闸门动态检测工程实例

6.6　闸门动态检测工程实例

某水电枢纽工程位于安徽省青戈江上游，枢纽主要任务是发电，同时兼有防洪、航运、灌溉、水产、养殖、旅游等作用，工程非常重要。枢纽的金属结构已使用多年，根据国内外水利枢纽闸门泄洪运行的实践及2001年该枢纽工程第二轮大坝安全检查要求，本节将对该枢纽左右岸溢洪道闸门及启闭机、中孔上游事故检修门、中孔下游工作门、底孔上游事故工作门、底孔下游工作门等进行安全检测。为了解当前水工钢闸门结构在挡水运行状态下的工作特性，拟对闸门进行动力原型观测以及相应的理论计算。

6.6.1　检测目的

检测的主要目的是掌握闸门经过多年运行后其动态特性、各部分的振动响应的加速度、振动应力及振动位移的大小，主要技术指标是否满足规范要求，为该枢纽工程第二轮大坝安全定期检查鉴定提供科学依据和意见。

该水电枢纽工程的金属结构的检测范围包括枢纽主要的水工钢闸门及其启闭机系统，这些系统共9套(扇)，它们的简要资料见表6-3。

表6-3　某水电枢纽工程金属结构简要资料表

6.6.2　检测依据

检测内容确定的依据是与检测相关的规程、导则和规范等。如《水库大坝安全评价导则》、《水工钢闸门和启闭机安全检测技术规程》、《水利水电工程钢闸门设计规范》等。

6.6.3　检测内容及测点布置

该次只对弧形闸门进行动力检测，平板门只做静力检测。因此，该水电枢纽工程在该次检测中共检测左右岸溢洪道、泄洪中底孔6扇弧形工作闸门，这6扇弧门分为斜支腿(表孔)和直支腿(潜孔)，这些门在结构上相似，可采用同一检测方案。进行动力测试时，其布点相同。

6.6.3.1　测点布置方案

根据对闸门的受力分析及其他工程现场测试的经验，确定闸门主横梁及支腿控制截面上的控制点，作为动应力、动位移和部分加速度的测试位置(如图6-12、图6-13所示，根据现场具体情况可能会进行修正)。

6.6.3.2　试验水位

▽_上m，▽_下m(由试验时现场实际水位确定)。

6.6.3.3　动力检测内容

(1)闸门主梁及支腿等部位的动应力。

(2)闸门在空气中的自振频率。

(3)闸门在水中的自振频率。

(4)闸门动力响应试验:

①闸门从全关—开启—全开全过程的动应力、动位移及加速度时程曲线和以上参数在各开度时的最大值、最小值和正均方根值。

②闸门从全开—关闭—全关全过程的动应力、动位移及加速度时程曲线和以上参数在各开度时的最大值、最小值和正均方根值。

复核各检测的技术参数是否满足规范要求。

图6-12　某水电枢纽工程中孔工作门测点布置图

图6-13　某水电站枢纽工程底孔工作门测点布置图

6.6.4　检测试验系统

闸门动力检测所采用的传感器及设备有位移计、加速度计、应变计、电荷放大器、动态电阻应变仪、数据采集器、计算机(含分析软件)、打印机及由此组成的检测系统。检测试验系统方框图如图6-14所示。

图6-14　闸门动力检测试验系统方框图

检测试验系统可由计算机直接控制测点扫描及数据采集，并能进行自动调零，应变计电阻值、灵敏度调整，数据显示、打印、存盘、读盘和其他处理，性能稳定，使用方便。

6.6.5　测量仪器及设备

6.6.5.1　信号传感器

应变计——型号为3×2胶基，灵敏度为2.0，电阻值为120Ω;

加速度计——型号为YD-107，灵敏度为51.2pC/g，频率范围为0～100kHz，横向灵敏度＜5%，量程10g;

低频位移计——型号为DPS-0.5，灵敏度8mV/μm，频率范围为0.3～150Hz，环境温度为－20～60℃。

6.6.5.2　信号放大器

(1)电荷放大器

①型号YS5853，频率范围1～20Hz，最大增益为1000mV，电荷量为10⁵ PC，误差＜±2%;

②型号7021，频率范围0～1000Hz，最大增益为100mV，电荷量10⁶ PC，误差＜±1%。

(2)动态应变仪

①型号DPM-8H，量程±5000με，频率范围0～10kHz，信噪比＞80dB，误差＜±0.1%;

