深孔式弧形工作闸门流激振动危害评价及防振

徐爽

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130061）

1 工程概况

云峰水电站枢纽工程由大坝、引水洞和发电厂房三部分组成，总库容38.95×108m3，装机容量400 MW。中孔坝段闸墩顶高程为321.75 m，坝高105.00 m，坝段长15.00 m，坝顶宽25.00 m。4个泄洪中孔的进口底高程为251.75 m，进口为长方形，尺寸为5.30 m×7.00 m，压力段为直径5.30 m圆形断面，进口设置事故检修平板闸门，后侧设置孔口尺寸为4.25 m×4.25 m的高压弧形闸门。闸门设计水头为70.00 m，采用动水启闭，大坝中孔布置见图1。

图1 大坝中孔布置图（图中高程以m计，尺寸以cm计）

2 测点布置与测试方法

中孔弧形闸门为对称结构，考虑到闸门各主要构件的约束条件和测点代表性问题，每个闸门布置2个三轴无线加速度节点，通过对加速度测试结果进行频域积分处理获得位移量。节点分别布置在闸门门体上横梁右侧和左支臂靠近支绞腹板上。采样频率设置为100次/s，实时传输采集数据。闸门自关闭状态到全开，每0.10 m持住2 min进行流激振动测试的数据采集。

测试过程重复2次后，对测试结果进行初步分析，如2次检测数据重复性较好可停止测试；如2次检测数据重复性不好，分析原因并排除可能造成数据重复性不好的因素后，继续测试。测试完成后，取最后一次的测试结果进行下一步的数据分析及处理。

3 闸门流激振动响应特性

1）中孔弧形闸门门体平行水流方向和闸门支臂切向的振动加速度与位移量最大，由此分析，水工钢闸门的流激振动主振方向受水流方向和振源位置影响。

2）针对水工钢闸门流激振动响应特点，中孔弧形闸门不同提升高度的流激振动响应中，振动的主要物理量加速度和位移大小成正比。

3）中孔弧形闸门门体的振动加速度和位移量大于支臂的加速度和位移量，反应出水工钢闸门的流激振动大小与振源位置和约束条件有关。

4）测试结果显示，中孔弧形闸门不同提升高度的流激振动测试结果差异较大。

4 振动危害程度评价

闸门振动量测出后，如何判别其对结构物的危害程度，即等级划分问题，现阶段国内还缺乏相应的标准。闸门的振动安全性评价，当前国内外已有，且使用较多的参考标准主要是美国Arkansas河闸门振动危害程度位移判据标准，标准规定：位移均方根值在0～0.050 8 mm范围内的振动危害可忽略不计；0.050 8～0.254 0 mm为微小；0.254 0～0.508 0 mm为中等；大于0.508 0 mm为严重。

根据钢闸门设计规范，闸门主梁容许挠度的设定与闸门规模有直接关系，其振动位移判据也应据此加以修正，修正系数n按闸门跨度设定：

式中：L——为测试闸门的实际跨度，m；Lo——为中型闸门的标准跨度，定为10 m。

通过计算得出，该工程的中孔弧形闸门振动安全性评价判据修正系数为0.425。

根据1号和3号中孔弧形闸门不同提升高度的振动加速度测试结果及位移均方根的计算结果，1号闸门振动危害严重对应的提升高度是0.1，3.7，3.9，4.0 m；3号闸门振动危害严重对应的提升高度是0.1 m。为防止振动对闸门结构的破坏，闸门在局部开启时应避开振动危害严重部位。

对闸门整体的振动危害程度评价，采用不同提升高度的位移平均值的均值进行，1号和3号中孔弧形闸门的位移均值分别为0.124 mm和0.093 mm，1号中孔弧形闸门的振动破坏程度属于中等；3号中孔弧形闸门的振动破坏程度属于微小。

5 闸门防振建议

闸门防振动破坏应避免振动较大的提升高度运行，同时也要根据闸门的实际运行工况，考虑到方便调度和管理。1号和3号闸门不同提升高度振动危害统计见图2。

图2 闸门不同提升高度振动危害统计

通过对闸门不同提升高度振动危害统计分析，中孔弧形闸门在局部开启泄流时，建议1号和3号闸门提升高度停留在闸门全行程的1/4和3/4处，即1.1 m和3.2 m，这样可使闸门的流激振动破坏控制在微小范围内。

6 结语

通过对云峰水电站深孔式弧形工作闸门的流激振动测量，可以了解该闸门的振动响应特性和不同提升高度振动危害程度。闸门在较小的振动开度下运行可减小振动破坏，有利于水工钢闸门的安全和稳定运行。