9.11 冲击荷载作用下的闸门安全监测方法
9.11.1 概述
与逐步加载的常规安全监测不同。在工程中冲击荷载作用下的闸门安全监测，对于了解闸门安全状况与闸门实际承载基本上是一个同步过程，监测结果可以对闸门安全状况进行评价，并指导或预期今后相似工程条件下的工程措施与结果，但冲击荷载作用下的闸门安全监测不能对被监测闸门加以保护，也就是当冲击荷载对闸门结构可能产生破坏时，监测只能知道结果，无法避免损失。这就要求我们在实施安全监测之前，首先要对被监测闸门有一个合理预估。这样的预估可以借鉴过去类似的工程经验，也可以通过模拟冲击荷载进行估算。
9.11.2 闸门安全估算
在闸门安全监测之前，为进行冲击荷载响应计算、预估闸门动力响应时的振动幅值与应力，在模型试验(或现场小型冲击试验)的基础上，研究冲击荷载的频谱、幅值大小与密度，确定作用在面板上冲击荷载的分布特征，可以采用三角级数模型式(9-56)将冲击荷载转换成模拟压力过程荷载{P(t)}。
为确保精度，N应该取得充分大。得到模拟的压力过程荷载{P(t)}后，即可根据振动微分方程进行冲击荷载作用下的闸门响应估算。
9.11.3 闸门安全监测方法
与一般动态检测方法不同，我们在金沙江某巨型水电站对其导流隧洞闸门进行了一次冲击荷载下的闸门安全监测，监测结果较好。下面通过该具体工程监测实例简单介绍冲击荷载作用下的闸门安全监测方法，供读者参考。
9.11.3.1 基本情况
某巨型水电站坐落在金沙江下游某峡谷河段，是金沙江下游河段规划开发的第三个梯级。该水电站枢纽由混凝土双曲拱坝、左右岸引水发电系统及泄洪建筑物等组成。工程是以发电为主，兼有防洪、拦沙和改善下游航运条件等综合效益。电站坝高278m，坝顶高程610m，正常蓄水位600m以下库容115.7亿m3，调节库容64.6亿m3，左右岸地下发电厂房各装9台单机容量70MW发电机组。总装机容量12600MW。
该水电站初期导流采用一次断流围堰挡水，隧洞导流，如图9-31至图9-33所示。左右岸共对称布置6条导流洞，导流洞采用城门洞型，过水断面18.0m×20.0m(单洞泄流量5 333m3/s，水流平均流速16m/s)。1#、2#导流洞后期分别与水工2#、3#尾水洞结合，5#、6#导流洞分别与水工4#、5#尾水洞结合，3#导流洞将改建为水工竖井式泄洪洞。导流洞进口底板高程为368.0m，1#、2#、5#、6#导流洞均采用尾水洞出口底板高程362.0m，3#、4#导流洞出口底板高程均为364. 5m。
图9-31 某巨型水电站初期导流洞进水口
图9-32 初期导流洞平面布置图
根据施工计划进度安排，2007年9月下旬开始爆破拆除导流洞进水口围堰，为此，工程指挥部决定对2#与5#导流洞进水口闸门进行安全监测及影响评估工作，以保障生产安全。
2#导流洞总长1 649.912m，进口引渠段长113.19m，闸室段长30m，出口引渠段长75.0m。
5#导流洞总长1 385.605m，进口引渠段长121.74m，闸室段长30m，出口引渠段长75.0m。
图9-33 导流洞围堰-进口纵向剖面示意图
9.11.3.2 监测依据与目的
1.监测依据
(1)某开发公司水电站工程建设部导流洞围堰爆破的审查意见;
(2)《爆破安全规程》(GB6722—2003);
(3)《水利水电工程爆破安全监测规程》(DL/T5333—2005);
(4)《水工钢闸门和启闭机安全检测技术规程》(SL101—94)。
2.监测的目的
在闸门门前部分充水的条件下，监测:
(1)闸门面板冲击水压力的大小;
(2)闸门主横梁主应力的幅值;
(3)掌握进水口围堰爆破拆除时冲击水压力对闸门的影响及其动应力的变化规律;
(4)根据测试结果，评定闸门的安全可靠性。
9.11.3.3 监测内容
1.冲击水压力
(1)闸门面板充水表层法向水压力变化频率及幅值。
(2)闸门面板充水中部法向水压力变化频率及幅值。
(3)闸门面板底部法向水压力变化频率及幅值。
2.横梁主应力
(1)闸门中部主横梁主应力变化频率及幅值。
(2)闸门中下部主横梁主应力变化频率及幅值。
(3)闸门底部主横梁主应力变化频率及幅值。
3.闸门中下部及其门槽的振动加速度
闸门测点布置示意图如图9-34所示。
图9-34 闸门测点布置示意图
9.11.3.4 监测系统示意图
监测系统示意图如图9-35所示。
9.11.3.5 监测仪器
监测仪器如表9-29所示。
图9-35 监测系统示意图
表9-29 监测仪器一览表
续表
9.11.3.6 导流洞进水口闸门监测
9.11.3.6.1 2#导流洞进水口闸门监测
9.11.3.6.1.1 相关条件
2#导流洞进水口采用两扇9×20-96.67/22.15m平板闸门挡水，洞口至闸门的沿程距离为368.5m。1#、2#、3#导流洞位于金沙江的左岸，1#导流洞上游围堰已先期爆破拆除。2007年9月22日18时同时爆破拆除了2#、3#导流洞上游围堰，上游围堰爆破拆除之前，导流洞闸门前基本无水，堰外水位390.82m，流量10 200m3/s。
