劃子口大跨度弧形鋼閘門原型振動觀測初探

朱 慧，劉建華，閔克強(qiáng)

（江蘇省秦淮河水利工程管理處，江蘇 南京 210002）

1 工程概況

劃子口河閘工程屬滁河防洪治理一期工程流域性治理項目，工程的實施可大幅提高南京市浦口、六合等地區(qū)防洪能力，對緩解滁河中上游安徽省沿滁河地區(qū)的防洪壓力也有重要的作用，工程有著顯著的防洪減災(zāi)效益［1］。

劃子口河閘采用大寬高比弧形鋼閘門，孔口尺寸較大（30.0 m×8.0 m），該大跨度閘門需作局部開啟雙向運行，以調(diào)節(jié)流量。雙向擋水時，上下游水位變幅大，結(jié)構(gòu)受力條件復(fù)雜。閘門在小開度時，液壓啟閉機(jī)活塞桿和閘門支鉸對門葉形成約束，水流條件及流態(tài)比較復(fù)雜，水流對閘門結(jié)構(gòu)動力作用復(fù)雜多變。

工程投入運行后，為保障工程運行安全、方便管理、發(fā)揮效益，制定閘門合理運行操作規(guī)程，需要開展閘門結(jié)構(gòu)的流激振動原型觀測，通過對水工建筑物水力學(xué)和金屬結(jié)構(gòu)振動原型觀測，取得水閘運行的實際動態(tài)資料，及時發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，分析原因，采取措施，通過系統(tǒng)分析評價，為水閘的安全運行管理提供科學(xué)依據(jù)，積累經(jīng)驗，制定更為合理的操作規(guī)程。因此，在水閘運行期進(jìn)行系統(tǒng)原型觀測十分有必要，具有重要的指導(dǎo)意義和參考價值。

2 原型觀測的主要內(nèi)容

2.1 原型觀測的目的

為了比較全面地取得建成后的水閘結(jié)構(gòu)運行特性，對閘門的運行安全性態(tài)進(jìn)行科學(xué)評價，并為閘門的安全運行制定合理操作規(guī)程，本次原型觀測遵循觀測內(nèi)容全面、測點量多的原則進(jìn)行［2］。具體觀測內(nèi)容如下：

（1）閘門結(jié)構(gòu)門體應(yīng)力、變形情況。

（2）研究閘門在既定制造、安裝及啟閉機(jī)械等邊界約束條件作用下，閘門發(fā)生振動的情況。

（3）測試閘門在不同水位、開度條件下，作用于門體的水流脈動壓力荷載。

（4）對閘門在不同上下游水位組合、不同開度和運行條件下的振動安全性進(jìn)行評價。

2.2 原型觀測測試系統(tǒng)布置

2.2.1 閘門結(jié)構(gòu)振動加速度測點布置

閘門振動加速度的測量采用壓電式加速度計，目前選用加速度計測量范圍為0～400 m/s2，采用低噪聲電纜線連接到電荷放大器后，可以直接輸出供測試系統(tǒng)采集。閘門面板部分配置2 個三向加速度傳感器，閘門支臂部分布置2 個三向加速度傳感器［3］。

2.2.2 閘門結(jié)構(gòu)振動應(yīng)力測點布置

閘門振動應(yīng)力的測量采用應(yīng)變計，采用低噪聲電纜線連接到應(yīng)變儀后再接到采集系統(tǒng)測量［4］。

2.2.3 閘門結(jié)構(gòu)脈動壓力測點布置

通過閘門體水流脈動壓力測量，旨在考察閘門在不同運行工況下水閘各部位壓力脈動荷載的作用情況，閘門脈動壓力的測量常規(guī)采用壓力傳感器，采用屏蔽低噪聲電纜線連接信號調(diào)理系統(tǒng)后再接到采集系統(tǒng)測量［5］。

2.2.4 周圍建筑物位移測點布置

通過周圍建筑物的位移測量，旨在考察閘門在不同運行工況下周圍建筑物的位移情況，建筑物的振動測量一般測量低頻段的位移情況，采用位移傳感器和屏蔽低噪聲電纜線連接信號調(diào)理系統(tǒng)測量。

