丰满重建工程泄洪兼导流洞弧门流激振动原型观测成果研究

曲 直，刘亚莲

（丰满大坝重建工程建设局，吉林吉林，132108）

丰满重建工程泄洪兼导流洞弧门流激振动原型观测成果研究

曲 直，刘亚莲

（丰满大坝重建工程建设局，吉林吉林，132108）

弧形闸门是水工建筑物中运用最广的门型之一，但不少闸门运行中发生强烈振动。动水作用下闸门结构的流激振动、动力稳定性及安全可靠性等问题正受到越来越多的重视。对丰满重建工程泄洪兼导流洞弧门开展系统的闸门流激振动和静、动力原型观测，取得闸门运行的第一手实际动态资料。通过系统分析评价，为闸门的安全运行制定合理操作规程，并指导未来的工程运行管理，具有十分重要的工程指导意义和科学价值。

丰满重建工程；弧形闸门；动水试验；原型观测

1 工程概况

丰满水电站全面治理（重建）工程是为恢复电站原任务和功能，在原丰满大坝下游120 m处新建一座大坝，并利用原丰满三期工程。工程以发电为主，兼有防洪、灌溉、城市及工业供水、养殖和旅游等综合利用。水库正常蓄水位263.50 m，死水位242.00 m，设计洪水位268.20 m，校核洪水位268.50 m，水库总库容103.77亿m3。新建电站装机1 200 MW，利用原来的三期容量280 MW，总装机容量1 480 MW。

泄洪兼导流洞出口设潜孔式弧形工作门，孔口净宽8.8m，净高8.8m，设计水头74m，总水压力65167kN，支撑跨度5.88 m，支铰高度13.0 m，弧门面板外缘半径18.0 m，采用单吊点液压启闭机动水启闭，启闭机容量4500kN/1600kN，启闭机工作行程13.0m。

本工程深孔弧形工作闸门的尺寸及水头在国内外均属于大型闸门。同时，该闸门的设计泄水流量较大，有局部开启控泄要求。虽然前期对本工程水闸的水力学和振动问题进行了系统研究，取得了重要成果，对工程的设计、制造和安装调试提出了相关意见和建议，但因模型试验存在一定的缩尺影响，有些因素难以在模型中完全模拟，而且闸门的制造、安装质量离规定要求会存在偏差。国内外现有类似工程有各自不同的特点，参考具有局限性。本工程闸门的安全运行涉及到上下游水位的复杂组合、启闭力容量及闸门振动与稳定性问题，是一个多参数水力结构综合复杂系统，对充排水试验及局部开启试验过程中的闸门应力、位移、振动加速度及闸门模态进行实际动态检测，可以确定闸门运行合理开度区间，对投入生产后的安全运行有重要的意义。

2 原型观测测试系统布置

2.1 工程现场及观测仪器

本次原型观测的测量内容及测量仪器见表1，采用DH动态应变测量系统（8通道/套×4套）、DH静态应变测量系统、DH手持动态信号巡检仪、胜利系列万用表等，前置信号调理装置主要采用了泰司TS系列-放大器/滤波器、东华DH系列-放大器/滤波器等，辅助电源采用了WYJ系列稳压电源。

表1 原型观测项目及测量仪器Table 1 Prototype observation items and measuring instrument

2.2 测点布置

现场的测点布置按采集内容要求考虑在闸门门体和支臂部分安装相应测量传感器。测点主要包括振动位移、振动加速度、应力测点，主要安装在闸门门体和支臂部分。图1为测点布置及电缆走线示意图。

3 充排水试验

充排水试验是水工隧洞必要的安全检测项目，是水工建筑物加载、卸载、发现问题及处理问题的过程。充水过程中静应力变化可反映洞身衬砌混凝土质量、施工支洞封堵段施工质量以及泄洪兼导流洞所处围岩渗透及水文地质变化情况，排水过程即可对弧门的振动加速度进行原型观测。

3.1 充水过程

充排水试验阶段原型观测主要对工作弧形闸门的静应力、振动加速度、动应力以及启闭机座附近、出口导墙等位置的振动量方面进行了测试。表2给出了当水位与上游库水位齐平时各测点的应力最大值。图2给出了相关应力值随充水时刻的变化值。

由相关图表可以看出，随着洞内水位的上升，各点应力值也随之增大，当水位与上游库水位齐平时测得的最大值约为80 MPa左右。在随后3 d的洞身保压实验中，应力值呈现规律性的起伏变化，变化范围约6～8 MPa左右，最大值约86 MPa左右。

