清江隔河岩大坝表孔深孔闸门及坝体泄洪振动与控制研究

清江隔河岩大坝表孔深孔闸门及坝体泄洪振动与控制研究 清江隔河岩大坝表孔深孔闸门及坝体泄洪 振动与控制研究 第25卷第2期 2008年4月 长江科学院院报 JournalofYangtzeRiverScientificResearchInstitute Vo1.25No.2 Apr.2008 文章编号:1001—5485(2008)02—0072—04 清江隔河岩大坝表孔深孔闸门及 坝体泄洪振动与控制研究 张晓平.张林让,李声平 (长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室,武汉430010) 摘要:通过原型观测试验获得了清江隔河岩大坝表孔,深孔闸『J及坝体泄洪的实测数据.测试成果表明:在稳态工 况下,表孔,深孔闸门运行平稳,大坝主体的振动很小表孔闸门在3.3,7.0m开度时,出现了250S左右的拍振现 象,但不会影响表~LIm]门的运行安全深孔闸?住03,6.0m开度时,山于深孔闸门侧止水严重漏水,出现了强烈 振动,应当引起足够重视. 关键词:隔河岩大坝;表孔闸门;深孔闸门;大坝主体;原型观测 中图分类号:TV663.2文献标识码:A 1工程概况 隔河岩重力拱坝高151m,坝顶高程206m,在 11#至18#溢流坝段设置了7个溢流表孔和4个深 孔弧形闸门.溢流表孔是隔河岩枢纽的主要泄洪建 筑物,不仅单宽流量大,而且在防洪调度中运用 频繁,为确保闸门的安全运行,了解闸门自身的动力 特性及运行过程中的振动状态是十分重要的,在泄 洪中对高速水流等诱发的闸门振动状态予以检测很 有必要.本次原型观测是对表孔,深孔(4闸门)以 及大坝进行了泄洪振动观测,观测库水位198.84, 199.44m,闸门泄洪流最2340,3440m0.观测 的主要内容包括:对不同工况进行泄洪振动观测;检 测表孔,深孔及大坝主体的振动参数;并对闸门和大 坝主体的动力安全性进行评价. 2观测部位与内容 2.1表孔深孔闸门观测部位与内容 隔河岩大坝表孔闸门为正向弧形门,闸门底坎高 程180.94m,顶高程201.00m:闸门尺寸20875ITIITI ×12000ITIH1.其孔口采用露顶式(20.206m× 12.000m),为三主梁斜支臂弧形门:弧门铰心高程 190m,面板曲半径24m,设计水位200m,设计水头 19.706m.本次观测在4#表孔闸门上布置有5支加 速度测点,其中3支加速度计布置在闸门页主梁上, 用于检测闸门切向(A1),径向(A2)和侧向(A3)的振 动加速度;另外2支加速度计布置在支臂中部,用以 检测支臂切向(A)和侧面向(A5)的振动加速度.表 孔闸门观测了以下工况:I闸门从全关到全开过程;1I 12.0m关到8.0m过程;?从8.0m:~fJ5.0m过程;IV 从5.0m~lJ1.5m过程;V全开稳态过程;VI8.0m开 度稳态过程;?5.0m开度稳态过程. 深孔闸门为正向 弧形门,闸门底坎高 程130m,闸门顶高 程137m,闸门尺寸 为8365mm×4500 mm.由于深孔闸门 侧止水漏水严重,周 围环境恶劣,闸门门 页上的加速度计无法 安装,只在支臂中部切 向(A1)和侧向(A2)测 点上安装了2支加速 度计,用以检测支臂的 振动加速度.深孔闸 门观测了以下工况:I 闸门从全关到全开过 程;11闸门从全开到全 关过程;?7.44m开 度稳态过程;?闸门从 图1深孔闸门振动测点l布置图 Fig.1Measuringpoints arrangementofvibrationfor 置图 Fig.2Measuringpoints arrangementofvibrationfor thetopopeninggate 7.44mN全关过程.表孔与深孔闸门振动测点布 置见图I和图2. 收稿日期:2007—08—15 作者简介:张晓平(1955一),男,湖北武汉人,高级工程师,主要从事工程结构振动与 抗震研究,(电话)027—63298337(电子信箱)dmzxp@ sina.COrI1 第2期张晓平等清江隔河岩大坝表孔深孔闸门及坝体泄洪振动与控制研究73 2.2大坝主体观测部位与内容 在大坝206m高程(坝顶),I69m高程及145 m高程上选择部分坝段进行了振动位移和振动速度 观测.取13#,14#,15#,16及17#坝段作为观测 坝段,在各坝段尾部径向,轴向与垂直向各布置了3 支速度计和位移计,进行振动速度和振动位移观测. 