陡河水库输水洞工作闸门振动观测分析

王桂青

（唐山市陡河水库管理处，河北 唐山　063021）



陡河水库输水洞工作闸门振动观测分析

王桂青

（唐山市陡河水库管理处，河北 唐山063021）

摘 要：陡河水库输水洞工作闸门原设计荷载按全开泄水计算，若局部开启则会引起闸门振动，1959年经分析得出闸门振动较大的2个开度。1963年通过进一步观测得出闸门振动的2个主要原因是顶拱负压和闸门底缘负压，并对振动条件下闸门应力进行校核计算，提出闸门各种工作条件下应采取的措施。

关键词：设计洪水位；振幅；负压；应力；闸门；输水洞；水库

1　工程概况

陡河水库位于河北省唐山市市区东北15 km处，担负着唐山市区防洪和为工农业生产、市区生活供水的任务，下游还有多条铁路和高速公路通过，水库安危影响甚大。水库坝体为碾压式均质土坝，设计库容5.152亿m3，设计洪水位40.3 m，汛限水位34.0 m。工农业用水主要由输水洞泄放，输水洞全长163.0 m，设计泄量156.0 m3/s，进口高程22.5 m，孔口尺寸为2个1.75 m×3.00 m。工作闸门型式为定轮平板门，闸门尺寸为2.55 m×3.20 m×0.37 m，由2个卷扬式容量40 t的启闭机启闭，启闭速度0.012 m/s，通气孔0.5 m2。工作闸门前面设有检修门。

2　观测目的

陡河水库输水洞工作闸门原设计荷载按全开泄水计算，没考虑局部开启。从运用情况看，输水洞除汛期泄洪外还经常泄放灌溉用水。由于最大灌溉流量约为最大泄量的20%，因此要求闸门局部开启、控制流量。定轮平板闸门部分开启，会引起闸门振动。1959年9月14日，根据陡河水库闸门振动原型资料分析得出：闸门振动较大的有2个开度，即n= 0.2及0.8，0.2和0.8开度下闸门振动情况见表1。

表1　0.2和0.8开度下闸门振动情况

为使陡河水库输水洞工作闸门能在正常条件下安全运用，1963年11月，在库水位29.87 m条件下，对输水洞工作闸门进行进一步的振动观测，希望通过实测资料验证闸门振动时的工作条件，并探讨研究有效的工程技术措施。该次观测项目有水位、流量、通气孔进气量、闸门底缘负压、脉动压力、闸门振动、进水塔振动、启闭力、门井水位等。

3　观测内容

3.1通气孔进气量

3.1.1观测目的

闸后通气孔进气量的观测目的有2个：一是校验设计的通气孔断面是否足够，亦即是否能保证充分进气而不发生噪音；二是了解通气量与闸门振动的关系，当闸门部分开启时闸门下游是否产生负压或气流脉动，成为闸门的振源。

3.1.2观测结果

通气孔进气量测量结果，见表2。

陡河水库的进气孔是按康拜尔公式设计的。

式中：β为气、水流量比；F为收缩水深度处的福氏数；Qa为空气流量（m3/s）；Qw为水流流量（m3/s）。

从观测结果可以得出以下结论：①通气量与闸门开度的关系曲线中有2个峰值，大开度时的通气量大于小开度时的通气量。这2个峰值出现在0.9 和0.1开度。②根据康拜尔公式计算的结果较实测值偏小50%左右。③通气孔在观测时的最大流速Va=8.17 m/s，小于设计允许流速Vak=45 m/s，所以现有通气孔断面已足够，闸门下游不会因通气问题产生负压或气流脉动。

3.2泄流能力

3.2.1泄流能力观测计算

各种开度下的闸门泄量，根据水库下游河道水文站测流断面的水位流量关系曲线推算得出。陡河水库在库水位29.87 m、闸门全开时模型试验结果为双孔流量88.0 m3/s，单孔则为44.0 m3/s，根据不同开度下实测水位流量关系计算流量系数。其计算公式为：

式中：Q为实测流量（m3/s）；A为闸门全开时的孔口面积（m2）；n为闸门相对开度；H为由闸门段底槛算起的水头（m）；g为重力加速度（m/s2）。

经计算，得出相应的流量系数μ为0.68，低于模型试验值。

3.2.2原因分析

为了探求流量系数减小的原因，控制闸门泄量，对顶拱负压进行观测，闸门泄量与顶拱负压观测结果见表3。将检修闸门放入门槽堵塞水流，控制工作闸门，重复以上步骤，对闸门振动情况进行观测，闸门振动强度和负压显著减小。陡河水库输水洞进口顶拱曲线为椭圆曲线，其曲线方程为：

