三峡水利枢纽导流底孔闸门泄流振动监测与分析

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(长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010)

三峡水利枢纽的溢流坝段设有22个导流底孔，担负三期施工导流和汛期泄洪任务，导流底孔采用有压长管方案，大部分底孔出口底板高程为55.5 m，正常设计水位135.0 m，设计水头79.5 m。工作闸门为弧形闸门。闸门宽6.0 m，高8.5 m，支臂长16.4 m，半径18.0 m。支铰高程69.0 m。由于孔底位置较低，汛期闸门往往处于淹没状态。在淹没状态下开门泄洪或在动水中关闭闸门时，门后将出现不同程度的水跃翻滚冲击闸门的现象，可能诱发闸门较大振动，影响支臂动力稳定和闸门的安全运行，因此，有必要对导流底孔闸门进行动力安全监测。

1 闸门结构动力特性监测

1.1 闸门试验模态分析原理

闸门结构动力特性监测采用试验模态分析方法，原理如下。

导流底孔弧形闸门是典型的三维结构，它有许多频率和振型都可能被水流激发而参与振动，因此需要掌握闸门多阶频率和振型。进行试验模态分析是研究结构动力特性的有效方法之一。根据模态分析理论，传递函数与模态参数之间的关系可表示为

式中：{φi}为第i阶模态振型；Ki，Ci，mi分别为第i阶模态的刚度、阻尼和质量；ω为圆频率；J为虚数。

当结构模态间的相互耦合可以忽略时，则传递函数矩阵[H]中的任一行或一列都包含了结构的全部模态参数，而多点激振单点响应或单点激振多点响应观测分别能得到传递函数[H]中的一行或一列。响应点和激励点需恰当选择，否则会遗漏某些模态。本次采用单点激振多点响应的试验模态分析方法进行了闸门动力特性试验研究。试验时，在闸门结构上共布置43个测点，每个测点考虑3个测试方向，以便获取闸门的三维模态。传递函数测量精度由激励信号X(t)和响应信号Y(t)的相干函数 (f)来检验，即

式中:Gxy(f)为X(t)和Y(t)的互功率谱;Gxx(f)和Gyy(f)分别为X(t)和Y(t)的自功率谱。相干函数在0～1之间取值，它表明响应信号对激励的依赖程度。若在某些频率上，相干函数值为零，说明这些频率上的响应与激励无关；若取值接近1，说明这些频率上的响应都由激励所激发，传递函数精度高。

试验时，对每一次激励信号和响应信号均进行了相干函数分析，当激励信号和响应信号的相干函数值在0.95以上时，激励和响应数据予以保存，否则重新测量激励和响应，直到获得满意结果。每个测点需获取3组激励信号和相应响应信号，其相干函数值在0.95以上。

1.2 闸门试验模态分析成果

底孔闸门的原型动力特性试验成果见表1,从表中的数据可知，干门和湿门各阶自振频率相应的阻尼比非常接近。干门和湿门第一振型的阻尼比都比较大，该闸门的水弹性模型第一振型的阻尼比也是10.18%。这种巧合反映了该闸门的一种特性。湿门的第一频率与干门的相差无几，湿门的阻尼比仅比干门的稍大一点，其原因在于，闸门第一振型是侧向摆振，振动位移与上游水体相切，水体对该振动频率不产生影响，水只对径向振动频率有影响，但湿门的侧止水因水压对闸门侧向振动的阻滞作用增加，使其阻尼比有所增大。湿门的第三频率比干门的大一些,但与水弹性模型试验值相近,其它各阶频率三者都比较接近[1-2]。

表1 闸门动力特性参数

图1 闸门振动测点布置图

由表1可知，闸门的动力特性原型实测值、模型实测值比较接近,达到了相互验证，较好地反映了闸门结构的动力特性,表明所采用的实验模态分析技术是成功的。

2 闸门泄流振动监测成果及分析

2.1 闸门振动监测内容与测点布置

闸门泄流振动监测包括闸门脉动压力、振动加速度、振动位移、动静应力、启门力等。

为较全面地掌握作用在闸门上的动水荷载，探求振源特性，在闸门上共布置了12支脉动压力计。其中，门叶上游面5支，门叶下游面3支，下支臂4支。为掌握闸门的流激振动响应，在该闸门上分别布置了12支应变计和6支加速度计。该闸门支臂较长，相对比较单薄，应力监测以支臂为重点。其中，有9支应变计布置在闸门支臂上，用以监测支臂侧向和切向弯曲应力；1支应变计布置在闸门启闭杆下端轴向，监测闸门的启门力；其余2支应变计分别布置在门叶主纵梁上，监测主纵梁的应力状态。2支加速度计分别布置在支臂中部切向和侧向；3支加速度计按切向、径向、侧向分别布置在门叶下部主梁上；1支布置在门叶中部对接板的门叶侧向。门叶侧向布置2支加速度计，主要用以判别闸门是否出现扭振。各传感器的位置示于测点布置图1。