表2 充水过程中发生的最大应力值Table 2 Maximum stress in the process of water filling

3.2 排水过程

本阶段排水过程原型观测主要对工作弧形闸门的振动加速度方面进行了测试，取得了振动加速度的量级及其能量在频域的分布规律。图3给出了不同时段的振动加速度的变化。

由图3可以看出：在启闭操作的瞬间，尤其是在全关位进行开启操作的时候出现振动峰值，加速度峰值较大，可达到30 m/s2左右。尽管峰值较大，但历时短，衰减很快。启闭门瞬间出现的振动峰值变化不仅是启闭机操作引起的，跟洞内水头、闸门开度都有一定关联，总的变化趋势是各振动峰值随着洞内水位降低、启门高度增大而减小。

图1 测点布置图Fig.1 Distribution of observation points

图2 充水过程中应力随时间变化关系Fig.2 Variation of stress over time in the process of water filling

在排水阶段前期，启闭门操作后，下游闸室内的水流来回振荡，有拍打到闸门的现象。在排水阶段后期，当洞内水压较小出现自由液面的情况时，启闭门操作后，洞内水流来回振荡拍打闸门，表现为振动波形上出现冲击型的信号。

图4为典型测点的变化时域过程及分析。从振动频率来看，启闭闸门出现峰值的时候一般均已经完整触发闸门在整个频域上的分布，高频和低频部分都有。当出现振荡现象的时候，从波形来看已经激发闸门的低频振动。

图3 振动加速度峰值随不同时段的变化关系图Fig.3 Variation of vibration acceleration peak over time

图4 典型振动时域过程及分析图（闸门提升至0.5 m开度后立即关闭）Fig.4 Process and analysis on typical vibration time domain(the gate is elevated to 0.5 m and then closed)

4 弧门全程启闭和局部开启试验

本阶段原型观测主要对工作弧形闸门的振动加速度、动应力、动位移等振动量方面进行了测试，取得了振动加速度、应力、位移的量级及其能量在频域的分布规律。

首先进行了闸门开启至5 m后关闭的全行程操作，图5给出了典型测点的变化时域过程及分析。从监测数据可以看出：闸门运行过程中振动加速度信号有两种表现特征，一是平稳运行，振动加速度属于平稳随机过程，振动量级不大；二是闸门运行过程中出现冲击型突然增大和衰减信号，其最大值比平稳运行要大得多。在启闭操作的瞬间，尤其是在全关位进行开启操作时出现振动峰值，峰值较大，历时短，衰减很快。在闸门打开后直到5 m开度的过程中，闸门运行相对平稳，在从5 m到全关的过程中也相对平稳，但闸门在接近全关位时又出现不平稳的冲击型信号，峰值与开启时相比较略小一些。

其次进行了闸门局部开启操作。图6给出了不同局部开度下的振动加速度峰谷值统计。可以看出：闸门局部开启运行过程中振动加速度随开度的增大而增大的趋势较为明显，闸门振动加速度最大均方根值约为0.26 m/s2。

总体上看，除了开启瞬间闸门振动量较大外，局部开启运行期间闸门运行平稳。

图5 典型振动时域过程及分析图（闸门提升至5 m开度后立即关闭）Fig.5 Process and analysis on typical vibration time domain(the gate is elevated to 5 m and then closed)

图6 闸门振动加速度最大最小值随闸门开度变化关系图Fig.6 Variation of maximum and minimum gate vibration acceleration with opening

5 闸门运行过程中水工建筑物振动量观测

本阶段原型观测主要针对运行期间启闭机机座（1号）、下游桥梁（2号）、下游侧墙位置（3号）进行了振动量测试，取得了振动速度的量级及其能量在频域的分布规律。美国阿肯色河通航枢纽中心提出了以振动位移均方根值来划分水工钢闸门振动强弱的标准，详见表3。

在闸门开启至5 m后关闭的全行程操作中，典型测点的变化时域过程及分析结果见图7。

由图7可以看出：在启闭操作的瞬间，尤其是在全关位进行开启操作时，启闭机机座部位出现振动峰值，可达到3.3 mm/s左右，峰值较大，历时短，衰减较快。在闸门打开后直到5 m开度的过程中，启闭机机座部位运行相对平稳。在从5 m到全关的过程中，也相对平稳，但闸门在接近全关位时又出现不平稳的冲击型信号。与开启时相比较其振动方向相反，峰值量值略小一些。下游桥梁竖向振动速度较大，但由于存在人为干扰，其量值存在不确定因素，但其表现出来的总趋势是逐渐增大而后逐渐减小。下游导墙顶部竖向振动速度最小，仅0.2 mm/s左右。