2.2.5 流態(tài)觀測測點分布布置

通過流態(tài)觀察，旨在考察閘門在不同運行工況下水流流態(tài)是否存在不利情況，共設(shè)置5 個測點。1#布置在啟閉機(jī)控制房，觀測啟閉機(jī)操作面板及操作步驟；2#、3#、4#布置在河岸側(cè)，用來觀測閘后長江側(cè)水流流態(tài)；5#布置在交通橋上，用來觀測閘墩處的水流沖擊情況。

2.3 閘門振動觀測

本次原型觀測主要對工作閘門的振動加速度、振動位移、動應(yīng)力以及作用于閘門的水流脈動壓力荷載、水工建筑物近河岸側(cè)的振動位移、水流流態(tài)等方面進(jìn)行測試，取得了重要的評價數(shù)據(jù)資料。

2.3.1 閘門振動加速度觀測

現(xiàn)場試驗測量閘門固定開度及啟閉等工況下的閘門振動加速度數(shù)字特征及其譜特征，取得了振動加速度的量級及其能量在頻域的分布規(guī)律。

當(dāng)長江側(cè)為6.5～6.7 m、滁河側(cè)為6.6～6.8 m 時，閘門從全關(guān)到全開、全開到全關(guān)的啟閉過程情況下，得出閘門振動加速度特征值。

2.3.2 閘門振動位移觀測

現(xiàn)場試驗測量閘門固定開度及啟閉等工況下的閘門振動位移數(shù)字特征，得到振動位移的量級及其能量在頻域的分布規(guī)律。

2.3.3 閘門振動應(yīng)力觀測

現(xiàn)場試驗測量閘門固定開度及啟閉等工況下的閘門振動應(yīng)力數(shù)字特征，得到振動應(yīng)力的量級及其能量在頻域的分布規(guī)律。

2.3.4 閘門動水壓力觀測

現(xiàn)場試驗測量閘門固定開度及啟閉過程等工況下的閘門脈動壓力數(shù)字特征，得到脈動壓力的量級及其能量在頻域的分布規(guī)律。

2.3.5 閘門運行過程中的啟閉力觀測

現(xiàn)場試驗根據(jù)閘門在運行過程中液壓啟閉機(jī)油缸與活塞桿腔內(nèi)的壓強(qiáng)值，推算得到閘門啟閉力值，油缸內(nèi)徑450 mm，活塞桿桿徑220 mm。實測閘門在整個開門過程中的腔內(nèi)壓強(qiáng)值為10～11 MPa，有時變化大一點，但整體上均在這個范圍內(nèi)變化。按照“桿拉力=油壓×有效面積”的關(guān)系換算后，得到閘門啟閉桿拉力約為1 210～1 331 kN，啟閉機(jī)容量為2 000 kN，當(dāng)前啟閉桿拉力測量值在啟閉機(jī)容量范圍之內(nèi)。在兩側(cè)啟閉力糾偏較短的時間段內(nèi)，啟閉桿拉力會出現(xiàn)瞬間不對稱波動現(xiàn)象，但糾偏完成后，兩側(cè)啟閉力會趨于均勻。

3 閘門結(jié)構(gòu)的振動模態(tài)特征

3.1 實驗?zāi)B(tài)分析的基本理論

閘門結(jié)構(gòu)的運動可用離散化矩陣微分方程表示，通過測閘門各結(jié)點響應(yīng)均可獲得整個結(jié)構(gòu)的傳遞函數(shù)矩陣。

3.2 測試系統(tǒng)與設(shè)備

在此次實際工程原型觀測中，較難選取合適的外荷載來進(jìn)行閘門激勵，因此通過環(huán)境激勵（水力作用、風(fēng)荷載作用）點并選取參考點來進(jìn)行模態(tài)分析。

模態(tài)分析儀器采用Analyzer 專用模態(tài)采集分析儀器，最后通過計算機(jī)進(jìn)行處理。試驗中將閘門結(jié)構(gòu)離散為數(shù)十個結(jié)點，將離散化后的閘門結(jié)構(gòu)置于柱坐標(biāo)系考查其運動，共設(shè)有徑向、切向、側(cè)向3 個方向，試驗在進(jìn)行信號采集和處理同時進(jìn)行模態(tài)分析。通過閘門結(jié)構(gòu)的動特性研究是確保安全運行的重要手段，本部分試驗將揭示閘門結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性（模態(tài)頻率、模態(tài)振型和模態(tài)阻尼）。

