南欧江五级电站冲砂底孔振动机理与减振技术研究

罗明清，曹志先，吴玉江

(1.中国电建集团海外投资有限公司，北京，100048；2.武汉大学，武汉，430072)

0 引言

振动是影响电站安全稳定运行的重要问题之一，主要表现在极小扰动就可能引起电站水力系统中任何部位产生很大的压力振荡，引起结构剧烈振动、压力钢管爆裂、引水隧洞局部破坏等事故。其主要原因有两类：一类是系统本身不稳定，受到扰动后，扰动会随时间逐渐增强而不是衰减，并且导致剧烈的压力和流量振荡，即为自激振动；二是扰动频率与水力系统的自振频率一致或接近，即为水力共振[1]。目前关于振动现象的研究主要以基于ANSYS的结构动力学模拟分析为主，原型数据监测和模型试验为辅。南欧江五级电站冲砂底孔出现的振动和异响，涉及泄流动边界流道与闸门面板耦合，需针对性开展振动机理和减振技术研究。

1 概况

1.1 工程概况

南欧江五级水电站位于老挝丰沙里省，装机容量240MW，采用混凝土重力坝，最大坝高74m，工程于2015年底首台机组发电，2016年底投产发电。坝段分为左岸非溢流坝段、进水口坝段、冲砂底孔坝段、溢流坝段与右岸非溢流坝段。冲砂底孔坝段采用单孔“龙抬头”，主要包括底孔、泄槽和挑流坎，孔口尺寸4.0m×5.0m，设计流量481m3/s，坝段剖面如图1。

图1 冲砂底孔坝段剖面

1.2 问题简介

2016年9月，电站冲砂底孔首次开闸冲砂，闸门开度在1.2m及以上时，闸室、主厂房及坝顶强烈震感及出现规律性的锤击声。随后流道检查发现冲砂底孔流道光滑、完整，但泄槽两侧抗冲磨混凝土墙角出现对称破坏，下部墙面已经被掏空，结构钢筋外露，显现槽状深坑，底板部分也有不同深度的破坏。为保证冲砂底孔安全有效运行，亟待深入研究其振动机理并提出科学有效的解决方案。

2 一维理论分析

采用水力阻抗法和传递矩阵法建立水力振动分析数学模型，并考虑水击波波速、闸门开度、坝前水位、漂浮物厚度等多种影响因子，计算27个工况下各阶自由振动频率及其振型。鉴于冲砂底孔各阶衰减因子均为负值且水击波的扰动频率均明显小于冲砂底孔第一阶自振频率，基本排除了系统发生自激振动以及水击波引起水力共振的可能性。

利用一维水击方程组对冲砂底孔水流进行模拟表明：现行的闸门启闭方式及坝前水位条件基本不会导致冲砂底孔内出现明显水击现象，不会影响冲砂底孔正常运行。

利用流动不稳定性理论分析表明：进、出口扰动源的周期和相位，对流动稳定性存在较大的影响。冲砂底孔进、出口扰动频率为12Hz左右的扰动可能导致压力放大，但该频率与冲砂底孔首次开启运行时现场感知的振动频率(1Hz～2Hz)相距甚远，初步判断底孔振动不是由进、出口扰动引起的强迫振动。

3 三维数值模拟

鉴于一维水动力学数学模型具有理论上的局限性，不足以充分精细地揭示冲砂底孔振动机理，需进一步开展三维数值模拟。基于CFD(计算流体力学方法)进行气液两相流模拟，再现实时泄洪流场；基于FEM(结构动力学方法)分析弧形闸门及冲砂底孔坝段结构动力学特性；基于FSI(流固耦合技术)开展底孔流道与闸门动边界耦合计算。

3.1 流场特性精细模拟

3.1.1 宏观流态分析

采用三维CATIA建模软件，建立冲砂底孔立体模型，分别用Flow 3D和Fluent软件计算不同上游水位-弧形闸门开度的泄流情况，泄流量均随着闸门开度和上游水位的增大而增大，计算结果基本吻合。对各种水位、各个开度下的数十个工况模拟，揭示流态、压力、压力脉动的分布和变化规律：各个水位下流态特性相似；开度越大，水位越高，压力脉动越大；闸门后流速分层明显，跌坎后水面形成强烈翻滚旋涡(如图2)；泄槽跌坎后形成较明显的空化涡，空化涡形态随开度变大而变大，全开时闸门底缘也出现接近-10m水头空化涡(如图3)。

图2 闸门宏观流态

图3 跌坎宏观流态

3.1.2 压力脉动分析

典型工况选取上游439m水位，闸门2.0m开度，开展压力脉动分析，压力振动幅值沿程分布(图4)表明：跌坎附近，脉动幅值逐渐增大；沿闸门弧面，压力脉动幅值先增大后减小；底孔流道内，沿程测点压力脉动幅值逐渐增大。总体而言，从底孔进口到闸门断面逐渐增大，而闸门断面后略有减小，跌坎后达到最大。初步判断可能的振源位置是跌坎后空化涡发生部位以及闸门底缘流道。

