向家坝水电站中、表孔弧形工作闸门激振工况分析.pdf

第4O卷第10期2014年10月水力发电向家坝水电玷中吞孔弧形工T隹闸门激该工况分析戴雷霓。杨鹏，俞洪明(向家坝水力发电厂，四川宜宾644612)摘要：对向家坝电站中、表孔弧门在370m和380m附近水位．不同开度下的流激振动进行原型观测．综合分析了中、表孔弧门在不同水位、不同开度运行条件下的振动类型、性质和量级，评价闸门抗振性能和运行安全性；明确典型水位下弧门流激振动较强的开度区间，对闸门的运行操作方式提出建议。关键词：泄洪设施；流激振动；闸门运行；向家坝水电站Flow—inducedVibrationAnalysesoftheRadialGatesofMiddleOutletandSurfaceSpillwayinXiangjiabaHydropowerStationDAILeini，YANGPeng，YUHongming(XiangjiabaHydropowerPlant，Yibin644612，Sichuan，China)Abstract：Byobservingtheactualflow—inducedvibrationsofradialgatesofthemiddleoutletandthesurfacespillwayinXianjiabaHydropowerStation，thevibrationtype，propertyandmagnitudeofradialgateswhenoperatingatthewaterlevelof370mand380mrespectivelyandunderdifferentopeningsareanalyzedtoevaluatetheanti-vibrationpropertyandthesafetyofgateoperation．Theopeningrangesofgateswithstrongflow—inducedvibrationareclearedwhenoperatingundertypicalwaterleve1．Theoperationmodeofgatesarealsoproposed．KeyWords：dischargefacility；flow—inducedvibration；operationofgate；XianjiabaHydropowerStation中图分类号：TV663．1文献标识码：B文章编号：0559—9342(2014)10—0089～04中孑L及表孑L弧门的流激振动特性，检验闸门的抗振1工程概况性能．以避开可能发生激振的不利工况。向家坝水电站泄洪消能设施主要包括12个表2观测内容和观测方法孔、10个中孔及消力池等建筑物，设计洪水入库流量达41200mVs，最大泄洪总功率约40000MW。2．1观测内容工程运行期的汛期限制水位370．O0m．汛后运行水选取3号中孔弧门和10号表孔弧门作为观测对位380．O0m。电站表孑L、中孑L工作门的主要特点如象，以库水位370．0m及380．0m为典型水位，进行下：①表孔工作弧门尺寸为8．0mx27．215mf宽X闸门流激振动原型观测。闸门流激振动观测的主要高)，弧门面板半径30．0m。弧门动水启闭，且需局观测内容如下：部开启．运行水头最大达26．715m，是目前国内动(1)观测表孔弧门在典型水位附近，开度在选水操作水头最高、弧门面板半径最大的表孔弧型闸定开度局部开启运行及连续开启运行时，其振动动门。②中孑L弧门的最大运行水头达83．475m，弧门应力、加速度和位移，分析振动参数的幅值、均方控制段出口流速近35m／s，且有局部开启的运行要求。收稿日期：2014—09～01为了及时发现1二程可能存在的问题．开展了弧作者简介：戴雷霓(1963一)，男，湖北黄冈人，高级T程师门振动的原型观测工作．从而掌握不同泄流情况下向家坝水力发电厂副总T程师，主要从事水T维护1作． 水力发电2014年10月根值及频谱特征。3表孔弧门流激振动观测成果(2)观测中孔弧门在典型水位附近，开度存选定局部开启运行及连续开启运行时，其振动应力、3．1表孔弧门局部开启(固定开度)流激振动特性加速度和位移，分析振动参数的幅值、均方根值及本次原型监测在库水位370．0m及380．0113附近频谱特征。