刘继广等

摘要：三峡船闸金属结构及机电设备无水、有水(抽水)系统联合调试条件下，各级输水系统的原型水力学监测工作于2002年6月至2003年5月间进行。安全监测的主要项目包括闸室输水特性、阀门区段输水特性、门楣通气、闸室空化特性、阀门段空化特性、阀门及人字门启闭特性、阀门与人字门门体动力特性，监测内容多达20项。抽水调试期中间级闸首工作水头分别达到了30m、40m、46m和设计工况的45.2m，初始淹没水深达到了26m的设计条件，并进行了双边输水和单边输水、现地控制和集中控制等操作运行条件的比较。本次监测成果系统性及完整性较好，不仅为各级闸阀启闭控制系统的调试提供了可参比数据，也为船闸的验收、鉴定、运行管理提供了科学依据，保证了三峡围堰期蓄水发电和五级船闸试通航目标的实现，对国内外开展高水头船闸的设计和运行亦有十分重要的参考价值。

关键词：船闸；联合调试；安全监测；水动力学；原型观测；三峡工程

三峡船闸的规模和技术复杂程度世界空前，许多方面尚无成熟经验可借鉴，是在大量物理模型试验研究、并吸取国内外已建工程经验的基础上设计建成的；由于船闸水力特性复杂及模型与原型之间的缩尺效应，因此，在工程建成后，正式投入运行前，开展船闸水力学和动力学方面的监测十分必要。

三峡船闸水力学及动力学监测设计安排在南线五级闸室及各阀门段，分两个阶段实施：2002年6月至2003年5月为配合船闸金属结构和机电设备系统联合调试开展第一阶段的监测工作；2003年6月以后结合围堰挡水发电进行第二阶段的监测。通过监测旨在发现和预见不利于船闸安全运行的各种水力条件和现象，查找原因，研究对策，以确定船闸正式投入运行后应采取的合理运行方式，并通过完整系统的水力学监测，为工程验收、制定船闸管理运行规程和确保工程安全提供依据，同时也为今后同类工程的水力学设计及模型预测提供宝贵经验。本文重点介绍三峡船闸金属结构和机电设备系统联合调试阶段的监测工作。

1系统联合调试期水力学监测项目及内容

三峡船闸金属结构及机电设备系统联合调试阶段水力学监测内容见表1。

2水力学原型监测范围及测点布置

根据监测设计，在船闸南线的各级闸室廊道、南坡l#～6＃阀门段及上、下游进出口箱涵内共预埋脉动压力底座116个，水听器(水流噪声监测)底座58个，预埋了上述两种电缆4万余m，为水力学监测做了大量的基础准备工作。

根据监测要求，于2002年5月起在南线船闸各闸首安装了监测门井水位、闸室水位、通气量、环境噪声、温度、闸阀行程、启闭油压，及门体振动加速度、应力等各类传感器共计270余支，其中应变计103支，加速度计70支，安装各项观测电缆约5万余m。

1闸室充泄水过程水力特性 1）泄水与充水过程中闸室内流态、水面波动情况

2）闸室水位（输水流量、流量系数）

3）闸室廊道时均压力与脉动压力（廊道阻力系数）

4）闸室输水超灌泄水头

2阀门段充泄水过程水力特性 1）闸门段时均压力与脉动压力

2）阀门井水位

3空化特性 1）门楣通气量及门井空气噪声

2）阀门段水流噪声

3）输水廊道水流噪声

4阀门启闭特性 1）吊杆行程（阀门开度）

2）启闭机油压（启闭力）

5人字门启闭特性 1）人字门角位移（角速度、角加速度）

2）人字门启闭机油压（启闭力）

6南4、南6阀门动力特性 1）阀门吊杆振动应力

2）阀门振动应力

3）阀门振动加速度

4）阀门脉动压力

7南4人字门动力特性 1）AB杆振动应力

2）人字门振动应力背拉杆动应力

3）人字门振动加速度

全部安装工作于2002年8月底完成，在抽水调试之前，闸首及闸室部位总计装设传感器480余支，电缆总长达9万m以上。各测点传感器技术指标全部达到设计要求，并经过计量检定。各类监测仪器数量及分布统计见表2。

3监测组织

三峡船闸水力学监测工作特点是：1)战线长，测站多，测试过程中水流为非恒定流状态，要求进行全过程实时监测；2)各项数据相互关联，必须实施同步监测；3)监测参数种类多，技术要求较高，采集仪器及采样频率必须满足不同监测参数的需要。因此，对监测组织工作提出了很高的要求。

首先，在各闸首分别建立了6个监测主站和多个临时辅站。并视运行情况确定某一闸首为监测主站，上下闸首为辅站，制定了“同步监测、平行移站”的8字方针，从而保证了相邻两闸室充泄水过程中，有关弧形工作阀门、闸室、阀门段、人字门等测试数据的相关性。