表孔闸门在I,?,?,?工况下,对上述坝段206m 高程(坝顶),I69m高程及145m高程上选择部分 坝段进行了振动位移和振动速度观测. , 31Hz.面板的优势频率为35,38Hz,比支臂高 一 些.相比之下,面板框架比支臂的侧向和切向的 刚度大.面板框架径向刚度远小于支臂的径向刚 度,因此,面板框架径向振动时,支臂的径向变形远 小于面板变形,特别是当面板框架的振动频率与支 臂的振动频率一致时,支臂的侧向和切向振幅可能 比面板还大.不论是共振或自激振动,都是在支臂 的自振频率上被激励,闸门振动的危害程度取决于 振幅与频率的综合效应. 3深孔闸门动力特性测试4观测成果及分析 3.1深孔闸门自振频率测试原理 如果2个加速度计的时域为(t)和v (,),则在互功率谱函数中,并非各频率都是有效的, 关键是看所计算的频段内加速度波形从加速度计 Al(固定点)向A2(工作点)传播时是否有良好的相 关陛,也就是说该频段的质量好坏.为此定义相关 函数(.(_,')=署,其中2l(-厂)为(f)和 (t)的互功率谱,Sll(f),S22(_厂)分别为o27(f)和(t) 的自功率谱.如果在传播过程中系统是理想的,则 该频段内C(厂')实部的绝对值应接近1.0.否则,由 于干扰和系统的非线性会使信号的质量降低,C(厂) 值下降.试验时,对每次测量加速度计A.与A,的 响应信号进行相位谱,互功率谱和相关函数分析,来 识别闸门面板和支臂的自振频率.当C(f)值在0.9 以上时予以保存,否则,重新测试.试验一个测点取 5组数据. 3,2深孔闸门自振频率测试成果及分析 闸门的门体由启闭液压吊杆吊起,可看作弹性 支撑,而闸门支臂在牛腿处为铰支撑.闸门面板两 侧止水与闸墙接触.试验成果中单靠固定点和工作 点的加速度响应信号,很难描述闸门和支臂的振型, 尽管如此,自振频率的识别仍是十分清楚的,是可以 信赖的.测试结果见表1…1. 表1深孔闸门门叶与支臂振动自振频率 Tbale1Self-frequenciesofthegateleafandsupporting armforthebottomoutletgateHz 支臂是支撑门体的主要构件,其优势频率为29 4.1深孔闸门观测成果及分析 深孔闸门随着闸门开度与作用水头的变化,水 流激起的闸门振动随开度不同而有差别.鉴于这种 情况,将启门过程分成5个阶段.不同开度时深孔 闸门振动加速度测试值见表2. 表2深孔闸门不同开度下振动瞬时加速度最大值 Table2Maximumvaluesoftransientaccelerationinvibrating ofthebottomoutletgateunderdifferentopeningsm/s2 从表2中可以清楚地了解闸门的振动规律:? 当闸门开度在0.3,4.0m时,支臂侧向和切向均出 现了剧烈振动,加速度最大值分别为50.41m/s和 62.44m/s,支臂侧向在整个启门过程中维持强振. ?当闸门开度大于4.0mU~,支臂切向振动迅速减 弱,支臂切向振动频率在5.68Hz时能量最小,属低 频振动,在118.36,167.58Hz之间能量最大(见图 3),属高频振动;支臂侧向出现了65.63Hz的振动, 也出现了129.68Hz和135.55Hz的局部高频振动, 单踩领域舟精 :'!……o B62S呻6775趣—舵一9功率谙 b937r-~l6.9酗—舵一7 日5日s9t69叼E—舵-日 5l117lg5273t49984R~搬—-一3SF-z 日6613874E-81___一2^f,39日63,l 3M3B92l33,一5 I2B9嘶7t3l3E一舵一6 3l21.9t9—舵I_一4 抽i盯570393"r5e19736E—B1?--一1 R-l酊3雠一日i 5gTl3,-帅 }A/一 f 图3支臂切向全关到全开加速度功率谱图 Fig.3Powerspectrumofaccelerationofthesupporting armintheshearingdirectionfromfullclosetofullopening 74长江科学阮院报2oo8年 其能量较大(见图4).?当闸门从7.44m到全关过 程中,闸门也产生了较强烈振动,支臂切向最大加速 度幅值为33.92m/s2,主振频率在29.78,83.49Hz 之间.