3.3 測試結(jié)果與分析

當(dāng)前通過環(huán)境激勵，選取參考點遞延的方法，按照加速度傳感器的測試結(jié)果，初步對閘門作了低頻段的模態(tài)分析，閘門在接近全關(guān)位時由啟閉機(jī)約束，底部約束較弱，側(cè)止水約束。為比較可靠地獲取模態(tài)特性，采用了不同的分析方式。

當(dāng)考慮低頻段時，采用分析頻率20 Hz、低通濾波30 Hz，在環(huán)境激勵下數(shù)次試驗的優(yōu)勢閘門模態(tài)特征值見表1。

表1 模態(tài)特征值

通過以上分析可知，在目前的約束狀態(tài)下，閘門在低頻段4～5 Hz 存在主要反映閘門支臂部分的振型，而在12～13 Hz段也存在反映閘門支臂部分的振型，在更高頻率段如50 Hz左右及更高時，存在反映閘門面板部分和支臂部分的振型。

4 研究成果及建議

劃子口水閘具有雙向擋水、泄水和引排水要求，依據(jù)原型觀測數(shù)據(jù)，對閘門的運行操作提出建議，以確保水閘結(jié)構(gòu)的運行安全。

4.1 調(diào)度運行原則

汛期：當(dāng)長江水位高于滁河水位時，關(guān)閘擋水，控制滁河水位在7.0 m 左右；當(dāng)滁河水位超過7.0 m，開閘泄洪；當(dāng)滁河水位低于7.0 m 時，關(guān)閘蓄水。

非汛期：滁河水位高于長江水位，關(guān)閘蓄水，控制滁河在6.5～7.0 m。

灌溉期：當(dāng)滁河水位低于6.5 m、長江水位高于滁河水位時，開閘引水，控制滁河在6.5～7.0 m。

4.2 閘門開啟要求

在消力池及下游海漫段確保設(shè)計強(qiáng)度和施工質(zhì)量的前提下，需對水閘的運行調(diào)度高度重視，尤其是泄洪開始階段，下游水位低，若較大偏離下泄流量和下游正常水位的關(guān)系，閘門大開度開啟運行時，因下游水深小，河道底流速會大大超過抗沖流速，將影響消力池及下游海漫防沖安全，并進(jìn)一步加大河床局部沖刷深度。因此，當(dāng)水閘泄洪時，需將閘門逐級提升、緩慢到位，使下游水位盡可能滿足設(shè)計條件，以確保下游消能工程和防沖設(shè)施的安全。

在滁河水位為7.0～7.85 m、外江水位在3.3～3.66 m 之間，當(dāng)閘門開度為0.8～1.0 m 時，閘門結(jié)構(gòu)振動出現(xiàn)峰值，因此應(yīng)該盡量避免。其他開度閘門結(jié)構(gòu)的振動量一般較小。

4.3 工程運行條件

工程運行條件變化主要是指水閘運行多年后，出現(xiàn)了工程自身的老化或水閘上下游河道沖淤演變等引起的上下游水位、泄流量和流態(tài)等的變化。本工程的模型試驗研究結(jié)果顯示，防沖槽前后的流速在閘門開度為1.0 m時，上游滁河側(cè)7.0 m、下游長江側(cè)3.3 m水位情況下，最大值出現(xiàn)過1.55 m/s的量級，上游7.85 m、下游3.66 m水位情況下最大值出現(xiàn)過1.32 m/s的量級。顯然，閘門開度愈大，防沖槽前后的水流流速會更大。

通常情況下的水閘防沖槽前后的抗沖流速約為1 m/s，工程如果長期在出現(xiàn)大于抗沖流速情況的工況下運行則可能發(fā)生危險。因此，水閘運行時需跟蹤觀察泄洪運行的全過程，水閘泄水運行后進(jìn)行常規(guī)水下檢查，如發(fā)現(xiàn)問題，需及時分析原因并予以解決，尤其對損壞部分需及時修補(bǔ)，以防事態(tài)擴(kuò)大，影響閘室安全［6］。

5 結(jié) 語

閘門原型觀測在實際中還涉及很多工作，如前期的數(shù)學(xué)模型計算和各種水位狀況下閘門的位移、壓力等變化。本文簡要對閘門原型觀測的關(guān)鍵步驟和后期數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并提出閘門運行相關(guān)對策措施，以確保閘門安全、平穩(wěn)運行［7］。