高坝大库水电站泄洪闸门原型观测试验

龚登位，张德选，胡木生（.华能澜沧江水电股份有限公司小湾水电厂，云南　大理 67570；.水利部水工金属结构质量检验测试中心，河南　郑州　450044）

高坝大库水电站泄洪闸门原型观测试验

龚登位1，张德选1，胡木生2
（1.华能澜沧江水电股份有限公司小湾水电厂，云南大理 675702；2.水利部水工金属结构质量检验测试中心，河南郑州450044）

小湾水电站泄洪闸门具有工作水头高、泄洪落差大、泄洪流量大的特点，为进一步优化水库调度运行方式，有效保证电站泄洪设施的安全运行，进行了原型观测试验。结合本次试验，首次研究采用了三维摄影测量法对闸门进行位移变形测量，并在高水头条件下进行了泄洪洞事故闸门和泄洪中孔事故检修闸门的动水闭门试验。原型观测试验结果表明，各闸门结构强度和刚度满足规范要求。

原型观测试验；泄洪闸门；小湾水电站

1　小湾水电站闸门原型观测试验背景

小湾水电站是澜沧江中下游河段的龙头水库，正常蓄水位1 240 m，总库容150亿m3。枢纽建筑物由混凝土双曲拱坝、右岸地下引水发电系统和泄水建筑物组成。电站装机容量 4 200 MW（6× 700 MW），坝高294.5 m。泄水建筑物由坝身5个开敞式泄洪表孔、6个泄洪中孔、2个放空底孔、左岸1条泄洪洞等部分共同组成。

小湾水电站工程最大下泄流量为20 700 m3/s，最大水头251 m。由于泄洪建筑物场地狭窄、水头高、泄洪落差大、泄洪流量大，且调度运行复杂多样，高速水力学、高水头大流量泄洪消能、泄洪闸门振动及应力变化等问题是小湾水电站安全运行的关键技术问题。通过泄洪闸门原型观测试验，能及时发现和消除影响电站运行的安全隐患，并根据观测试验成果，据实调整完善水库调度运行方式，以及验证闸门设计的正确性和设计参数的合理性。根据计划安排，在2014年8月中旬，库水位为1 236.0 m附近时开展了小湾水电站泄洪闸门原型观测试验。

2　主要试验内容及试验计划

2.1主要试验内容

（1）开展泄洪闸门的应力测试、变形量测试、动力特性测试、振动响应性测试、启闭力测试、风速测试、脉动力等测试项目。

（2）首次在小湾水电站泄洪闸门原型观测试验中实践应用三维摄影测量系统。研究选用美国VSTARS摄影三坐标测量系统进行观测，通过三角测量原理计算各图像像素间的位置偏差来获取被测点的三维坐标，根据共线方程计算出目标点的三维坐标及数学模型。

（3）研究闸门应力、振动测试的动态数据传输难题，在现场试验的恶劣条件下采用无线数据传输方式进行传输，实现无线通讯控制器完成自动平衡、采样控制、数据存贮处理等功能。

（4）在高水头下开展泄洪洞事故闸门、1号泄洪中孔事故检修闸门动水闭门试验，对闸门的各项技术参数进行全面采集和分析对比。

2.2试验计划

2014年8月15日小湾水电站完成泄洪闸门原型观测试验各项准备工作，8月16日组织了试验安全技术交底、试验操作演练。2014年8月17日～22日完成全部试验，试验总体情况正常。试验工作计划见表1。

表1　试验工作计划

3　泄洪闸门原型观测

3.1应力测试

小湾水电站闸门应力应变测点主要布置在面板、主横梁、吊耳、纵梁、支臂、支铰及可能的应力集中、突变部位。主要开展闸门静应力测试和动应力测试，动应力测试主要测定运动状态，即主要受力构件的应力应变过程线。根据相关工程经验，小湾水电站闸门原型观测试验结构应力测试优化采用日本进口的水下三线电阻应变片。

3.2变形量测试

根据小湾水电站闸门原型观测试验的变形观测要求，经分析现场实施作业的可行性、经济性等，综合决定采用三维摄影测量系统。摄影测量的基本原理是从两个（或多个）位置拍摄同一工件，以获取在不同视角下的图像，通过三角测量原理计算各图像像素间的位置偏差（即视差）来获取被测点的三维坐标。图1为同一相机在两个位置拍摄同一物体时的情况，图2为物方空间与像方空间的对应关系。

