撒渔沱电站泄洪冲沙闸工作门振动性分析及验证

邓智勇

(中国水利水电第十工程局有限公司机电安装分局，四川都江堰 611830)

撒渔沱电站泄洪冲沙闸工作门振动性分析及验证

邓智勇

(中国水利水电第十工程局有限公司机电安装分局，四川都江堰 611830)

对撒渔沱电站泄洪冲沙闸工作门在闸门局部开启工况下的振动加速度、振动位移进行了分析；在闸门运行时，对闸门局部开启工况下的振动、涡流进行了验证分析。该工作门在正常工况下局部开启时有轻微振动，但满足钢闸门的运行要求。

撒渔沱电站；泄洪冲沙闸工作门；振动性分析；验证

1 概述

水工闸门对于整个水工建筑物而言具有极为重要的作用。多数闸门在启动、关闭状态下都会出现不同程度的振动情况，在遇到振动较大的情况时，将造成较大的不利影响，对闸门运行、使用产生较大的破坏。为此，在设计钢闸门时，应充分考虑水流对局部开启时振动的影响。笔者对撒渔沱电站冲沙闸工作门不同情况进行了振动性分析和结构优化，从目前运行情况看，闸门局部开启时运行良好。

撒渔沱电站位于横江干流上，采用河床式开发。泄洪冲沙闸紧靠主厂房右端，采用开敞式，共布置10孔平板钢闸门，孔口尺寸为9 m×24．5 m。泄洪冲沙闸均采用表孔平面定轮闸门，孔口宽9 m，挡水高度为24 m，闸门高24．5 m。泄洪冲沙闸工作门门叶(从下至上)分为2．9、3．2、3．5、3．8、4．1、7六段。

2 闸门流激振动数据分析

2．1 水弹性模型的设计与制作

该泄洪闸工作闸门采用平面滚动钢闸门，水封安装在闸门上游面，具有动水启闭和泄洪排沙功能，根据来流量变化需作局部开启运行以调节流量，因此对闸门结构运行过程中的振动问题值得关注。从本质上讲，闸门流激振动属于水弹性振动范畴。闸门结构在动水作用下的运行应符合如下动力方程:

根据上述结构运动方程，考虑到振动试验一般在水介质中进行，因此，闸门的水弹性模型应同时满足几何尺寸、质量密度、阻尼、弹性模量、水流动力等参数的相似性。根据相似原理，经推导可得如下闸门结构各参数的比尺要求。

几何比尺:Lr

质量密度比尺:Pr=1

弹性模量比尺:Er=Lr

泊松比比尺:μr=1

阻尼比尺Cr=Lr2．5或 ξr=1

该项试验采用门体质量分布和刚度变态分布相似模型进行振动特性分析。

2．2 闸门振动的加速度

闸门振动研究的重点是考虑在正常设计工况闸门作局部开启运行条件下下的流激振动情况。表1给出了泄洪冲沙闸工作门在上游水位高程412．4 m不同开度时门体振动加速度均方根值。

数据显示:闸门振动量沿门高方向表现出自下而上逐渐递减的趋势，紧靠底缘的下节门叶振动加速度最大，最大振动加速度均方根值达1．1 m/s2。这是由于下泄水流在近底缘处流速增大、对闸门底缘的扰动增加的缘故。门体中部的振动量迅速下降，最大振动加速度均方根值降为0．33 m/s2，为下节门叶的1/3左右；上部门叶的结构振动量进一步下降，最大振动加速度均方根值仅为下节门叶的1/6，约为0．19 m/s2，说明下节门叶的振动量偏大，需要对其加以控制。

2．3 闸门结构的振动位移

与闸门振动加速变化类似，闸门振动量沿门高方向表现出自下而上逐渐递减的趋势，表2给出了泄洪冲沙闸工作门上游水位高程412．4 m不同开度时门体振动位移均方根值，闸门下节门叶振动位移最大均方根值达1．56 mm。门体中部门叶的振动量迅速下降，最大位移均方根值降为0．8 mm，为下节门叶的1/2；上部门叶的结构振动位移量进一步下降，最大振动位移值仅为下节门叶的1/10，约为0．16 mm。振动位移以水平向和垂向为大，侧向最小。振动位移随闸门开度的增加而加大，最大振动位移量出现在闸门开度9 m处。显然，闸门的振动位移随下泄流量的增加而加大，同时也随着出闸水流水舌形态的变化而变化。此外，其还表现在水流对闸门底缘扰动力的增加。