2.2 监测仪器系统组成

监测仪器系统组成：监测仪器有3个系统，其中振动加速度监测系统主要由CA-YD-127型加速度计、CA-YD-109型加速度计、特制防水型低噪声电缆和YE5858型电荷放大器及INV306D(F)型智能信号采集分析仪等组成。脉动压力监测系统主要由CYG1102脉动压力计、特制防水型电缆和YE5853型电荷放大器及INV306D(F)智能信号采集分析仪等组成。动静应力监测系统主要由直型防水应变计、特制防水型电缆和YD-28型动态应变仪及INV306D(F)型智能信号采集分析仪等组成。

2.3 振动加速度、振动位移监测成果及分析

在上游水位为135.0 m，下游水位为71.48 m的条件下，进行了开关门过程闸门泄流振动监测。监测结果表明，连续启闭闸门的全过程中，闸门未出现强烈振动，仅在0.30开度以下闸门振动加速度较大。在关门全过程中，实测闸门门叶下部径向ZD04XH11测点的振动加速度最大值为8.576 m/s2，呈现迫振现象，如图2所示。可见,振动加速度的高频成分能量很大，长期如此振动对闸门是有害的，其他开度无此现象。该闸门的水弹性模型在相近水位条件下在关门过程中测得该处的最大振动加速度为8.1 m/s2,出现在0.5开度。二者得到了相互验证， 闸门支臂中部切向的最大振动位移值为0.186 mm。

图2 关门过程ZD04XH11测点典型振动加速度时域波形

在开门全过程中，实测的闸门振动加速度最大值为6.046 m/s2，相应工况均方根值为1.308 m/s2，出现在门叶下部径向；振动位移最大值为0.176 mm，出现在支臂中部侧向。支臂中部切向ZD01XH11测点振动加速度的主振频率为6.73,13.17,27.52,38.35,51.81,56.79 Hz,其中13.17 Hz为闸门绕支铰切向振动频率。支臂中部侧向ZD02XH11测点振动加速度主要振动频率为5.27,13.47,47.72,79.33 Hz，其中5.27 Hz接近闸门侧向摆动频率，13.47 Hz是绕支铰切向振动频率。门叶下部径向ZD04XH11测点振动加速度主要振动频率为4.68,32.79,83.14,133.49 Hz。门叶中部侧向ZD06XH11测点振动加速度主要振动频率为9.37,15.23,34.28,39.26,54.79,58.01,73.25,79.11,81.45,135.95 Hz，其中15.23 Hz接近支臂侧反对称弯曲振动频率。从上述可见，闸门各部位振动加速度的频率成分十分丰富，说明闸门的流激振动是随机振动，没有出现类共振迹象。

在上述水位条件下，闸门全开泄流时，实测的振动加速度最大值为0.99 m/s2，均方根值为0.177 m/s2，振动位移最大值为0.027 mm，表明闸门振动微弱。

综上所述，在上游水位为135.0 m,下游水位71.48 m条件下，闸门关门过程比开门过程中实测的加速度值略大，0.3开度以下实测的加速度幅值比0.3开度以上的加速度幅值略大。在0.3开度以下，闸门下游处于完全或局部被淹没状态，不仅受到上游面脉动压力作用，还受到下游水跃和紊动水流作用，振动相对较大是合理的。在该开度区间上，实测的闸门振动加速度最大值都不超过8.576 m/s2，振动位移最大值不超过0.186 mm。按照USA阿肯色关于闸门振动危害程度的判别标准[3]，泄11#导流底孔闸门属于微小振动。

2.4 脉动压力监测成果及分析

在下游水位为71.48 m，上游水位为135 m条件下，进行关门与开门过程(非恒定流)脉动压力监测。脉动压力点典型的时域波形与功率谱图见图3。

图3 关门过程中MY06XH11测点典型的脉动压力时域波形

从监测成果可知，门叶中部、门叶中下部的脉动压力幅值均小于门叶底缘的脉动压力幅值，0.3开度以下时，门叶下游面测点脉动压力幅值较大，下游面底缘测点脉动压力最大，这是门后水跃冲击闸门引起的。门叶上游面底缘测点的脉动压力幅值有的随开度增大而增大，有的变化不明显。

开门过程中，在0～0.3开度时，门叶底缘测点(包括门叶正面和门叶背面)脉动压力幅值较大，实测到的脉动压力最大幅值为331.60 kPa，均方根值为73.87 kPa；关门过程中，在0～0.3开度时，实测脉动压力最大幅值为472.40 kPa，属水跃冲击引起,均方根值为86.49 kPa；均出现在门叶下游底缘MY06XH11测点上。这表明在开门与关门过程中，当下游水跃冲击闸门时，作用在闸门上的脉动压力幅值较大。

