盛旭军，胡木生，张 兵，耿红磊

（1.水利部综合事业局，北京100053；2.水利部水工金属结构质量检验测试中心，河南郑州450044）



弧形闸门流激振动原型观测试验技术研究

盛旭军1，胡木生2，张 兵2，耿红磊2

（1.水利部综合事业局，北京100053；2.水利部水工金属结构质量检验测试中心，河南郑州450044）

摘要：随着越来越多高水头弧形闸门的投入使用，对弧形闸门原型观测试验技术手段提出了更高的要求。在现阶段国内外尚无水工金属结构原型观测专项技术标准状况下，以糯扎渡水电站左岸泄洪洞1#弧形工作闸门原型观测试验为例，通过采用先进的测量仪器和数据分析法，对弧形闸门的动力特性和动力响应进行了综合评价和研究。

关键词：水利水电工程；弧形闸门；流激振动；动力特性；动力响应；原型观测试验

1　工程概况

云南省澜沧江糯扎渡水电站位于云南省思茅市，左岸是翠云区，右岸是澜沧县，思茅—澜沧公路通过坝址区。糯扎渡水电站是澜沧江中下游梯级规划二库八级电站的第五级，在澜沧江中下游八座梯级电站中，装机容量、水库容积和发电量均属最大。糯扎渡水电站坝址以上流域面积（14.47×104）km2，多年平均流量1730m3/s，水库总库容（237.03×108）m3，具有多年调节性能，电站装机容量5850MW。电站金属结构根据水工枢纽建筑物的总体布置，有引水发电系统金属结构、泄洪系统金属结构和导流系统金属结构3部分。

左岸泄洪隧洞长956.077m，进口底板高程721m，工作闸门前有压段长247.27m，过水断面为圆形，内径12m。在进口段，孔口由中墩一分为二，设2孔2扇弧形工作闸门，孔口尺寸5.0m× 9.0m，校核洪水位时最大泄量3339m3/s，闸孔处最大流速37.1m/s［1］。左岸泄洪洞1#弧形工作闸门采用直支臂、主纵梁结构，设计水头103.0m，主要材料为Q345B，面板曲率半径15.0m，支铰高12.5m，支承跨度3.8m，支臂夹角33.45°，支铰与水平线夹角34.61°；动水启闭，启闭机容量5500kN/1500kN。

2014年9月7日，在库水位805.93m下进行了糯扎渡水电站左岸泄洪洞1#弧形工作闸门的原型观测试验。原型观测试验记录了弧形工作闸门启门、20%开度、40%开度、60%开度、80%开度、100%开度（全开状态下50min）及闭门全过程的完整原型试验数据，其中包括弧形工作闸门结构静应力、位移与变形、动力特性和启闭过程中的动应力、动力响应、启闭力、启闭机室风速、水流流态等。本文仅对其动力特性、动力响应进行分析与研究。

2　原型观测试验方案

2.1动力特性测试

弧形闸门的动力特性反映闸门结构的固有特性。动力特性测试主要包括闸门结构的自振频率、阻尼系数和振型等基本参数测试，也称为动力参数测试或模态参数测试。弧形闸门的动力特性与闸门的结构形式、结构刚度、材料性质、构造连接有关，而与外载荷无关［2］。弧形闸门动力特性测试对分析和研究闸门结构的抗振和抗动载的能力起着非常关键的作用［3］。

针对糯扎渡水电站左岸泄洪洞1#弧形工作闸门，其振动系统的二阶动力学微分方程表示为［4］：

其中M∈Rn×n为质量矩阵，C∈Rn×n为阻尼矩阵，K∈Rn×n为刚度矩阵，且M，K非奇异阵，Z（t）∈Rn为位移向量，F（t）∈Rn为外部激励。在线性理论框架下讨论弧形闸门动力特性测试，对式（1）进行转化和相似变换：

