闸阀失效诱发水库输水涵管振动探测与分析

谭 彩,袁明道,杨文滨,史永胜,刘建文

(1.广东省水利水电科学研究院,广东 广州 510610；2.河口水利技术国家地方联合工程实验室,广东 广州 510610)

1 研究背景

目前我国大坝数量众多，其中上世纪中叶修筑的中小型土坝占绝大多数。输水涵管是水库三大件之一，承担着泄洪、引水发电和灌溉等重要功能，输水涵管长期振动导致的管道系统疲劳损伤以及其他相关设备的损坏，严重影响其安全运行[1]。

一般认为流体诱发振动是管道振动的主要原因，20世纪30年代人们便意识到其危害性并开展了相关研究[2-4]。流体诱发振动是一种极为复杂的流、固体相互作用的现象，其相互作用是动态的，流体作用于固体上的流体力导致固体变形，固体变形又影响着流场，改变流体力。目前虽然可对经过一定简化的流固耦合问题进行近似解析求解，但由于水流诱发振动的复杂性，实际工程中流体诱发振动的内在机理尚不够清晰[5-6]。物理模型试验通过直接测量管道在流体作用下的响应建立水弹性模型，能在一定程度上解决流固耦合问题，但由于流体诱发振动的关键是水流的脉动荷载，而脉动压力模型规律尚不够完善[7-9]。数值分析法虽可进行复杂结构模拟，但假定的边界条件和计算参数的取值不准可能导致其与实际情况不符[10-12]。原位观测与检测是最直接的流体诱发振动的研究手段，然而限于工程条件、探测技术等原因，原位观测与检测开展的并不充分[13-14]。因此通过更为先进的原位观测与检测设备直接获取现场数据，对准确合理分析管道振动原因尤为重要。

原位观测与检测方法主要包括监测和现场检测，由于布设监测设施工程条件限制多、建设成本较高、维护困难等原因，绝大部分管道、闸、阀并未布设相应监测设施，因此现场检测是目前进行原型观测与检测研究的最主要手段。胡木生等[15]对蜀河电站弧形闸门的应力、变形、动力特征和振动响应等进行分析，结果表明闸门在提升初期和相对开度为0.6～0.8之间时振动最剧烈。孟宪翚等[16]采用管道机器人对柳州市截污主管进行探测，探明了结构性与功能性缺陷419处，并对其缺陷等级进行划分。然而单一检测技术有一定局限性，采用多种检测方法相互结合、相互补充、相互验证、相互约束能更准确有效地进行管道振动分析。

本文以某水库输水涵管为例，首先采用振动监测仪对管道不同位置振动特性进行监测，分析管道不同位置振动变化规律，初步确定了振源位置。其次通过管道机器人对管道内部进行探测，结合已有理论基础初步分析了管道振动的内因。最后通过现场开挖，分析了管道振动的外因。采用多种原位检测方法相互结合、相互补充、相互验证，准确找到了管道振源位置，全面系统地分析了输水涵管的振动原因。

2 振动检测设备与方法

2.1 工程概况

某水库位于高明河支流杨梅河上游，水库于1973年冬季动工兴建，1976年10月竣工投入使用，主要枢纽建筑物有拦河土坝、河岸式溢洪道、输水涵管以及坝后电站，是一座具有综合利用功能的中型水库。水库坝址以上控制流域面积10.82 km2，河长4.99 km，河道比降3.19%，水库灌溉面积533.3 hm2，电站装机容量1×320 kW。大坝设计洪水标准为50年一遇(P=2%)，校核洪水标准为1000年一遇(P=0.1%)。

大坝为均质土坝，坝顶高程为113.8 m，防浪墙顶高程为114.2 m，坝底高程为84.7 m，坝型为碾压式均质土坝，最大坝高为29.5 m，坝顶长度为225.0 m，迎水坡坡比为1∶2.25、1∶2.5、1∶3.0。背水坡坡比1∶2.5、1∶2.75、1∶3.0。背水坡设有两级马道，高程分别为103.0、95.5 m，马道宽2.0 m，下设褥垫式反滤体。灌溉及发电引水涵管布置在大坝左岸，用于下游农田灌溉、发电和放空水库，由进水口、压力钢管与出口段组成。进口采用螺杆启闭机启闭形式，进口底高程为89.2 m，涵管采用直径为1.3 m的圆形压力钢管，全长154.0 m。启闭室楼面高程113.0 m，启闭室楼面与输水涵管进口底板高差为23.8 m，两者之间有5层连系梁，启闭塔立柱横断面尺寸为0.5 m×0.5 m，启闭塔4根立柱方形布置，平面尺寸为4.2 m×4.2 m。启闭塔基础平面尺寸为6 m×9 m，厚度为0.8 m，地基以抛石冲砂处理。新压力钢管延至坝后连通两条直径各为0.8和0.7 m的压力钢管，分别连接至发电站水轮机和放空阀灌溉管。

2.2 检测设备

振动检测采用加拿大Instantel公司Minimate Pro4振动监测仪，仪器尺寸长×宽×高=5.4 cm×11.75 cm×10.80 cm，重量为2.27 kg，传感器密度为2.13 g/cm3，可接X、Y、Z三向振速传感器，设备具有较好的抗水性，可在水下30 cm处连续工作24 h。振动监测量程为254 mm/s，分辨率为0.007 88 mm/s，精度为±5%。

采用德国IPEK ROVION管道机器人，该设备主要通过带有摄像头的爬行机器人进入管道并将管内情况同步显示于显示器上，摄像头感光度为1 Lux，水平分辨率为460线，检测系统可自动进行激光校准和测量，精度为分米级。

