南水北调中线某节制闸弧形门小开度振动观测与安全评价

胡玮 冯晓波 朱锐 陈清 郭永鑫 郭新蕾

摘要：南水北调中线工程冬季闸门小开度运行，闸后淹没水跃紊动剧烈，为验证小开度下闸门运行的安全性，选取蒲阳河典型节制闸开展闸门振动原型观测。通过测量不同开度下的闸门振动特性，分别采用动应力、振动位移（振幅）和频率作为标准进行振动安全评价，结果表明：闸门最大动应力为133 MPa，远小于材料允许应力的20%（约32 MPa）；最大振动位移1597 μm，小于闸门振动危害程度可忽略不计的上限位移508 μm；所有测试工况的安全临界振幅A与频率f满足lgA<（314-116 lgf）。上述三种评价准则的判定结果一致，因此，中线闸门小开度淹没出流条件下，闸后水跃紊动引起的闸门振动危害可忽略，闸门结构安全稳定。

关键词：弧形闸门；小开度；动应力；振动位移；安全评价；原型观测

中图分类号：TV32 文献标志码：A 文章编号：

16721683（2018）05013905

Field tests and safety evaluation of radial gate vibration under small opening condition in the Middle Route of SouthtoNorth Water Diversion Project

HU Wei1，FENG Xiaobo1，ZHU Rui1，CHEN Qing1，GUO Yongxin2，GUO Xinlei2

（

1.Supervision Center of SouthtoNorth Water Diversion Project，Beijing 100038，China；2.China Institute of Water Resources & Hydropower Research，Beijing 100038，China

）

Abstract：

In winter，the controlling gates of the Middle Route of SouthtoNorth Water Diversion Project are operated under small opening condition.The submerged hydraulic jump is accompanied by severe turbulence behind the sluice gates.To evaluate the safety of gate operation under small opening condition，we conducted field tests on the Puyang River Gates and measured the parameters of gate vibration under the conditions of different gate openings.The test results indicated that the maximum dynamic stress of the gates is 133 MPa，smaller than 20% of the allowable stress，i.e.about 32 MPa.The maximum vibration displacement 1597 μm is less than the upper limit displacement 508 μm，below which the hazard of gate vibration can be negligible.The relation between amplitude A and frequency f follows lgA<（314-116 lgf）.The evaluation results of the above 3 kinds of criteria are consistent；therefore，the hazard of gate vibration induced by submerged hydraulic jump is negligible，and the gate structure is safe and stable when the sluice gates are operated in small opening condition.

Key words：

radial gate；small opening；dynamic stress；vibrational displacement；safety evaluation；field test

南水北調中线工程是实现南北水资源合理配置，缓解京、津、华北平原水资源供需矛盾，支撑该地区国民经济和社会可持续发展的重大战略性基础设施。中线工程运行初期取水流量较小，尤其是冬季受冰情影响，行程6～7 m的闸门开度仅为几十厘米或1 m左右，闸门长期在小开度淹没出流条件下运行[12]，闸后淹没水跃紊动剧烈，形成向上游剧烈反转的漩涡和往复水流，对闸门产生周期性的冲击，见图1。

闸门与动水接触时，总会出现不同程度的振动，一般情况下，闸门振动主要表现为水动力荷载作用下的低频振动，振动比较微弱，不致影响闸门的安全运行[35]。但在某些特定运行条件下，如果水流的脉动频率接近闸门的自振频率，不管这种激励频率是外力固有的，还是由于闸门结构与水流发生耦合而次生的，都将导致闸门发生共振，如果振幅达到很大值，还将使闸门整体或局部发生强烈振动，在闸门结构内出现不平常的应力和应变，使闸门受到损害，甚至影响建筑物安全稳定[67]。

鉴于此，选取南水北调中线典型闸门——蒲阳河倒虹吸出口节制闸开展闸门振动响应原型观测，测量不同小开度运行条件下闸门的振动应力、振动加速度和振动位移等动态特性[89]，选取合理的评价准则进行闸门振动安全评价，为制定科学合理的调度运行规程，保证闸门安全运行提供依据。

1 闸门振动观测内容和方法

1.1 观测内容

河北段蒲阳河倒虹吸出口节制闸建筑物设有3孔闸门，闸孔单宽b=6.0 m，下游渠道宽度B=204 m，门轴高度P=88 m，弧门半径R=100 m，闸前渠底高程64266 m，闸后渠底高程6414 m，设计输水流量1350 m3/s。冬季观测期间运行流量473 m3/s，占设计流量的35%，闸门处于小开度运行状态。为避免闸门不对称开启产生的折冲水流、偏流、回流等不利流态对渠道运行的影响，选取中间2号闸门进行振动响应观测，主要观测的内容包括：振动应力、振动加速度和振动位移。

1.2 观测方法

振动响应测点布置主要考察结构受力最大和变形较大的区域，以及闸门面板和支臂刚度薄弱区[1011]，具体见表1和图2。具体观测方法如下。

（1）振动应力。振动应力的观测采用高性能贴片式电阻应变计（灵敏系数为214），二次仪表采用日本TML的SDA810型高分辨率动态应变仪（分辨率为01 με）。测得应变之后根据胡克定律σ=E[KG-*9]ε（其中：σ为应力；E为弹性模量，钢材的弹性模量E=206×105 MPa；ε为应变）来推算其动应力。

（2）振动加速度和振动位移。振动加速度和振动位移的测试采用耐压防水的三轴振动加速度传感器，分别测量径向（沿弧门支臂方向）、切向（沿弧形面板切线方向）及横向（垂直于径向和切向平面）的振动加速度，振动位移通过对加速度信号经电荷放大器二次积分所得。测试传感器采用测量信号质量好、噪声小、抗外界干扰能力强和传输距离远的CAYD132型高灵敏度压电式加速度传感器（灵敏度为200 PC/ms2），二次仪表采用丹麦B & K的2692型双积分电荷放大器进行信号放大。