(a)跌坎附近脉动幅值

3.2 结构动力学分析及振动机理分析

通过结构动力学模态分析得知闸门自振频率为1.79Hz，底孔坝段固有频率为2.94Hz，干湿模态分析相同，水压对自振频率影响不大，而底孔内流体脉动优势频域约为1Hz～2Hz，闸门自振频率与振频相吻合。

典型工况沿程优势脉动幅值递变规律(图5)表明：底孔流道内有两个相关振源，分别位于跌坎位置34#测点附近以及闸门底缘流道16#测点附近，即流态敏感区位于泄槽跌坎附近和闸门出口底缘流道中，且泄槽跌坎部位容易形成空化涡，空化涡生成及溃灭过程伴随着剧烈的压力脉动，对压力脉动进行频谱分析，脉动幅值较大的频域基本都集中在0.4Hz～3.0Hz之间。

图5 沿程优势脉动幅值递变规律

由表1可知，所有的振动频率都接近一个范围，说明振动特性具有某种耦合关系。空化涡振动通过闸后水舌传向上游闸门断面，进而引起底孔出流边界波动，导致底孔振动。开度较小时水舌薄，空化涡振动向上传播的波受水面反射衰减快，对底孔的影响小；开度变大后，水舌加厚，振动波传播强，对底孔振动影响大，这正是开度大时振动明显的原因。

表1 频率分析汇总 (单位：Hz)

3.3 流固耦合计算

网格划分利用Workbench内嵌的Fluent Mesh，流固耦合网格分为流体计算域和闸门面板结构。底孔流态与闸门结构耦合场(见图6)如下：

(a)流速与闸门结构总位移

(1)底孔流场云图与CFD计算分析相似,最大流速位于水舌主流区，流量误差2.3%；

(2)最大位移在闸门底部，为2.84cm；

(3)最大等效主应力为266MPa，在闸门上缘，上游面为拉力，下游面为压力，主应变与此保持一致。

通过流固耦合分析与水动力学分析发现，在相对低频域范围内，流体脉动幅值最大值均指向泄槽跌坎后测点，与跌坎空化涡发生位置比较符合，与之前分析得到的振源规律一致，即由于跌坎后通气不良，导致跌坎后产生空化涡振动，此振动离工作闸门较近，容易传播至闸门，导致闸门出流边界波动，进而引起底孔振动，且流固耦合计算的振动幅值相对要大，表示闸门动边界对水流脉动影响与跌坎空化涡振动耦合效应明显。

耦合场压力脉动测点分布

3.4 工程措施

结合工程实际及类似工程经验，比较侧壁开孔、跌坎后移、侧壁开通气槽、侧壁束窄、开槽与束窄结合等方案，其中侧壁开孔和跌坎后移方案无横向空气涡出现。据此细化为4种方案，分别是：跌坎后移13m、跌坎后移13m并2孔通气、跌坎后移13m并6孔通气、跌坎平顺过渡方案。跌坎后移方案跌坎部位仍存在空化涡，其他方案各典型频率下，测点优势振幅值均大幅减小，减振效果对比如下(表2)。为避免跌坎平顺过渡方案可能面临下游泄槽高速水流冲刷及磨蚀问题，并考虑此施工处理对泄槽跌坎部位结构及通气效果的影响，首选跌坎后移并6孔通气方案。

表2 减振效果对比

4 现场原型监测

现场原型观测表明，改造后消除了跌坎部位的空化涡，冲沙底孔流道及下游泄槽冲蚀破损率降低为0；在整个开度范围内，坝顶检修门及启闭室振动加速度接近于0；跌坎改造前闸门启闭室内异常声响为97dBA～107dBA，改造后噪声变化较为平稳，且均低于66dBA，噪声降低31dBA～41dBA；改造前冲砂底孔稳定运行区间为0～1.5m以及4.5m～5.0m，占比40%，改造后稳定运行区变化为0～1.4m以及2.0m～4.0m，占比68%；稳定运行区域增大28%；改造前非稳定运行区间振动加速度在10m/s2～17m/s2范围内变化，改造后非稳定运行区间振动加速度峰值在6m/s2～13m/s2之间，降低4m/s2以上。

5 结论

针对南欧江五级水电站出现的冲砂底孔振动和异响现象，开展了振动机理和减振技术研究。采用计算流体动力学方法进行气液两相流动模拟，掌握了冲砂底孔流道内各个敏感部位的压力波动频谱特性时空分布规律；采用有限元结构动力学进行干模态和有预应力影响的模态模拟，确定了闸门结构及底孔坝段的各阶振型和自振频率，揭示了空化涡产生的水击波是导致振动的机理，为减振改造奠定了理论基础。首次通过ANSYS2019 R1中的system-coupling模块构建了泄流动边界流激振动耦合模型，实现了冲砂底孔流道与弧形闸门面板的流固耦合分析，提出并成功实施了跌坎后移加掺气工程措施，切实解决了工程问题，避免底孔安全事故发生，延缓库区泥沙淤积，确保项目安全可靠运行。研究成果对高水头、大流量冲砂底孔泄流过程中产生的空化空蚀、底孔及闸门流激振动等类似问题的解决，具有一定的借鉴意义。