图1　相机拍摄物体示意

图2　物方空间与像方空间的对应关系

从图1、2可知，目标点、相机中心和相点三点构成共线方程，根据共线方程可结算出目标点的三维坐标，通过对变形前后的三维坐标的计算分析，可得到各测点的变形量。

小湾水电站闸门原型观测试验变形测量选用VSTARS摄影三坐标测量系统。V-STARS系统是由美国GSI公司研制的工业数字近景摄影三坐标测量系统，该系统主要具有三维测量精度高（相对精度可达1/20万）的特点。小湾水电站首次研究采用三维摄影测量法对闸门进行位移变形测量，填补了原型观测闸门位移和变形测量在此方面的技术空白。

3.3动力特性测试

动力特性测试主要包括闸门结构的自振频率、阻尼系数和振型等基本参数测试，也称为闸门的动力参数测试或模态参数测试。小湾水电站闸门原型观测试验采用丹麦B&K公司生产的3560C PLUS振动测试系统，通信距离可达150 m，可测量高达40次的谐波信号。

3.4振动响应测试

国内电站闸门在原型观测方面做的工作不多，尤其是动力响应的综合性观测、监测案例较少，小湾水电站闸门原型观测试验提出了闸门动力响应观测的技术内容，为此建立了一个良好的开端。其原型观测试验采用丹麦B&K公司生产的3560C PLUS振动测试系统，该系统可测量高达40次的谐波信号。

3.5启闭力测试

测试闸门启闭全过程，获得启闭力过程线，确定最大启闭力；对事故闸门应测试动水闭门的持住力及其过程线，根据测试数据推算设计工况下的启门力、持住力和闭门力。

3.6脉动力测试

由于高水头电站深孔过流的流态分析以及引起闸门振动的振源十分复杂，对流道和闸门前工作条件下的压力脉动测试的技术难度较大。小湾水电站闸门压力脉动测试采取在弧形闸门门叶面板上开孔，布置脉动压力传感器。根据弧形闸门的几何尺寸和流道测试需要，在动态下采集闸门面板上游边壁的压力脉动。

4　主要成果及基本结论

4.1泄洪洞工作闸门原型观测、事故检修闸门动水落门（工况1、2）

（1）泄洪洞工作闸门原型观测。泄洪洞弧形工作闸门原型观测试验水头为45.9 m，大于设计水头。工作闸门分别在局开和全开工况下观测，各测点的静应力均小于允许应力，工作闸门启闭力均小于启闭机的额定启闭力。从闸门原型观测的频谱分析，闸门在第6开度（13.5 m）处振动激烈，对应的最大拉应力值为39.42 MPa，小于允许应力且没有发生应力峰值。工作闸门挡水工况下，闸门主梁最大挠度为1.1 mm，小于允许值。泄洪洞泄洪时，工作闸门启闭机室内机架处最大风速为21.9 m/s。工作闸门在启闭运行工况下闸门脉动压力值最大为0.005 470 MPa，满足规范要求。

（2）泄洪洞事故检修闸门动水落门。泄洪洞事故检修闸门开展了动水闭门试验，进行启闭力、事故门槽风速、水位和水流状态观测。闭门持续时间25 min，最大闭门力发生在闸门开度为3 m时，闭门力为5 919 kN。整个闭门过程启闭机机架振动较小，未出现激烈振动及异响。事故检修闸门动水闭门力测试过程中闸门闭门力均小于启闭机的额定启闭力，启闭力容量满足闸门启闭要求。

4.24号泄洪中孔弧形工作闸门原型观测（工况3）

4号泄洪中孔工作门在局开、全开方式下进行闸门原型观测，闸门试验水头为87.6 m，大于设计水头。静水状态下测得4号泄洪中孔工作闸门的结构静应力为60.15 MPa，闸门结构动应力测试最大拉应力发生在开度为1.3 m时的门叶左起第一纵梁翼板上，值为67.99 MPa。工作闸门在5.2 m开度时整体振动最剧烈，对应最大拉应力值为64 MPa，小于允许应力且未发生应力峰值。工作闸门在挡水工况下，闸门主梁最大挠度为0.7 mm，小于允许值。

4号泄洪中孔工作闸门启闭力测试最大应力发生在1.3 m和4.5 m开度时，位于左侧活塞杆上，值为7.09 MPa。根据启闭力应力测试值计算，闸门最大启门力发生在开度为1.3 m时，值为2 232.76 kN，闸门液压启闭机各个工况的启闭力均小于额定启闭力。最大闭门力发生在闸门开度为4.5 m时，读数值1 430.96 kN。闸门最大启闭力测试计算值均小于液压启闭机的设计额定容量。