表1 撒渔沱电站冲沙闸工作门门体振动加速度均方根值比较关系表(1孔局开，上游水位高程:412．4 m)

表2 撒渔沱电站冲沙闸工作门门体振动位移均方根值表(1孔局开，上游水位高程:412．4 m)

2．4 小 结

闸门振动试验结果显示:在正常设计水位下，闸门作局部开启运行时，结构振动量沿门高方向自下而上逐渐递减，最大振动量出现在下部门叶，即第六节门叶振动量最大；中部门叶的振动量次之；上部门叶振动量小，其振动加速和振动位移两个参量均表现出同样特征。

从振动方向看，垂向振动量最大，水平向次之，侧向最小，这也反映了闸门结构的受力特征。振动位移以水平向和垂向为大，侧向最小。振动位移随闸门开度和下泄流量的增加而加大，最大振动位移量出现在闸门开度9 m处。

从振源角度看，导致下节门叶振动量较大的原因主要有以下两个方面:

(1)下泄水流在近底缘处流速增大，对闸门底缘的扰动力也随之增加，即对下节门叶的动力作用也相应增加。

(2)该工程工作闸门沿门高方向分为六节，每节门叶间采用铰接，门叶间的约束刚度较弱。

考虑到闸门的下节门叶的振动量偏大，根据结构布置特点，可以采用在各节门叶间增设联结板的方法对结构布置加以适当调整，以控制闸门的振动量。为此，决定对闸门结构进行优化。

3 运行验证

闸门投入运行后，在一个汛期内进行了两次闸门局部开启振动用于验证。

2009年8月5日，开启2号冲沙闸排泄闸门前堆积的漂浮物，此时上游水位高程为412 m，入库流量为600 m3/s左右。闸门从零开度直到12 m开度，上游水面上的漂浮物才被吸到水下并随水流排到下游。

闸门开度在5 m以下时无振动，水面无涡旋。闸门提升高度达到5 m时逐渐出现漩涡并有振动，且随着闸门开度的增加而加大。直到开度达到8 m左右闸门振动开始减小，并逐渐在9 m左右结束。

在8月29日的防洪中，按照该电站2009年防洪调度规程，对闸门进行了组合泄洪。此时上游最高水位高程为412．4 m，下游最高水位高程为399．5 m，最大下泄流量3 200 m3/s。

在上游水位高程为411．6 m以上时，闸门从0提升到4 m均无振动现象出现；

在上游水位高程为408 m以上时，闸门从4米提升至5 m均无振动现象出现；

在上游水位高程为402．5 m以上时，闸门从5 m提升至10 m，闸门出现较轻微的振动，其中闸门在6 m时出现涡旋；6 m到9 m时出现较微小的振动；9 m到10 m时出现涡旋，10 m后闸门工作良好，无振动现象出现。

综上所述，闸门在5 m以下时无振动现象出现，在5～9 m之间时会出现涡旋和振动，但振动程度尚不激烈。

4 结语

(1)水工钢闸门抗振动分析对闸门安全运行作用明显。

(2)水工钢闸门通过结构优化，在局部开启时振动现象能够减轻并能控制。

(3)水工钢闸门门叶节间的约束刚度与局部开启时振动程度关联度较大。

(4)在正常设计水位下，闸门作局部开启运行时，结构振动量沿门高方向自下而上逐渐递减。

［1］ 潘锦江．闸门振动问题探讨［J］．水利水电科技进展，2001，21(6):21－39．

［2］ 练继建，彭新民．水工闸门振动稳定性研究［J］．天津大学学报，1999，32(2):171－176．

TV7;TV663;TV698．2

B

1001-2184(2015)05-0041-03

邓智勇(1967-)，男，四川大英人，高级工程师，学士，从事金属结构制造技术与管理工作．

(责任编辑:李燕辉)

2015-09-28