对式（2）进行条件定义和转化，则弧形闸门振动系统的输出向量可表示为：

式中Cn为加速度的输出矩阵、Cr为速度的输出矩阵、Cd为位移的输出矩阵。弧形闸门时间连续系统的观测方程可表示为：

其中Cc∈RL×N为连续时间的输出矩阵（又称观测矩阵），Dc∈RL×n为连续时间直接输出矩阵。

将弧形闸门门叶结构和支臂分别视为n自由度线性系统，将上式（3）、式（4）结合，表示为连续时间状态空间模型如下：

式中X（t）为系统输入，Y（t）为系统输出，u（t）为噪声。对响应输出数据进行相关分析，用响应信号的自相关矩阵构建Hankel矩阵H，从而获得系统矩阵；对H进行奇异值SVD分解（即对响应数据进行维纳滤波，剔除与输入输出特性无关的随机噪声），取出分解后的矩阵的一个子矩阵，称为系统矩阵的估计矩阵，其特征值即系统的固有频率和阻尼比；并进行多分量时域滤波信号预处理和基于改进随机子空间辨识方法进行动力特性参数辨识，作稳定图剔除虚假模态，获得弧形闸门的自振频率、阻尼系数和振型等基本参数。

弧形闸门动力特性测试采用丹麦Brüel& Kjær 3660模态分析系统［5］，振动拾振器布置如图1所示。

2.2动力响应

弧形闸门在工作状态下的开启、关闭以及局部开度运行过程中，受流道中水流的作用，闸门的启闭设备、支承、止水装置的作用力与水流的激励力等，组成一个动力联合作用的系统。对这个系统进行测试和分析的要素包括闸门结构的动应力和振动响应的变化规律等。

弧形闸门动应力测试采用日本TML200动态应变测试系统，应力测点布置如图2～4所示。

图1　动力特性测试拾振器布置图

图2　弧形闸门支臂动应力测点布置图

图3　弧形闸门门叶动应力测点布置图

图4　弧形闸门支臂连接梁动应力测点布置图

图5　振动响应加速度传感器布置图

弧形闸门振动响应测试采用丹麦Brüel&Kjær 3560C振动测试分析系统，加速度传感器布置如图5所示。

3　原型观测试验成果

3.1弧形闸门动力特性分析成果

弧形闸门动力特性分析就是将线性定常系统振动微分方程阻中的物理坐标变换为动力特性坐标［6］，使方程组解耦，成为一组以动力特性坐标及动力特性参数描述的独立方程，以便求出系统的动力特性参数。

采用ANSYS中的六面体单元Solid186建立弧形工作闸门有限元计算模型，闸门各板件之间采用固接（BONDED CONNECTION）方式，固定铰座板采用固定端约束（FIXEDSUPPORT），闸门面板底部与底槛使用无摩擦支承（FRICTIONESS SUPPORT），同时闸门的两侧采用的无摩擦支撑的以模拟实际情况中闸门两侧所受约束。弧形闸门计算模型节点总数为1129606个，单元总数为213484个；其x轴指向下游，y轴沿重力方向，z轴指向垂直水流方向。

不挡水状态下弧形闸门前八阶自振频率计算结果见表1。

表1　弧形闸门前八阶自振频率　　单位：Hz

弧形闸门第一阶振型为门叶和支臂的负y向振动以及支臂中部的正z向侧弯，第二阶振型为门叶和支臂的正y向振动以及上部整体负z向扭转，第三阶振型以支臂后端负y向侧弯振动为主，第四阶振型为上下臂柱的相向振动和负y向侧弯，第五阶振型为左右支臂后端的相向振动，第六阶振型为下部整体正z向扭转和支臂的上下波浪振动，第七阶振型与第六阶相似，第八阶振型以边梁的腹板与翼缘板的顺水流向及横向变形为主。弧形闸门第一阶振型如图6所示。

图6　弧形闸门第一阶振型图

3.2弧形闸门动力特性测试成果

弧形工作闸门频谱图见图7，整体动力特性参数见表2。

图7　弧形闸门自振频率频谱图

表2　弧形工作闸门整体模态参数表

3.3弧形闸门动应力测试成果

在弧形闸门启闭过程中，动应力最大拉应力测试值发生在9m开度时，门叶下部梁格面板背水面水平方向，测试值为71MPa。最大压应力测试值发生在9m开度时，左上支臂第三梁格下游侧腹板右侧水流方向，测试值为-70MPa。