2.3 研究方法

2.3.1 振动监测 输水涵管振动监测测点布置如图1所示。共布置6个测点，其中闸阀前(上游侧)布置3个测点，分别编号为1#、2#和3#，闸顶布置1个测点，编号为4#，闸阀后(下游侧)布置两个测点，分别编号为5#和6#。为保障测试数据准确，测试过程中振动传感器均牢固固定。

图1 输水涵管振动监测测点布置示意图

2.3.2 管道机器人探测 管道机器人探测从输水涵管下游检修进人孔进入，沿输水涵管向上游探测，至上游进水口钢闸门处终止，检测长度为129 m。由于目前暂无水利行业水库大坝涵管、压力管道等的内窥检测标准和规范，本次检测咨询结合水利行业的特点和工程实际情况，并参考其他行业相近的规范和标准开展相关工作。

3 结果与分析

3.1 振动监测

各测点不同方向质点振动速度时程曲线如图2所示。由图2可知，各测点不同传播方向的质点振动速度差异较大，1#和6#测点主要以垂向振动为主，2#、3#和5#测点切向和垂向振动均比较强烈，4#测点各方向均有强烈振动。将数据导入Blastware软件进行处理，各测点不同方向质点振动峰值速度、主频、峰值加速度和峰值位移分别如图3～6所示。由图3～6可知：(1)4#测点(闸阀)处质点振动峰值速度、主频、峰值加速度和峰值位移均明显大于其他测点，且基本呈现出越靠近4#测点(闸阀)振动峰值速度、峰值加速度和峰值位移越大的规律。此外，4#测点(闸阀)前后振动特性是基本对称的，即与闸阀距离相等位置的质点振动峰值速度、峰值加速度和峰值位移基本相当。因此，推测闸阀为主要的振动源，输水涵管振动主要由闸阀振动引起；(2)各测点质点振动主频主要集中于0～50 Hz范围内，4#测点(闸阀)垂向主频明显大于其他方向主频。各测点垂向振动峰值速度、峰值加速度和峰值位移基本大于切向和径向，且4#测点(闸阀)处质点振动峰值速度、峰值加速度和峰值位移均为垂向>切向>径向，推测闸阀的主要振动方向为垂向。

图2 各测点不同方向质点振动速度时程曲线

图3 各测点不同方向质点振动峰值速度 图4 各测点不同方向质点振动主频

3.2 管道机器人探测

管道内由于光线不足、雾气较大等问题使得管道机器人探测图像普遍存在照度不均、对比度低、细节模糊以及色彩信息少等问题。因此，为保障涵管探测分析结果的可靠性，须先对管道机器人探测图像进行增强处理，广东省水利水电科学研究院提出了一种管道机器人探测图像增强技术[17]。管道机器人探测图像和增强图像如图7所示，管道缺陷汇总如表1所示。

由图7、表1以及探测结果可知：(1)增强图像处理有效解决了管道机器人探测图像存在的对比度低和细节模糊的问题，提高了图像的可识别度；(2)输水涵管存在4级渗漏1处，渗漏主要原因为进水口闸门横梁及四周止水胶破损；输水涵管共探测出腐蚀12处，其中1级腐蚀11处；涵管整体结构较为完整，无明显错位和不均匀沉降现象，也未发现可直接引起输水涵管振动的隐患。(3)输水涵管振动的内因主要是闸阀失效，闸阀仅能开启至设计最大开度约1/3位置处，当闸阀以此种小开度开启时，阀门底缘自由剪切层被破坏而形成旋涡，随着旋涡向下游移动以及新旋涡不断地产生，阀门底缘的流体力发生周期性变化，闸阀自激振动强烈，产生垂向流激振动[18-19]，这与闸阀主要振动方向为垂向的振动监测结论一致。

图7 管道机器人探测图像和增强图像 图8 输水涵管闸阀附近开挖现场

表1 输水涵管各级别损伤处数目汇总表

水流与闸阀的相互作用导致了闸阀产生垂向流激振动，而管道对激振信号的响应可能加剧了闸阀振动。对闸阀附近管道进行开挖，开挖现场如图8所示。结果表明，闸阀附近土体松散，未设置镇墩，无法较好地约束输水涵管因垂向流激振动而导致的变形，输水涵管变形又造成管内流态的改变，从而加剧了振动。

图5 各测点不同方向质点振动峰值加速度 图6 各测点不同方向质点振动峰值位移

4 结 论

输水涵管是水库枢纽的重要组成部分，输水涵管长期振动导致的管道系统疲劳损伤以及其他相关设备的损坏将严重影响水库大坝安全运行，为彻底解决输水涵管振动问题需要首先找准振动源并分析其振动的原因。通过分析振动监测和管道机器人探测结果得出以下结论：

(1)闸阀位置处质点振动峰值速度、主频、峰值加速度和峰值位移均明显大于其他测点，且除闸阀失效外管线未见其他可明显诱发振动的异常状况，初步判断闸阀为输水涵管振动源，输水涵管振动主要由闸阀振动引起。

(2)闸阀失效导致其仅能开启至设计最大开度的1/3位置处，阀门小开度开启时，其底缘自由剪切层被破坏而形成旋涡，导致阀门底缘流体力发生周期性变化，从而产生垂向流激振动，闸阀处各方向质点振动峰值速度、峰值加速度和峰值位移均为垂向>切向>径向。

(3)闸阀附近土体松散，且未设置镇墩，无法较好地约束输水涵管的变形，涵管对激振信号的响应加剧了闸阀振动。