对10号表孑L弧门不同固定开度T：况下的流激振动状(3)综合分析表、中孔弧门在不同水位及开度态进行了观测。在水流的激励下，弧门局部开房产运行条件下的振动类型、性质和量级，评价闸门抗生的振动应力、振动加速度及振动位移可以看成是振性能和运行安全性：明确典型水位下弧门流激振一个平稳的随机过程．各测点振动参数的大小可以动较强的开度区间，对闸门的运行操作方式提出建用随机过程的均方根值和功率谱密度来描述。议。3．1．1弧门局部开启振动应力响应特性2_2测点布置(1)库水位370in附近。10号表孔弧形一r：作闸表、中孔工作弧门振动测点在观测前期临时布门在不同开度的情况下，各测点的动应力响应均方设，根据弧门的结构特点，合理布置振动应力、加根值在0．03—0．16MPa之问，最大幅值在0．12～0．64速度及位移测点。MPa之间。钢闸门的动应力不应大于材料允许应力(1)表孑L弧门振动测点布置。在表孔弧形闸门的20％，表孔弧门按不同结构部位其钢材(Q345C)上布置了5个振动动应力测点和16个振动加速度测的允许应力在164～176MPa，『大l此动应力应该小：点，振动加速度测点的编号及位置见表1，振动应32MPa。从观测结果来看，在370m水位附近局部力测点的编号及位置见表2。开启运行期问，l0号表孑L弧形工作闸门I各测点动表11O号表子L弧形闸门加速度测点布置应力均较小．大大满足动应力小于钢闸门允许应力20％(32MPa)的要求．．(2)库水位380m附近。用同样的监测方法，10号表孔弧门开度分别在2、3、4、5、7．5、10、14、18121和21．9Ill局部开启泄流Ii况下，各测点动应力响应的均方根值在0．03～0．93MPa，最大值在0．30～2．22MPa。从弧门振动应力随闸门开度的变化趋势来看．当闸门开度小于7．5m时，各测点振动应力均方根值均小于0．17MPa，不同运行开度下振动应力响应变化不大；当闸门开度增大至10．0、14．0m及l8．0m时，闸门底梁(Y2测点)及支臂(Y4测点)的振动应力均方根值明显增大，振动应力最大均7y,N：值为0．93MPa。Lj库水位为370I13相比，库水位升高至380m后弧门总体振动应力响应略有增大，但各测点动应力响应值仍大大满足小于钢闸门允许应力20％(32MPa)的要求，说明10号表孔弧形工作闸门存380．0nl水位局部升启运行期问，闸门承受的振动应力仍然较小。表210号表孔弧形闸门动应力测点布置3．1．2弧门局部开启加速度响应特性观测期间对10号表孑L弧门关键部位不同方向16个测点f包含切向、横向及径向)的加速度响应进行观测。(1)库水位370lqrl附近。10号表孔弧门不同开度局部开启运行泄水过程中，弧门门体3个方向振动加速度响应中，径向及横向测点的加速度响应均(2)中孑L弧门振动测点布置。在中孔弧形闸门方根值基本都在0．5m／s以内；门体切向的加速度上布置了5个振动动应力测点和l6个方向振动加速均方根值相对较大，最大均方根值为0．97m／s(下度测点，部位类似表孔。支臂中部位置，弧门开度1．9Il1)，对应最大加速度Wn“⋯rVE，l4010 第4()卷第J0期戴雷霓，等：向家坝水电站中、表孔弧形工作闸门激振工况分析值为3．99m／s。弧门局部开启运行时，在1．9、2．89(2)弧门连续开启振动加速度响应特性。由于in及4．0m开度附近门体切向加速度响应均方根值弧门受到的水流动荷载随时间(开度)变化，弧门相对较大，弧门开度在8．3ITI及10．0m时的加速度连续开启过程中产生的加速度也是一个非平稳的随响应均方根值相对较小。机过程．因此对振动加速度采用非平稳随机过程数(2)库水位380m附近。10号表孔弧形闸门据处理方法进行数据处理。10号表孔弧门0～5．0m存不同开度局部开启泄水期间，闸门底横梁及下和7．7～17．0m开度连续开启过程，各测点加速度响支臂底部振动加速度相对较大，中、上部横梁及应与弧门局部开启运行相比有一定幅度地增大。弧支臂振动加速度相对较小。从弧门振动加速度响门在0～5．0m开度时．径向及横向的加速度响应相应随闸门开度变化情况来看，闸门开度存2～10m对较小，均方根最大值在2．5m／s以内。瞬时加速之间时振动加速度较大，实测振动加速度均方根度最大值在10．0m／s以内；切向加速度值相对较最大值为1．84rnis．相应的振动加速度最大幅值大．均方根最大值为8．