②型号CS-1A，量程±5000με，频率范围0～80kHz，信噪比＞50dB，误差＜±0.1%。

6.6.5.3　信号采集器

XR-510多用记录仪。

型号INV306，采集容量4G，采集方式:随机采集。

6.6.5.4　信号分析仪

型号INV306，功能:时域分析、频域分析等;

CF-930红外分析仪;

便携式计算机(含分析软件)。

6.6.6　测试方法

6.6.6.1　测试工况

(1)闸门自振频率测试时，分别将闸门置于无水压和有水压两种工况;

(2)闸门动力响应测试时，也分两种工况:①闸门从全关—开启—全开全过程;②闸门从全开—关闭—全关全过程。

实现上述工况的办法为:利用检修闸门挡水，工作弧形闸门便处于无水压状态，此时即可进行闸门在空气中自振频率的测试。然后，开启检测闸门，在工作闸门与检修闸门之间充水至上游水位，实现工作闸门在水中的状况，此时即可进行闸门在水中自振频率的测试。

闸门自振频率检测完成后，把测试闸门动力响应的相关仪器准

备好，即可将工作闸门从全关状态逐步开启，达到全开为止;然后，从全开开始逐步关闭，到最后是全部关闭。这两个全过程即为测试闸门动力响应的两个工况。

试验时正常挡水实际水位为▽_上m，

百年一遇洪水水位为▽m。

6.6.6.2　测试方法

1.锤击法测试闸门的自振频率

分别在上述无水压和有水压的工况下，用一种特制的手动脉冲锤敲击闸门一适当部位，使闸门获得一个频带较宽的冲击力，经电荷放大器将信号放大、检波、滤波后由信号采集器采集、记录和储存，再通过带有分析软件的计算机进行频谱分析，即可得到各种频谱图，然后进行闸门自振频率的识别。

每种工况进行3次敲击、测试、分析、比较，最后即可得到闸门的自振频率。

2.电测法测试闸门的动力响应

现场实验前，根据测点布置图确定闸门测点位置，在测点处进行打磨、清洗及定位处理。在粘贴电阻应变片、低频位移计、加速度计的基座，并通过导线与相关仪器(如图6-14方框图上所标仪器)、计算机等相连接。准备好后，即可开始按闸门动力响应测试工况，把闸门由全关—开启—全开全过程和由全开—关闭—全关全过程，实施闸门动力响应的迅速和精确的测量和存储。每种工况进行3次全过程的测试。

根据所测得的闸门的动应变、动加速度及动位移3种参数的样本函数X(t)，对样本函数X(t)进行时域统计分析，从而得到反映闸门动力响应整个随机过程的特性参数:均值μ_x、标准差σ_x、方差、均方值及正均方根值等。通过测得不同开度的闸门的动应变、加速度和动位移的均方值，便可知道闸门的振动应力、振动能量和振动位移随闸门不同开度的幅值变化规律图，并可找到水库泄水过程闸门在不同开度时，其最大的振动应力、振动加速度及振动位移值是否超出规范容许范围，是否安全可靠，是否可继续使用，为工程管理单位提供科学依据和参考意见。

6.6.6.3　检测注意的问题

(1)检测闸门自振频率采用锤击法，用脉冲锤敲击闸门，以获得激振力，使闸门作随机振动的响应。因此，敲击的位置是关键，一定不要敲击闸门主振型的结点，即敲击点必须是主振型结点以外的地方。此外，在测点处的加速度计的基座一定要粘牢固，以防脱落，影响测试结果。

(2)检测闸门振动的动力响应时，在闸门作局部开启后，在闸门下游面会形成强大的冲击水流和雾气。因此，测点与导线的防潮与防冲刷是此次测试工作的重点与难点，在布点、布线与防潮中，只要稍有疏漏就会前功尽弃。此外，闸门上各测点的温度补偿采用分区补偿的方式，以尽量消除由于门体尺寸大、日照不均匀及天气因素的影响，提高测量结果的准确性和稳定性。

6.6.7　测试结果与分析

由于篇幅关系，将测试过程中如何选取数据与如何对数据进行时域统计分析及频域分析，如何识别闸门的自振频率，如何确定动力响应时闸门在不同开度的最大加速度值、振动最大位移值、位移均方值、动应变及动应力值等内容省略，文中只将结果以表格和图文形式列出。

6.6.7.1　闸门自振频率测试结果及分析

闸门的自振频率是研究闸门振动特性的最基本的参量。试验时测试了不挡水(无水压力状态)和挡水(有水压力状态)时闸门的自振频率。表6-4和表6-5给出了这两种有代表意义工况的闸门自振频率。闸门无水状态时库水位由检修门挡水而工作闸门完全不受水压力作用;闸门挡水情况下的水位为109.38m。每种工况测试3次，取均值为最终结果。