3.4弧形闸门振动响应测试成果

弧形闸门不同开度时的稳态振动统计特征参数见表3。

表3　不同开度时的稳态振动统计特征参数

在闸门启闭的过程中，分析闸门振动响应各测点的振动特征值随开度的变化曲线，发现在100%开度时各测点的特征值均为最大，最大为2.801m/s2。提取3-1测点100%开度时的振动数据对其进行频谱分析，该测点的频谱图共有5个频率成分，其中11.75Hz的振幅最大，判断其主振频率为11.75Hz。在9.0m开度下，振动特征值的最大值为2.801m/s2，最大振动位移为0.38mm。弧形闸门启闭全过程振动趋势如图8所示。

图8　弧形闸门启闭全过程振动趋势图

4　试验结论

（1）大量的统计资料表明，水流的脉动主频率一般在20Hz范围内，其中大部分又小于10 Hz［7］。糯扎渡水电站左岸泄洪洞1#弧形工作闸门的各阶计算和测试自振频率均大于31Hz，远离水流脉动的高能区，该弧形闸门发生激流共振的几率不大，具有较好的安全性和可靠性。

（2）糯扎渡水电站左岸泄洪洞1#弧形工作闸门在启闭过程中各构件运动状态的结构应力测试值均小于结构材料的允许应力值。该弧形闸门结构强度满足要求。

（3）糯扎渡水电站左岸泄洪洞1#弧形工作闸门在启闭过程中100%开度（9m）时，各测点的振动特征值均为最大，此时弧形闸门对应的最大振动位移值为0.38mm。根据美国阿肯色河通航枢纽中提出的以振动位移均方根值来划分水工钢闸门振动强弱的标准（位移0～0.0508mm时振动可以忽略不计，0.0508～0.254mm时振动微小，0.254～0.508mm时振动中等，大于0.508mm时振动严重）［8］，该弧形闸门在原型观测试验过程中的振动属于中等振动，不影响闸门的安全运行。

（4）基于振动时程响应包络线的判断方法，从图8中分析可知，在振动特征值最大的开度，弧形闸门在水流激励的作用下，振幅稳定，并且无持续增大的趋势；因此，该弧形闸门在该工况下未发生共振。基于振动响应是否存在与结构固有频率相近的周期成份的判断方法，从图7中观察可知，频谱图中不存在与结构固有频率相近的周期成分。因此，该弧形闸门在该工况下未发生共振。

目前，由于工程条件的限制和国内外尚无水工金属结构设备原型观测试验的专项技术标准，弧形闸门原型观测试验工作开展得并不充分。本文以糯扎渡水电站左岸泄洪洞1#弧形工作闸门原型观测试验为例，针对流激振动原型观测试验要求，提出了弧形闸门流激振动原型观测试验技术方案。并通过采用先进的测量仪器和数据分析方法，对弧形闸门的动力特性和动力响应进行了综合评价和研究。此项试验研究不仅为水工金属结构设备原型观测试验专项技术标准的制定提供了实践依据，而且具有重要的工程参考价值。

参考文献

［1］李垂，傅萌，欧阳锋.糯扎渡水电站泄洪洞弧形闸门安装质量控制［J］.人民长江，2012，43（04）：70-72.

［2］王翠萍.平面钢闸门的破坏型式及发展状况［J］.水利技术监督，2004（06）：45-46.

［3］关振广.弧形闸门使用中常见的问题及处理措施［J］.水利规划与设计，2011（06）：84-85.

［4］傅志方，华宏星.模态分析理论与应用［M］.上海：上海交通大学出版社，2002.

［5］胡木生.激光测振系统在水工金属结构上的应用［J］.水利电力机械，2003，25（05）：24-25.

［6］冀振亚，高国柱，孙云峰.气动盾形闸门系统力学模型的建立与分析［J］.水利规划与设计，2013（11）：50-53.

［7］章继光，刘恭忍.轻型弧形钢闸门事故分析研究［J］.水力发电学报，1992（03）：49-57.

［8］章继光.我国闸门振动研究情况综述［J］.水力发电，1985 （01）：36-42.

中图分类号：TV34

文献标识码：A

文章编号：1008-1305（2016）01-0007-05

DOI：10.3969 /j.issn.1008-1305.2016.01.003

收稿日期：2015-10-21

作者简介：盛旭军（1975年—），男，高级工程师。