监测结果表明：大多数测点脉动压力以低频为主，有些测点脉动压力高频成份比较突出，一般来说10.0 Hz以下的脉动压力分量较大，10.0 Hz以上的脉动压力分量较小。在0.3开度以下，闸门底缘上的脉动压力幅值较大，弧门底缘的压力变幅较大。门叶中上部和中下部脉动压力幅值较小，均小于门叶底缘脉动压力幅值。

2.5 应力应变监测成果及分析

底孔闸门开启导流,启门力测点(编号为S12XH11)布置在闸门启闭杆下端，通过测取启闭杆的应变来获得闸门启门力。当启门开始后，测点拉应变瞬间(约0.6～0.7 s)达到最大值45.50×10-6。启门力按F=AEε计算，其中启闭杆截面积A约为2 100 cm2，钢弹模E为2.1×106kg/cm2，则所得启门力约为200.7 t。

在闸门开启前，设置了各测点应变零点，在开门过程中随闸门开度增大，作用在闸门面板上的水压力减小，各测点应变逐步释放出来，记录幅值逐步增大，开门接近全开时，各测点应变值陆续达到最大。上游水位为135.0 m,下游水位为71.48 m，开门过程中测点应变时间历程见图4。

图4 开门过程测点S02XH11静应变时间历程曲线

开门过程和关门过程中，各测点静应变最大值接近。在下游水位为71.48 m，支臂上靠近门叶的2个测点S01XH11和S02XH11的静应变测值较其它测点大，实测值分别767.9×10-6和743.1×10-6，对应的应力为161.3 MPa和156.1 MPa，在设计允许用初范围之内[4]。门叶主横梁在开门和关门过程中，实测静应变最大值在439.4×10-6～489.3×10-6之间，对应的应力值为92.3～102.8 MPa。

在开门和关门过程中，各测点动应变的幅值都小于15×10-6，动应力小于3.51 MPa。该闸门水弹性模型在下游水位72.7 m条件下,关门过程的最大动应力为9.66 MPa,开门过程为9.24 MPa,出现在0.5开度，试验值比观测值大,可能与模型试验的下游水位高有关,也与测点在下支臂有关。

3 结论与建议

(1) 闸门的动力特性原型实测值、水弹性模型试验值比较接近,达到了相互验证，较好地反映了闸门结构的动力特性。

(2) 闸门在0.3开度以下实测闸门门页下部径向振动加速度最大值为8.576 m/s2，均方根值为1.741 m/s2,虽然加速度较大,但振动位移很小,最大值只有0.065 mm。实测闸门支臂中部切向振动位移最大值为0.186 mm，按照USA阿肯色关于闸门危害程度的判断标准，导流底孔闸门振动属于微小危害程度。

(3) 各测点的动应力最大值小于3.60 MPa，闸门的强度主要由静应力控制。静应力最大值为161.3 MPa，动静应力之和不超过165 MPa,在设计允许用应力范围之内，并有一定安全裕度。

(4) 闸门在淹没出流流态条件下，由于下游水跃和强紊动水流的作用，最大脉动压力出现在闸门底缘附近，向上显著减小。实测门叶底缘的脉动压力最大幅值为472.40 kPa，均方根值为86.49 kPa。虽然门叶上的脉动压力较大,但作用方向主要为径向，且优势频率在10.0 Hz以下，因此并未引起闸门大的振动。

(5) 鉴于国内类似水电站弧形工作闸门避免小开度运行工况的经验，建议三峡水利枢纽泄洪坝段底孔闸门应尽量避免在小开度工况下运行，防止闸门产生有害振动。

参考文献：

[1] 吴杰芳，张林让. 三峡大坝导流底孔弧型闸门流激振动水弹性模型试验研究[J].长江科学院院报，2001,(5):76-79.(WU Jie-fang, ZHANG Lin-rang. Study on Vibration of Bottom Outlet Gate for Three Gorges Project by Hydroelastic Model[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2001, (5): 76-79.(in Chinese))

[2] 张晓平 ,张林让. 三峡大坝11号底孔闸门动力监测综合分析报告[R]. 武汉：长江科学院，2003.(ZHANG Xiao-ping, ZHANG Lin-rang. Report on the Prototype Dynamic Monitoring Data and Comprehensive Analysis of the Bottom Outlet Gate No. 11 of the Three Gorges Project[R]. Wuhan: Yangtze River Scientific Research Institute, 2003.(in Chinese))

[3] 谢省宗，李世琴，林勤华. 泄水建筑物振动破坏及其防治、泄水工程与高速水流[J]. 1995，(2)(总第39期).(XIE Xing-zong, LI Shi-qin, LIN Qin-hua. Vibration Induced Damage and Protection of Flood Discharge Structures[J]. No.39.(in Chinese))

[4] SL74—95，水利水电工程钢闸门设计规范[S]. (SL74—95,Design Code for Hydraulic Steel Gate[S].(in Chinese))