表6-4　中孔工作闸门自振频率试验结果　单位:Hz

续表

表6-5　底孔工作闸门自振频率试验结果　单位:Hz

作用在闸门上的水流脉动压力是引起闸门振动的主要振源，因此分析脉动压力频谱特性与闸门自振频率之间的关系有利于判别闸门是否发生共振。水流对闸门作用主要是上游来水对闸门上游面的作用。在水流脉动压力激振下，闸门的自振特性是典型的流固耦合问题，而且水体与闸门的耦合影响还与闸门开度、上游水位等因素有关，特别是闸门在水中和空气中的自振频率有较大差异，受水体附加质量的影响，水中闸门的自振频率要低于空气中闸门的自振频率。闸门在水中的频率低于在空气中的频率，而且闸门开度越小，即闸门的挡水深度越大其自振频率降低得越多，闸门全关挡水时的频率最低。

中孔工作闸门在正常的工作条件下，起主要作用的前3阶自振频率范围是3.56～90.84Hz，其中反映闸门结构上下振动的频率为3.56～72.88Hz，反映闸门顺水流方向振动的振动频率为9.57～50.59Hz，反映闸门沿坝轴方向振动的振动频率为7.11～90.84Hz。

底孔工作闸门在正常的工作条件下，起主要作用的前3阶自振频率范围是3.11～53.29Hz，其中反映闸门结构上下振动的频率为3.11～46.15Hz，反映闸门顺水流方向振动的振动频率为11.29～51.52Hz，反映闸门沿坝轴方向振动的振动频率为7.14～26.13Hz。考虑底孔工作闸门闸墙刚度较大，将闸门的自振频率与脉动水压力的频域比较可知，上游来水作用在闸门上脉动压力的频率低于闸门的自振频率，不会诱发底孔闸门产生共振振动。

6.6.7.2　闸门振动加速度测试结果与分析

对中孔工作闸门、底孔工作闸门全过程都进行了振动加速度测试，测点布置见图6-12、图6-13。表6-6和表6-7为中孔工作闸门和底孔工作闸门的加速度测试结果。图6-15和图6-16为中孔5号和7号测点加速度随不同开度时幅值变化规律图，图6-17和图6-18为底孔6号和2号测点加速度随不同开度时幅值变化规律图。根据表6-6和表6-7所列的大量的实测结果可知，两扇闸门振动加速度值都属安全范围。

图6-15　中孔工作闸门加速度过程曲线(1)(全开—全关)

表6-6　中孔工作闸门泄洪过程不同开度最大加速度(单位:g)

表6-7　底孔工作闸门泄洪过程不同开度最大加速度值单位:g

图6-16　中孔工作闸门加速度过程曲线(2)(全关—全开)

续表

图6-17　底孔工作闸门加速度过程曲线(1)(全开—全关)

图6-18　底孔工作闸门加速度过程曲线(2)(全关—全开)

6.6.7.3　闸门振动位移测试结果与分析

根据试验结果，位移测点布置在闸门的面板、横梁和支臂上，测试参数为振动位移最大值。表6-8为中孔工作闸门振动位移最大值，表6-9为底孔工作闸门振动位移最大值;图6-19和图6-20为中孔5号和7号测点振动位移随不同开度时幅值变化规律图。这些资料表明，闸门振动位移和振动加速度一样主要与闸门开度有关。试验的结果与有限元计算结果也较吻合。

图6-19　中孔工作闸门振动位移过程曲线(1)(全关—全开)

图6-20　中孔工作闸门振动位移过程曲线(2)(全关—全开)

中孔工作闸门各开度振动最大位移、均方根值均在表及图中列出，根据实验结果可知，该测试水位下闸门振动最大位移有1261μm，产生在7号测点水平方向(开度约5%);各测点振动位移均方根值为121～397μm，振动位移对闸门正常运行不会产生严重危害，但要关注闸门日常运行情况的变化。

底孔工作闸门各开度振动最大位移、均方根值均在表6-9中列出，根据实验结果可知，该测试水位下闸门振动最大位移有310μm，产生在7号测点水平方向(开度约5%);各测点振动位移均方根值为45～119μm，总体上看闸门只产生微小程度的振动。

表6-8　中孔工作门泄洪过程不同开度最大位移和均方根值

续表

表6-9　底孔工作门泄洪过程不同开度最大位移和均方根值

续表

由于中孔工作闸门流道高度有一定的变化，闸门的流态不是很平稳。水流对闸门产生冲击，闸门产生了振动现象。其中开度分别为3%～10%、30%～70%、86%～95%时闸门有明显的振动现象。这主要有两个原因，其一是激振源(这里是脉动水压力)的优势频率与闸门的自振频率(1.9～2.2Hz，31～47Hz)相同或接近，其二是激振的能量达到了一定的值。