84rn／s，瞬时加速度最大值为7．33m／s．闸门开度大于10．0m后门体振动加为17．21m／s弧门在7．7～17．01TI开度开启过程中，速度逐渐变小。门体横向和切向加速度值相对较大，最大均方根为3．1．3弧门局部开启动位移响应特性4．94m／sz，主要出现在12．9HI开度附近，弧门底缘弧门动位移响应值是由加速度响应信号，经电即将脱离水面的过渡时刻。总体而言，弧门在0～5．0荷放大二次积分后获得，动位移响应测点布置与加m和7．7～17．0m开度开启过程中．在2．0、2．8m和速度响应测点布置完全相同。12．9m附近区域闸门加速度相对较大，与弧门局部库水位在370m附近．10号表孔弧门开度在开启时振动加速度的变化规律大体一致。1．5～4．0m区间泄流时，靠近闸门底缘部位测点的动4中孔弧门流激振动观测成果位移响应相对较大。实测最大均方根值在142．4～156．2m之间(J1测点)，最大幅值为435．4Ixm4．1中孔弧门局部开启(固定开度)流激振动特性(弧门开度1．5IT1)。弧门开度大于4．0nl时，弧门各(1)振动应力响应特性。观测期间对3号中孔部位测点的动位移均方根值均较小．基本都在60弧门5个典型部位的动应力进行了监测。3号中孔Ixm以内。根据美国阿肯色河通航枢纽中心提出的弧形工作闸门在不同开度下．各测点的动应力响应振动位移均方根值划分水工钢闸门振动强弱标准：均方根值在0．05～0．09MPa之间，最大幅值在0．14～位移为0～0．0508mlrl的振动可以忽略不计：位移为0．30MPa之间。在库水位370m附近弧门局部开启0．0508～0．254mm的振动为微小：位移为0．254～运行期间．各测点动应力响应远小于钢闸门0．5081Tim的振动为中等；位移大于0．508nlIn的振(Q345c钢)20％允许应力(32MPa)，满足要求。动为严重，10号表孔工作弧门在库水位370113附近库水位在380In．附近，弧门开度为2．7m和3．0m局部开启运行时的振动属微小量级。时，各测点的动应力响应均方根值在0．04～0．063．2表孔弧门连续开启过程中的流激振动特-陛MPa之间，最大幅值在0．30～0．44MPa之间。与库库水位在370m附近，上游来流量在5000～水位371．54／TI泄洪工况比较．库水位在379．4m附11000m／s时．根据向家坝水电站实际调度要求．近弧门作用水头约增大8m，在相近开度3．0in运对10号表孔弧门部分行程的连续开启调度过程(这行时门体各测点振动应力响应值没有明显变化，振里选取闸门全开0～5．0m和7．7～17．0nl开度)的动动应力也远小于钢闸门材料允许应力的20％(32应力及加速度响应进行了原型监测分析。MPa)。(1)弧门连续开肩振动应力响应特性。根据非(2)加速度响应特性。对3号中孑L弧门关键部平稳随机过程的分析方法进行数据处理．0号表孔位不同方向16个测点f包含切向、横向及径向)的弧门存0～5．0m和7．7～17．0lI1连续开启过程中。各加速度响应进行了观测。库水位为3701TI时，不同测点应力变化幅度在5．8～20．0MPa，动应力响应均闸门开度下，弧门门体3个方向振动加速度均方根方根最大值为0．68MPa(12．9m开度附近区域)，值介于0．07～0．51rrds之问，振动加速度响应较小，最大幅值为1．68MPa。总体而言，闸门门体各测点弧门局部开启运行平稳。切向加速度响应相对较大，动应力曲线变化平缓，没有出现大幅跳跃和波动．实测下支臂中部J11测点最大均方根值为0．51rrds。动应力响应幅度相对弧门局部开启运行时略有增大，(弧门3．0In开度)，对应瞬时最大加速度为2．24Hl／但各测点动应力响应远小于钢材料允许应力的20％S。库水位在380m附近，弧门门体3个方向加速(32MPa)度响应较小。均方根值基本在0．6m／s。以内，实测 水力发电2014年10月下支臂中部切向J1l测点最大均方根值为0．55m／sMPa。总体而言，闸门门体各测点动应力曲线变化(弧门2．7In开度)，对应瞬时最大加速度为2．22平缓，没有出现明显的跳跃和波动，与弧门局部开s，与库水位3701TI附近运行丁况比较，弧门在相启运行相比动应力响应值无明显变化，门体动应力近开度运行时门体各测点振动加速度响应值没有明响应同样大大满足不大于允许应力20％(32MPa)显增大。