主振频率大多表现为闸门自振频率,表明闸 门多阶自振频率参与了振动: 图4支臂侧向全关到全开加速度功率谱图 Fig.4Powerspectrumofaccelerationofthesupporting-arm inthelateraldirectionfromfullclosetofullopening 深孔闸门开启过程中的振动问题是十分复杂 的.当某种水流条件形成时,水流动荷载冲击闸门, 又有闸门侧止水严重漏水形成射流的高频脉动,使 闸门产生了强烈振动.表3是历年原型观测的实测 数据,在相同工况下,全开到全关时深孔闸门振动特 征值见表3. 表3深孔闸门全开剑全关时振动特征值 Table3Vibratingeigenvaluesofthebottomoutletgate fromfullclosetofullopening 从表3可知,深孔闸振动危害程度有加重的 趋势,应当引起足够的重视.2002年实测支臂切向 和支臂侧向位移均方根值是1998年实测结果的1.6 和1.8倍_2I3J,2002年实测支臂切向和支臂侧向加速 度瞬时最大值是1998年实测结果的3.0和10.0 倍lI3J.由此可知,闸门侧边缝隙越大,闸门振动也 越大,反之振动响应减少.如果安装止水,减弱缝隙 射流,可以减小闸门的振动位移.因此要减少有害 振动,其补救措施有:更新侧止水,防止侧缝射流引 起闸门振动;避免长时间在0.3,4m开度启闭闸 门,合理进行调度,减少闸门的有害振动. 4.2表孔闸门观测成果及分析 表孑L闸门启门的5个阶段加速度测试结果见表 4.由表4可知,实测的加速度幅值在4.585, l2.52mE之问,振动位移幅值在0.091,0.3521TIITI 表4表孔闸门不同开度时振动瞬时加速度最大值 "ISble4MaximLlmvaluesoftransientaccelerationinvibration ofthetopopeninggateunderdifferentopeningsm詹 之间.闸门在0.6--2.4m开度时,在门叶径向出现了 较大振动;当开度大于4.2m时,闸门振动较弱;闸门 从全关到全开的过程中,提升到3.3,7.0m开度时, 门前产生1.0,2.0m大的漩涡,并伴有前后伸缩现 象,使门页支臂左右摆振,发生拍振现象(见图5),持 续时间约为250s左右,其中门叶径向和支臂侧向振 动最大,最大幅值分别为0.2871Tim和0.352mlTl,主振 频率分别为33.98|{Z和67.97|{Z(见图6).若闸门长 期处于此状态运行,将造成其疲劳破坏. 多蹿时域分析 474 图5开门过程中表孔闸门的时域波形图 Fig.5Wavefomlintime-domainofthetopopeninggate duringopeninggate 单蹿频域分析 If'?,^f'?,R0^m???:C.'J2 1167瑚16瑚9.5gg21E-啦一4 233朔,B17.18/'5122g~E,.1lO--—一1螺值滑(tmak! 3矸.967s33g时'3,2149~—-e1--一2 4181g53l333.98441B1哪t—t1-一3 513~5S46B8拍59弼B19?证一日2-5 Lf-3.m 帅:5 Ht柑1 I,岫 R-8.19Im RVR:3嘴 ,L18:21:S612- 27蕊 囹6表孔闸门3.3-7.0Yn开度时支臂侧向幅值谱图 Fig.6Amplitude-valuestXectrumofthesupportingalTninthelateral directionofthetopopeninggatefr?3.3In一7.0Ininopening 第2期张晓平等清江隔河岩大坝表孔深孔闸门及坝体泄洪振动与控制研究75 4.3大坝主体观测成果及分析 4.3.1幅值特性 当表孔闸门从全开到全关(12.0,8.0m过程), 大坝206m高程观测部位的振动位移和速度均大于 169m高程观测部位的振动位移和速度,其中径向位 移,速度值最大,位移最大为35.64uin,速度最大为 0.766mm/s,均出现在13#坝段坝顶,坝体振动幅值 是径向大于轴向,轴向大于垂向. 4.3.2频率特性 从谱分析可知,坝体振动位移响应的频率特性主 要表现为径向和轴向.坝体(包括溢流闸墩)上部振 动位移的频率主要为0.39,1.02,2.25Hz,下部振动 位移的频率主要为2.25,2.28,3.71Hz;在垂直向,坝 体下部的主振频率略高于上部主振频率,这实际上反 映了上部溢流闸墩和下部拱坝各自的结构特点.