4.31号泄洪中孔弧形工作闸门原型观测（工况4）

1号泄洪中孔工作闸门在局开、全开方式下进行闸门原型观测，工作闸门水头为71.551 m，大于设计水头。工作闸门在挡水工况下，各测点的静应力、结构计算应力、各测点的动应力均小于允许应力，门叶结构强度满足要求。

从工作闸门原型观测的频谱分析中可知，随着闸门开度的提升振动特征值呈增大的趋势，在5.2 m开度时闸门整体振动最剧烈，对应的最大拉应力值为64.00 MPa，小于允许应力且没有发生应力峰值，表明该闸门的结构设计满足强度要求。主梁挠度计算值小于允许值，最大挠度为0.5 mm。工作闸门液压启闭机各个试验工况的启闭力均小于启闭机的额定启闭力，启闭力容量满足闸门启闭要求。

4.43号泄洪表孔弧形闸门原型观测（工况5）

3号泄洪表孔闸门在局开、全开方式下进行闸门原型观测，试验水头为13.4 m，大于设计水头，满足原型观测的要求。在闸门挡水工况下，各测点的静应力和动应力均小于允许应力。从闸门原型观测的频谱分析中可知，在开度为3 m时，闸门局部有振，但不强烈。通过闸门动水振动响应测试分析，闸门在启闭过程中不会出现门叶共振现象。闸门变形测量主梁最大挠度为1.0 mm，小于允许值。

4.51号泄洪中孔事故检修闸门动水落门试验（工况6）

1号泄洪中孔工作闸门在开度为2.6 m泄水时，事故检修闸门进行了动水闭门试验，闭门持续时间11 min。事故检修闸门最大闭门力发生在闸门刚入槽段，值为2 761 kN；在开度达到4 m以前，闸门闭门平稳，后段门槽内振动声先逐渐加大，到开度为3 m时最大，随后逐渐减弱，整个闭门过程未出现强激烈振动及异响。试验过程中闸

门闭门力均小于启闭机的额定启闭力，各测点的动应力均小于允许应力，动水闭门时门槽补气充分。

4.6主要基本结论

溢洪道表孔弧形工作闸门、1号和4号泄洪中孔弧形工作闸门、泄洪洞弧形工作闸门及事故闸门的原型观测试验结果表明，各闸门结构强度和刚度满足规范要求，闸门在启闭过程中不会出现门叶共振现象，可满足各开度开启要求，启闭机容量满足闸门启闭要求，闸门设计满足动水闭门要求。1号泄洪中孔事故检修闸门的动水闭门原观试验表明，坝顶门机容量满足闸门启闭要求，闸门设计满足动水闭门要求。

5　结语

小湾水电站在泄洪闸门工作水头高、泄洪落差大、泄洪流量大的试验条件下，通过全面的原型观测试验，验证了电站金属闸门结构的各项技术参数满足设计及规范要求，为进一步优化水库调度运行方式提供了依据，有效保证了电站泄洪设施的安全运行。小湾水电站首次在行业内研究采用三维摄影测量法对闸门进行位移变形测量，并在高水头条件下进行了泄洪洞事故闸门和泄洪中孔事故检修闸门的动水闭门试验，可为同类工程的闸门原型观测试验提供借鉴。

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（责任编辑焦雪梅）

Prototype Measurement Experiment of High-head and Large-flow Flood Discharge Gate in Hydropower Station

GONG Dengwei1，ZHANG Dexuan1，HU Musheng2
（1.Huaneng Hydro Lancang Xiaowan Hydropower Plant，Dali 675702，Yunnan，China；2.National Center of Quality Inspection&Testing for Hydraulic Metal Structure Ministry of Water Resources，Zhengzhou 450044，Henan，China）

The flood discharge gates in Xiaowan Hydropower Station operate with high head，large flood gap and large flood discharge flow.For further optimize reservoir operation mode and effectively ensure the safe operation of spillway facilities，the prototype measurement experiments of gate are conducted.The three-dimensional photogrammetry is firstly used to measure the displacement deformation of gate，and the closing testes of spillway tunnel emergency gate and middle orifice emergency gate under the conditions of high head and hydrodynamic load are also carried out.The results of prototype measurement experiments show that the structural strength and rigidity of gates meet the requirements of specifications.

prototype measurement experiment；flood discharge gate；Xiaowan Hydropower Station

TV663（274）

A

0559-9342（2015）10-0064-03

2015-07-29

龚登位（1979—），男，四川达州人，工程师，主要从事水电厂生产技术管理.