的要求。(3)动位移响应特性。弧门动位移响应值是南(2)弧门连续开启加速度响应特性。上游水位加速度响应信号．经电荷放大二次积分后获得，动为370m，3号中孑L弧门开度在2．2～5．5m连续开启位移的测点布置与加速度测点布置完全相同。上游过程，弧门门体3个方向加速度响应均方根值均较水位370112附近．3号中孑L弧门在5个开度局部开小，基本都在0．6m／s。以内。其中弧门儿2测点(切启运行过程中，门体各测点振动位移均方根值均在向)振动加速度值相对较大，均方根最大值为0．6330m以下，实测的最大位移均方根值为27．0mm／s，瞬时加速度最大值为2．43m／s。总体而言，弧(弧门3．0m开度)，对应最大幅值为102．6Ixm．出门开度在2．2～5．5In开启过程中各测点振动加速度曲现存靠近弧门底部主横梁翼缘的切向J1测点。根据线比较平稳，与弧门局部开启运行相比加速度响应美国阿肯色河通航枢纽中心提出的振动位移均方根没有明显增大。值来划分水1二钢闸门振动强弱的标准，位移均方根5结语值为0～0．0508rnlil的振动可以忽略不计、位移均方根值在0．0508-0254illm之间的振动为微小．3号(1)库水位存370II1及380II1附近，中、表孑L中孑L工作弧门在库水位3701TI局部开启运行时的振弧门局部开启运行T况下，弧门各测点动应力响应动卜分微小。均远小于钢闸门20％允许应力(32MPa)。库水位380131附近。弧门存2个开度泄水过(2)库水位在370m及380m附近，巾、表孔程中，各测点振动位移均方根值也均存30txm以弧门的连续开启过程巾，弧门各测点廊力变化总体下，实测的最大位移均方根值为25．4Ixrn(弧门平缓．动应力响应也均满足不大于允许庸力20％3．0Ill开度)，对应最大幅值为183．2I．zm(弧门中(32MPa)的要求部主横梁的切向J4测点)。与库水位371．541TI比(3)根据美国阿肯色河通航枢纽中心提以振较．库水位在379．4m、弧门在3．0m开度附近运动位移均方根值来划分水钢闸门振动强弱的标准，行时，门体振动位移响应值没有明显变化，根据上认为库水位在370m及380m附近时，10号表孔T述有关水工钢闸门振动强弱的标准，3号中孔弧门作弧门在观测]7兄下的振动属于微小振动。在库水位380m附近局部开启运行时的振动也为微(4)根据有关水钢闸门振动强弱的标准，闸小量级门动位移为0～0．0508mm的振动可以忽略计。从不同弧门局部开启运行1二况下功率谱密度图综合考虑弧门的振动位移及应力响应，可以认为库来看，对振动位移能量贡献较大的振动频率主要集水位在370m及380m附近，3号中孑L作弧¨存中在3Hz以下的低频部分，弧门各测点动位移响应观测况下的振动十分微小(甚至可以忽略的主频小于1．5Hz，表明弧门局部开启泄洪亡况下．计)。门体振动位移响直呈明显的低频窄带的随机过程振(5)根据向家坝水电站380m蓄水位现场洲度实际运行情况，中孔弧门的运行范同拟控制存3．0Ill动特性4．2中孑L弧门连续开启过程中的振动特性开度以下上游水位存370ill附近．上游来流量在5000～参考文献：6000m3／s时，结合电站运行实际，对3号中孔弧门进行了2．2～5．5m开度过程的振动动应力及加速度[1]TASSOS．SpillwayGateVibrationonArkansasRiverI)amsJJJournaloftheHydraulicsDivision．1972，98(1)．响应观测的分析。f21吴一红，刘之平，谢省宗，等．1二峡深孔弧形I作闸门流激振动(1)弧门连续开启动应力响应特性。上游水位试验研究报告『R]．北京：中国水利水电科学研究院．2000．在370Ill附近，根据非平稳随机过程的分析方法进『3]吴一红，章晋雄，张文远，等．小浪底1号孔板洞高水位原型过行数据处理．．3号中孔弧门开度在2．2～5．5m连续开流试验报告——偏心铰弧门流激振动原型观测『R]北京：rtl同肩过程中，弧门闸室没有听见异常声响，各测点应水利水电科学研究院，2012．力变化范闹在2．2～25．9MPa之问，动应力响应均方f4]J．S．贝达特，等．随机数据分析方法fJ]．北京：困防fjI版礼，l976．根最大值为0．09MPa，动应力最大幅值为0．26(责任编辑焦雪梅)