6.6.7.4　闸门振动动应变与动应力测试结果与分析

本枢纽电站溢洪道弧门属于常年局部开启的工作闸门，对承受的动应力有一定限制。根据《水工钢闸门和启闭机安全检测技术规程》(SL-101-94)7.4.2及7.4.3条款，主要对中孔工作门、底孔工作门进行了动应力检测。中孔工作门、底孔工作门动应力测点(动应变)主要布置在纵梁和支臂上，测点布置时考虑了闸门的对称性，测点布置见测点图6-12、图6-13。从观测结果可以看出，闸门不同开度泄流时振动应力都很小。

试验过程中，通过数据采集系统获取的信息是闸门上各测点的动应变值，闸门实际所承受的动应力需要根据公式σ= E·ε换算得到。表6-10、表6-11和表6-12为闸门振动动应力的实测结果。根据试验结果，闸门振动应力的大小主要与闸门的开度有关，其规律是小开度和中等开度工况动应力大，大开度工况动应力小。究其原因仍然是，在泄洪工况，闸门小开度和中等开度泄流时形成较大脉动压力;而在大开度过流时，水流自由出流，闸门振动减小，动应力相应降低。根据《水利水电工程钢闸门设计规范》可以对本枢纽电站闸门进行动应力校核，《规范》3.0.5(4)条款规定，经常进行局部开启的工作闸门有必要在设计中采用动力系数，取值为1.0～1.2，即闸门承受的总荷载与动荷载之比不应超过1.2。选择中孔工作门和底孔工作门动应力最大的测点进行验算。闸门结构的动应力是反映和衡量闸门动水启闭运行时安全度的最基本的指示，研究结果表明，实测动应力值都满足规范要求。

表6-10　中孔工作门泄洪开门过程不同开度动应变、应力值

续表

表6-11　中孔工作门泄洪开门过程不同开度动应变、应力值

续表

表6-12　底孔工作门开门过程不同开度动应变值

续表

续表

6.6.7.5　振动原因综合分析

本枢纽闸门振动的原因是:下泄水流在闸门面板上形成水流脉动压力，脉动压力冲击是闸门振动的主要外因。并且振动量的大小与脉动压力有关，脉动压力大小又与闸门开度有关，如在小开度和中等开度工况下，面板脉动压力较大，闸门振动相对也较大;而大开度工况下，闸门面板脉动压较小，闸门振动量相对变小。这个结论可供闸门在运行调度时参考。

本枢纽大坝底孔工作门振动较小，泄水时闸门较平稳。而大坝中孔工作门振动比底孔工作门大得多(中孔工作门振动加速度约为底孔工作门的3倍)，这与中孔门的流道形态有关。

6.6.8　结论与建议

(1)闸门原型观测期间上游库水位在109m左右，因此观测成果具有代表性，可以反映闸门在各开度下正常泄洪时的振动状况。

(2)闸门挡水时的频率低于不挡水时的频率，而且闸门的挡水深度越大其自振频率越小。中孔工作门在正常的工作条件下，起主要作用的前3阶自振频率范围是3.56～90.84Hz。由于中孔工作门左右闸墙的第一频率仅为3.93Hz和4.29Hz，闸门与闸墙组合后的联合频率必然进一步减小，而脉动水压力的振动频率较低，所以中孔工作闸门在泄洪时产生了振动。底孔工作门在正常的工作条件下，起主要作用的前3阶自振频率范围是3.11～53.29Hz。底孔工作闸门在泄洪时也会产生振动，但不会产生共振现象。

(3)中孔工作门实测最大动应力为20.69MPa，底孔工作门实测最大动应力为14.54MPa，均小于闸门结构容许的动应力。

(4)中孔闸门在泄洪时发生了振动，但没有发现其他异常反应。中孔工作门支臂动力响应较大，其最大加速度值0.761g，最大振动位移为1261μm;底孔工作门支臂动力响应最大加速度值0.271g，最大振动位移为310μm。振动值不大，全部为微小振动，因此现阶段闸门运行时满足闸门结构强度及刚度要求。

(5)试验所得的闸门动力响应表明，中孔工作门振动的不利工况出现在开度分别为3%～10%、30%～70%、86%～95%时。底孔工作门振动的不利工况出现在开度35%～75%时。建议闸门开启过程中不要在这些开度停留。