检修门槽过水后，顶拱压力由于检修门槽过水，使门槽前压力增加，门槽后发生较大负压。由于负压的产生，减小了工作闸门泄流能力。随着流量的增加，进口检修门槽过水，导致流态紊乱，流量损失逐渐增大，顶拱负压也逐渐加大。门槽过水所引起流态紊乱和出现负压是闸门振动的一个主要原因。

表3　闸门泄量与顶拱负压观测结果

3.3闸门底缘负压

闸门底缘负压观测中利用闸门底固定止水木的螺栓孔，在闸门中心位置装置一测压孔，由于测压孔偏于下游，所测负压值可能偏小。观测所得陡河水库输水洞闸门底缘负压与开度关系，如图1所示。结果表明：最大负压出现在闸门开度为0.1时，绝对值为89 cm水柱，而且连续开启的负压比固定开度的大，观测过程中发现闸门开度为0.1时产生气穴爆破声。在固定开度情况下，当闸门开度为0.2～0.6时出现压力脉动现象，脉动幅度为±1～±5 cm水柱。底缘负压的形成对闸门产生下拖力，增加了闸门启门力，而且会使闸门产生空蚀，并导致闸门垂直振动。底缘负压产生的原因是陡河水库的定轮平板闸门底缘原设计有一角度，施工时改为平底，水流过底缘时产生脱壁现象，闸下射流与底缘之间出现空隙，由于底缘是水平的，空隙内的空气无法及时补充，此处易出现不稳定的负压，底缘负压是导致闸门振动的原因之一。

图1　陡河水库闸门底缘负压与开度关系

4　闸门振动应力校核计算

4.1静应力校核计算

根据《水利水电钢闸门设计规范》（SL74-1995），在较高水头下经常局部开启的大型闸门，其金属结构及机械零件的许可应力应乘以0.85～0.9的系数。陡河水库输水洞进口闸门在部分开启时产生振动，其构件的许可应力亦按上述规定乘以0.9的系数。静应力校核计算成果，见表4。原设计的计算荷重为：库水位40.3 m，闸门单宽水压力P=46.4 t/m，闸门净重G=4.0 t，启闭机容量45 t。

从表4可以看出，库水位为40.3 m，在静力条件下构件受力多数是安全的。部分构件的［σ］振/σ下降到0.84左右，但在库水位为汛限水位34.0 m以下时以上计算结果都是安全的。

表4　静应力校核计算成果

4.2动应力校核计算

闸门最大振动发生在开度为0.2及0.8，在0.2开度时作用在闸门上的静水压力最大，因此选用0.2作为计算开度。

校核项目为：

（1）钢丝索应力计算结果为［σ］=200 kg/cm2＞144 kg/cm2，是安全的。

（2）闸门起重轴应力计算结果为［σ］=800 kg/cm2＜868 kg/cm2、［σ］/σ=720/868=0.83，是不安全的。

由以上计算结果可知，闸门起重轴应力和振动条件下横梁应力是不安全的。

5　结语

通过闸门振动观测及数据分析，找到闸门振动的2个主要原因为顶拱负压和闸门底缘负压。对闸门相对开度0.2、设计水位下的静应力和动应力进行校核计算，发现闸门起重轴应力无论在静力还是在动力条件下都是不安全的，横梁动应力是不安全的。闸门相对开度0.8、设计水位下的静应力和动应力都小于相对开度0.2时的值，但是水平振动的主频大于0.2开度时的值，为了保证输水洞泄流安全，陡河水库工作闸门作部分开启调节流量时应避免0.2、0.8两个开度。今后，在设计水位以上运用闸门时应采取下列减振措施：用叠梁封闭检修闸门门槽，消除由此闸槽流入闸门的水流；改善橡皮止水，减少漏水，并改进侧轮工作情况；按原设计修改闸门底缘，改善水流条件，减少或消除底缘脉动力振源；加固闸门构件，如闸门起吊轴等；闸门上游面加设靠近底缘处1/4面板；在闸门上改善反轮装置及部分开启时的锁定装置，减少震动。以上措施采取哪几种效果最好，将由模型试验决定。

中图分类号：TV698.1+8

文献标识码：B

文章编号：1004-7328（2016）01-0048-03

DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2016.01.018

收稿日期：2015—10—22

作者简介：王桂青（1972—），女，高级工程师，主要从事水利工程管理工作。