在 169m和145m高程测点上,坝体还出现了11.08, 12.89等径向与垂直向较大位移分量,这主要是因 为169m和145m高程测点分别距表孔与深孔闸门 较近,闸门的振动引起坝体的强迫振动所导致的. 4.4闸门振动安全评估 目前没有相应的或评判来评估闸门振 动危害程度,但德国K.Petrikat提出闸门振动危害 取决于振幅和频率综合效应的判别标准L4』(以下称 标准一)和美国陆军工程师团为阿肯色河弧形闸门 振动制定了构件的平均位移来划分的危害标准L4j (以下称标准二). 隔河岩表孔闸门在0,4m开度泄洪时,支臂中 部点侧向的振动优势频率为28.5}{z,位移为 0.352mm,按标准一衡量,已超出安全临界振幅,但 按标准二衡量,属于中等振动危害程度. 隔河岩深孔闸门在0,1.7m开度泄洪时,支臂 出现了强烈振动,支臂切向优势频率为118.36Hz,位 移为0.469mm,按标准一衡量,已超出安全临界振 幅,但按标准二衡量,属于接近严重振动危害程度. 鉴于此,并借鉴国内类似水电站放空洞弧形工 作闸门[5]避免小开度运行工况经验,建议隔河岩大 坝深孔闸门应尽量避免在小开度工况下运行. 5结论与建议 (1)深孔闸门从全开到全关时,在0.3,4.0m 开度下,闸门产生了强烈振动,振动接近严重危害程 度L4J,应尽量避免长期该状态运行. (2)比较1998年和2002年的观测数据[2,3]可 以发现,深孔闸门的振动有加重趋势,应当引起重 视.建议安装完好的止水消除侧止水严重漏水现 象,可以减少闸门的振动位移将有利于闸门安全运 行,以免发生疲劳破坏. (3)表孔闸门从全关到全开时,观测结果表明: 表孔闸门的振动属于中等危害程度L4j.它在3.3, 7.0m开度时,发生了拍振现象,不利于闸门的安全 运行.因此应避免长期在这种局部开度运行. (4)坝体振动位移,速度值较小,此量级不会对 大坝安全造成威胁. 参考文献: [1]张晓平.清江隔河岩水利枢纽深孔弧形闸门自振频率 测试报告[R].武汉:长江科学院,1995. [2]张晓平,张林让.清江隔河岩水利枢纽表孔与深孔弧 形闸门原型振动观测报告[R].武汉:长江科学院, 1999. [3]张晓平,张林让.2002年清江隔河岩水利枢纽表孔深 孔闸门及坝体泄洪振动原型观测报告[R].武汉:长 江科学院,2003. [4]谢省宗,李进琴,林勤华.泄水建筑物振动破坏及其防 治[J].泄水工程与高速水流,1995,(2):1—21. [5]严根华,阎诗武,樊宝康,等.高水头大尺寸闸门流激振 动原型观测研究[J].水利发电,2001,(4):65,75. (编辑:周晓雁) ResearchonFlow—inducedVibrationandItsControlofTop OpeningGateandBottomOutletGateforGeheyanDam ZHANGXiao-pin.ZHANGLin—rang.LISheng—pin (YangtzeRiverScientificResearchInstitute,Wuhan430010,China) Act:[Xtringn)dreleasingfromOeheyanDamtheflow-inducedvibrationsofthetopopening gateandthebottom outletgateinthedamweremeasured.1eresultsshowedthatthetwogatesworkedinperfectord er.thevibrationofthe damwasverysmal1.From3.3mto7.0mopeningabeatvibrationoccurredinthetopopeningga te,butitwasn't harmfultothegate.From0.3mto6.0mopeningseverevibrationsappearedinthebottomoutlet gatecausedbywater ejectingfrombothsidesofthegate.Thesidewater-tightsealsshouldberenewed. Keys:GeheyanDam;topopeninggate;bottomoutletgate,prototypeobservation