2#导流洞进水口平板闸门主体(面板、主横梁、边梁、纵隔板等)材料均采用Q345B钢板，其第一组钢板(δ≤16mm)和第二组钢板(16mm＜δ≤40mm)的抗拉强度应力容许值均为:［σ］= 290MPa。
9.11.3.6.1.2 2#导流洞闸门监测结果
上游围堰起爆后，2#导流洞闸门在爆破冲击波通过空气与基础的激振下产生了第一轮较大冲击振动，最大振动加速度为21.34m/s2。经过35s后涌水到达闸门面板，此时闸门振动幅度较大，面板压力正、负交替变化，大约持续20s之后，面板水压呈现明显的激烈冲击状态(含有负压)，最大冲击水压力约为42.5m水柱(远小于设计水头:96.67m)，冲击周期约为23s;经过60s后，面板压力波表现为缓变的冲击与消退激荡状态，直至最后趋于平稳的静压状态，闸门水压力及振动加速度实测波形如图9-36所示。
闸门最大振动加速度出现在涌水到达闸门面板的初期，此时闸门与门槽的接触不紧密，有较大的刚体移动成分，振动加速度大约为2个重力加速度，随着水体大量涌入闸门受水阻尼的影响其振动加速度迅速减少(见图9-36)。
图9-36 2#导流洞进水口闸门水压力及振动加速度实测波形图
主横梁的应力与闸门振动加速度不同，涌水到达闸门面板的初期主横梁的应力并不大，刚开始横梁应力有一个爬升过程，其最大值出现在水流的第二次冲击时，横梁最大应力(动、静应力之和)约25.9MPa，如图9-37所示，横梁此时应力远小于闸门钢材的应力容许值290MPa。测试结果表明主横梁应力与闸门面板水压力的变化表现了较好的一致性。
图9-37 2#导流洞进水口闸门总应力(静、动应力之和)实测波形图
9.11.3.6.2 5#导流洞进水口闸门监测
9.11.3.6.2.1 相关条件
4#、5#、6#导流洞均位于金沙江的右岸。5#导流洞的上游围堰于2007年9月24日18时和4#导流洞上游围堰一起同时进行爆破拆除，爆破前，导流洞闸门前大约充4m深的水，堰外水位为388.53m，流量7 770m3/s，洞口至闸门的沿程距离为266.0m。其他相关条件与2#导流洞相同，不再赘述。
9.11.3.6.2.2 5#导流洞闸门监测结果
上游围堰起爆后，5#导流洞闸门在爆破冲击波通过空气与基础的激振下产生了一个较大冲击振动，最大振动加速度为15.75m/s2。受金沙江水位和导流洞闸门前蓄水影响，经过57s涌水到达闸门面板，此时闸门振动加速度相对2#导流洞闸门较小，面板下部有交替压力作用，上部暂时还没有水压力作用，大约经过50s之后，面板上部才有明显的冲击水压力作用，这一规律与2#导流洞闸门不同，压力过程曲线如图9-38所示，闸门最大冲击水压力约为33.2m水柱;面板压力经过平缓的冲击与消退激荡过程后，逐渐趋于平稳的静压状态，闸门振动加速度实测波形见图9-38。
围堰起爆后涌水在闸门上产生的振动量不大，这是因为:①导流洞闸门前蓄水缓解了涌水对闸门的冲击速度;②导流洞闸门前蓄水对闸门起到阻尼作用。导流洞闸门前的充水对闸门防振减振有明显作用。
涌水到达闸门面板的初期主横梁的应力较小，如图9-39所示，横梁应力有一个低幅爬升过程，但闸门主横梁应力(动、静应力之和)的绝对值并不大，最大值出现在涌水过程的后期，其值为17.8MPa，该值远小于闸门钢材的应力容许值290MPa。测试结果表明导流洞闸门前的充水对闸门主横梁的动应力也有缓解作用。
图9-38 5#导流洞进水口闸门水压力及振动加速度实测波形图
图9-39 5#导流洞进水口闸门总应力(静、动应力之和)实测波形图
9.11.4 总结与结论
9.11.4.1 总结
将2#、5#导流洞进水口闸门监测的结果汇总在表9-30中。
表9-30 导流洞进水口围堰爆破拆除时闸门振动监测结果一览表
9.11.4.2 结论
根据2#、5#导流洞进水口闸门面板冲击水压力与主横梁动应力监测的过程与测试结果，我们可以得到如下结论:
(1)上游围堰爆破拆除时导流洞中的涌水在进水口闸门面板上产生的冲击水压力与闸门所能承受的水压力(设计水头96.67m)相比较小。
(2)在现有条件下，导流洞上游围堰爆破拆除时进水口闸门所产生的振动加速度不大，该量值范围下的加速度不会对闸门结构安全产生影响。
(3)上游围堰爆破拆除时，实测的闸门主横梁最大应力(动、静应力之和)为25.9MPa，该值远小于闸门钢材的应力容许值290MPa，表明闸门强度足够抵御冲击水荷载作用。
(4)上游围堰爆破拆除时，2#闸门实测最大振动加速度为21.34m/s2，5#闸门实测最大振动加速度为15.75m/s2，表明闸门前预充水对缓解导流洞涌水对闸门冲击有明显的作用。
据此可以肯定:2007年9月22日与2007年9月24日，该水电站左、右岸导流洞上游围堰爆破拆除时进水口闸门结构是安全的，上游围堰爆破过程对闸门的影响在许可范围内。
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