動測試結(jié)果差異較大。

4 振動危害程度評價

閘門振動量測出后，如何判別其對結(jié)構(gòu)物的危害程度，即等級劃分問題，現(xiàn)階段國內(nèi)還缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。閘門的振動安全性評價，當(dāng)前國內(nèi)外已有，且使用較多的參考標(biāo)準(zhǔn)主要是美國Arkansas河閘門振動危害程度位移判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：位移均方根值在0～0.050 8 mm范圍內(nèi)的振動危害可忽略不計；0.050 8～0.254 0 mm為微??；0.254 0～0.508 0 mm為中等；大于0.508 0 mm為嚴(yán)重。

根據(jù)鋼閘門設(shè)計規(guī)范，閘門主梁容許撓度的設(shè)定與閘門規(guī)模有直接關(guān)系，其振動位移判據(jù)也應(yīng)據(jù)此加以修正，修正系數(shù)n按閘門跨度設(shè)定：

式中：L——為測試閘門的實(shí)際跨度，m；Lo——為中型閘門的標(biāo)準(zhǔn)跨度，定為10 m。

通過計算得出，該工程的中孔弧形閘門振動安全性評價判據(jù)修正系數(shù)為0.425。

根據(jù)1號和3號中孔弧形閘門不同提升高度的振動加速度測試結(jié)果及位移均方根的計算結(jié)果，1號閘門振動危害嚴(yán)重對應(yīng)的提升高度是0.1，3.7，3.9，4.0 m；3號閘門振動危害嚴(yán)重對應(yīng)的提升高度是0.1 m。為防止振動對閘門結(jié)構(gòu)的破壞，閘門在局部開啟時應(yīng)避開振動危害嚴(yán)重部位。

對閘門整體的振動危害程度評價，采用不同提升高度的位移平均值的均值進(jìn)行，1號和3號中孔弧形閘門的位移均值分別為0.124 mm和0.093 mm，1號中孔弧形閘門的振動破壞程度屬于中等；3號中孔弧形閘門的振動破壞程度屬于微小。

5 閘門防振建議

閘門防振動破壞應(yīng)避免振動較大的提升高度運(yùn)行，同時也要根據(jù)閘門的實(shí)際運(yùn)行工況，考慮到方便調(diào)度和管理。1號和3號閘門不同提升高度振動危害統(tǒng)計見圖2。

圖2 閘門不同提升高度振動危害統(tǒng)計

通過對閘門不同提升高度振動危害統(tǒng)計分析，中孔弧形閘門在局部開啟泄流時，建議1號和3號閘門提升高度停留在閘門全行程的1/4和3/4處，即1.1 m和3.2 m，這樣可使閘門的流激振動破壞控制在微小范圍內(nèi)。

6 結(jié)語

通過對云峰水電站深孔式弧形工作閘門的流激振動測量，可以了解該閘門的振動響應(yīng)特性和不同提升高度振動危害程度。閘門在較小的振動開度下運(yùn)行可減小振動破壞，有利于水工鋼閘門的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。