表3 位移范围与闸门振动强弱程度之间的关系Table 3 Relation between displacement range and gate vibra⁃tion strength

其次先进行了闸门0-5 m-0.5 m的局部开启操作，图8给出了不同开度下及不同开度间启闭过程中的相关应力值、振动量峰值变化。

可以看出：闸门局部开启运行过程中，启闭机机座部位、下游桥梁随开度的增大而增大的趋势较为明显，导墙振动量变化很小。其中，启闭机机座振动速度最大均方根值约为0.053 8 mm/s。下游侧桥梁振动速度最大均方根值约0.423 6 mm/s，相对较大，但由于存在人为干扰，其量值存在不确定因素，实际量值应小于该值。下游侧导墙部位振动速度均方根值范围约在0.006～0.010 mm/s，相对较小。

总体上看，启闭机机座部位的振动量主要在开启及关闭瞬间出现峰值，其他时候相对平稳。随泄流量的增大，下游桥梁竖向振动量相对较大。

6 结语

通过本次观测，认为闸门运行平稳，主要结论如下：

（1）弧门在充排水试验中最大应力值为86 MPa，位于弧门上支臂前部。

（2）排水过程中，振动加速度峰值为30 m/s2，具有高峰值、历时短、衰减迅速的特点，变化趋势是各振动峰值随着洞内水位降低、启门高度增大而减小。

（3）闸门局部开启运行过程中，在全关位附近监测到不平稳的振动加速度冲击型信号，其峰值量值与开启时的相比较略小一些。

（4）闸门局部开启运行过程中，振动应力和振动加速度、振动位移随开度的增大而增大的趋势较为明显，闸门振动应力最大均方根值约为0.8 MPa，振动加速度最大均方根值约为0.26 m/s2，振动位移（横梁与面板的相对位移）最大均方根值约为0.016 mm，运行较平稳。

图7 典型测点振动速度时域过程图Fig.7 Graph of vibration velocity of typical observation point

图8 建筑物振动速度在闸门启闭过程中出现的最大最小值关系图Fig.8 Variation of maximum and minimum vibration velocity of structure in the process of gate opening and close

（5）启闭机机座部位的振动量主要在开启及关闭瞬间出现峰值，其他时候相对平稳。随泄流量的增大，下游桥梁竖向振动量相对较大。在当前水位条件下，闸门在0.5 m局部开度以下属于振动区，闸门可以在0.5～5.0 m之间运行。

[1]刘永林.低水头水工钢结构弧形闸门流激振动研究[D].沈阳：东北大学,2005.

[2]骆少泽,张陆陈,樊宝康.超大型弧门流激振动试验研究[J].工程力学,2009(12):241-244.

[3]闫诗武,严根华,马萍章,等.二滩拱坝泄水中孔工作弧门流激振动问题研究[J].水力发电学报,1990(4):33-42.

[4]阎诗武,严根华,骆少泽,等.三峡深孔弧门流激振动问题[J].水力发电学报,2001,27(9):1-3.

[5]李世琴,吴一红,谢省宗,等.五强溪水电站高水头船闸输水系统动水压力与反向弧门流激振动[J].水利学报,1998,29(sl):28-33.

[6]戴雷霓,杨鹏,俞洪明,等.向家坝水电站中、表孔弧形工作闸门激振工况分析[J].水力发电,2014,40(10):89-92.

2017-06-29

曲 直（1989-），男，黑龙江省哈尔滨市人，硕士，工程师，主要研究方向为水电建设施工管理。

作者邮箱：crow417@126.com

Research on prototype observation of the flow induced vibration of the radial gate of flood dis⁃charge and diversion tunnel in Fengman reconstruction project

QU Zhi and LIU Ya-lian

Recon⁃struction Bureau of Fengman Dam

Redial gate is widely used in hydraulic structures.For many gates,owning the responsibility of water discharge control,strong vibration may occur in daily operation.More and more attention is paid on the flow-induced vibration,kinetic stability,the safety and reliability of the gate structure.In or⁃der to get the first-hand dynamic operation data,it is necessary to conduct systematic observation on flow induced vibration as well as the static and dynamic prototype observation of the radial gate of flood discharge and diversion tunnel in Fengman reconstruction project.By analysis and evaluation,reason⁃able operating rules for safe operation of the gate can be set,which would guide the future operation and management of the project and is of great engineering significance.

Fengman reconstruction project;radial gate;flowing water experiment;prototype observa⁃tion

TV663

B

1671-1092（2017）05-0058-06