其次，根据监测内容的性质，在现场按专业划分了4个小组，即水力学、水流噪声、动力学3个主要监测小组，另外有1个小组负责上、下闸室的泄水和充水过程的流态摄像、照相、水尺测读等工作，全方位记录试验的全过程。

第三，考虑到本阶段监测组次及测点多，监测数据量大，后处理及分析工作任务十分繁重，因此以4个监测小组为主体，在后方组建了资料整编组，以便在当日的监测工作结束后能及时进行数据处理与分析，并于次日提供“监测简报”，为金属结构调试及时提供依据。

4监测方法

本阶段水力学监测工作除闸室流态和水尺采用摄像与人工读数外，其余各种参数全部采用计算机控制的同步采集方式。各种观测数据的采集和分析，采用国内外当前最先进的数据采集分析系统，包括丹麦B&K;公司生产的3560型PULSE噪声频谱分析仪、日本共和公司生产的多通道应变仪、国内TOP海量多通道数据采集记录仪、东方振动研究所的64通道数据采集(DASP和CDSP)系统，以及中国水利水电科学研究院研制开发、并经过多次水力学原型观测检验的DJS00多功能水工数据采集分析系统，全部的采集系统均经过计量检定，满足设计规定的观测精度要求。并按照监测设计要求，在传感器和采集系统的选型中特别考虑了各类参数的信号频率，确定采样频率和样本长度。并将相关技术参数分类整编，以满足观测设计和后处理分析的要求。

4.1水力学监测方法

闸室、阀门段充泄水过程水力特性监测实施框图见图1。

4.2水流噪声监测方法

闸室及阀门段水流噪声监测系统见图2。通过水流噪声信号的声级、强度与频率的关系，判断水流是否发生空化。

4.3动力学监测方法

反向弧形门和人字门启闭特性及动力特性监测实施框图见图3。

5监测工况

按照有水调试和排干检查进度计划，本阶段共进行了10次集中抽水调试和补充抽水调试试验。按设计的水级划分要求，中间级阀门工作水头分别达到30m、40m、45.2m和46m，此外还考虑阀门初始淹没水深、开启方式、控制方式及启闭机组合。集中调试期的第1次抽水为检查阀门止水情况，不作为监测条件，第2次至第10次抽水试验监测组次及工况见表3。其中第4次一第10次试验工况中间级闸室达到了45.2m的设计工作水头及26m设计条件下的阀门初始淹没水深。集中调试期(结合箱涵冲淤)监测工作于2002年11月10日至2003年1月23日完成。2—4月对南线各级闸室进行排干检查。4月30日至5月23日，结合箱涵冲淤和试通航验收前各闸首的集控演示调试，重点进行并完成5、6闸首单、双边调试监测，为南线船闸首先投入试通航运行奠定丁坚实基础。

6主要观测成果简介

三峡船闸金属结构和机电设备系统有水(抽水)联合调试期，中间级闸首工作水头分别达到了30m、40m、46m和设计工况的45.2m(末级为22.6m)，初始淹没水深达到了26m(末级为15.0m)的设计条件，并进行了双边输水和单边输水运行工况，现地控制和集中控制操作条件的比较。

经过多次的原型抽水调试，所埋设的各类(480余支)传感器和多台采集系统运行正常，总完好率在92％以上，多组次观测获得的数据一致性好，说明前期的仪器埋设安装技术是可靠的，观测技术方案是可行的，观测仪器的选型比较合理、精度较高，这标志着船闸水力学原型监测及前期准备工作达到了新的水平。

通过监测分析表明：该船闸总体设计是成功的。各级闸室充泄水时流态平稳；充泄水时间各闸首阀门和人字门开启时间及最大输水能力均满足设计要求；闸室和阀门段的水力特性总体良好，门楣通气在一定时段内有效地抑制了反向弧形阀门开启过程中门楣附近区域的水流空化，但因系统流量系数偏大，调试过程中尤其是阀门全开后的最大流量时段，也监测到阀门段和闸室T型管段尚存在水流空化迹象；反向弧形阀门和人字门启闭过程平稳，最大启闭力未超过设计容量，门体动力特性良好且满足设计要求，未见发生强烈的流激振动现象。

本调试阶段试验工况组次多，监测项目及内容广，累计原始数据总量达300G以上，获得了丰富翔实的观测成果。相同条件下，各级闸室和阀门段对应测点的监测数据一致性好、可比性强，不仅为各级闸阀启闭控制系统的优化运行提供了可参比数据，也为全面、系统分析三峡船闸水力学特性，以及船闸的验收、鉴定、运行管理提供了科学依据，保证了三峡五级船闸试通航和围堰发电目标工期的顺利实现，该成果对国内外开展高水头船闸设计和研究亦有十分重要的参考价值。