传感器信号处理采用东方振动与噪声技术所的INV306D（M）E智能信号采集系统，试验采样频率为200 Hz。闸门振动信号采集系统结构见图3，传感器现场安装照片见图4，所有传感器均须进行防水、防潮处理，信号电缆采用水下专用的多芯屏蔽电缆，防止意外因素导致传感器损毁和失效，确保试验顺利进行。

2 安全评价依据

弧形闸门流激振动是一个复杂的流固耦合问题，研究弧形闸门的流激振动最终目的是为了保证闸门的安全运行，制定闸门适宜的安全开度运行范围和操作规程。闸门振动特性测量出来后，如何判断结构的危害程度，即关于闸门振动的安全性评价问题，目前还没有统一的标准。

2.1 以振动应力作为标准

我国《水利水电工程钢闸门设计规范SL 742013》[12]建议，对于经常局部开启的工作闸门，设计时应考虑动力荷载，其动力荷载设计的动力系数上限一般不超过12，另外，金属构件的局部振动应力也要求不大于允许应力的20%。因此，可以认为钢闸门的动应力应小于材料允许应力的20%，钢材的允许应力通常在160 MPa左右，则其动应力应小于32 MPa。

2.2 以振动位移作为标准

美国陆军工程师团在阿肯色河（Arkansas River）弧形闸门振动测试中以振动位移的均方根值来划分闸门振动的危害程度[13]，见表2。

2.3 以振动位移（振幅）和频率的综合效应作为标准。

德国的K.Petrikat[1415]认为振动的危害程度取决于振幅和频率的综合效应，以横坐标为频率、纵坐标为振幅在对数坐标轴上将危害程度划分为稳定、尚稳定、可以允许的、稍不稳定的、不稳定和很不稳定6个区间，并给出安全临界振幅A和频率f的函数表达式：

lgA<（3.14-116 lgf） （1）

式中：A为安全临界振幅（μm）；f为频率（Hz）。振动频率越高，相应的安全临界振幅越小。

以上允许振动位移（振幅）和应力是振动安全度的下限，超过允许值并不意味着闸门结构的破坏，而是意味着振动可能带来不安全，必须对闸门结构进行动力计算校核，并采取相应的预防措施。

3 小开度运行振动响应特性及安全评价

3.1 观测工况

观测过程中调节中间2号闸门开度e分别为199 mm、398 mm、606 mm、799 mm、1 000 mm，开 度间隔约200 mm，测量不同开度下的振动应力、振动加速度和振动位移，同步记录各工况的上下游水位和闸门开度，计算相应的过闸流量，具体工况见表3。

3.2 振动特性及安全评价

分别采用上述3种评价标准对蒲阳河节制闸结构振动进行安全评价。

（1）以振动应力进行评判。图5为各测点的动应力随闸门开度的变化规律。动应力均方根值范围为018～038 MPa，最大幅值范围为071～133 MPa，最大动应力133 MPa发生在闸门开度e=10 m的Y3测点（上支臂）；开度大于800 mm振动应力增幅明显。以动应力作为安全评判标准，小开度条件下各测点的动应力均较小，最大动应力133 MPa不足允许动应力32 MPa的5%，闸门结构在水动力荷载作用下是安全的。

（2）以振动位移进行评判。图6为各测点的振动位移随闸门开度的变化规律。闸门振动的横向位移最大，切向次之，径向最小；开度e=400 mm横向位移最小，此后横向位移随着闸门开度的增大而增大；横向位移均方根的最大值为1597 μm，发生在闸门开度e=10 m的J1测点（主横梁中部）。以振动位移作为安全评判标准，试验小开度条件下，振动位移最大值1597 μm<508 μm，依据美国陆军工程师团的评判准则，闸门振动危害程度可忽略不计。

（3）以振动位移（振幅）和频率的综合效应进行评判。试验小开度条件下，闸门振动位移的频率范围为0～4 Hz，峰值频率集中在07 Hz附近，为低频强迫振动，图7为闸门开度10 m各测点横向位移的时域和频域響应特性。表4为横向振幅A与相应频率f的综合效应关系，所有测试工况均满足lgA<（314-116 lgf） ，闸门结构稳定。

4 結论

南水北调中线小开度运行条件下闸门振动的安全性是南水北调专家委和工程运行管理人员所关注的问题之一。通过对中线蒲阳河典型节制闸开展小开度条件下闸门振动原型观测，分别采用动应力、振动位移和频率等标准进行安全评价，结果表明：（1）[CM（22]以动应力作为安全评判标准，闸门最大动应力为

133 MPa，远小于材料允许应力的20%（约32 MPa），闸门结构安全；（2）以振动位移作为安全评判标准，最大振动位移1597 μm，小于美国陆军工程师团闸门振动危害程度可忽略不计的上限508 μm；（3）以振幅和频率的综合效应作为安全评判标准，所有测试工况的安全临界振幅与频率均满足lgA<（314-116 lgf），闸门结构稳定。上述三种评价准则的判定结果一致，因此，南水北调中线闸门小开度淹没出流条件下，闸后淹没水跃引起的闸门振动危害可忽略，闸门结构安全稳定。

考虑到闸门振动原因的复杂性（例如，闸门在相当一段时间内运行正常，以后由于零件的磨损、材料腐蚀、安装时遗留的缺陷、水头和流量的变化等原因，闸门振动才严重起来），建议南水北调中线工程运行中继续加强闸门振动的安全监测。

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