浅谈红湖电站弧形钢闸门振动分析及启闭机械维护

傅润兴

（建瓯市红湖水电有限公司，福建 南平 353000）

红湖水电站位于福建省建瓯市徐墩镇村尾村附近的建溪支流南浦溪上，是一个以发电为主，兼有灌溉、航运等综合效益的水电站。坝址以上流域面积4012km2，多年平均流量128m3/s，多年平均年径流量40.4亿m3。水库正常蓄水位119m，校核洪水位125.93m，总库容2200万m3,为日调节水库。电站装机容量16MW，保证出力2.14MW，年利用小时3560h,多年平均发电量0.5695亿KW.h，红湖水电站工程枢纽主要由溢流坝、发电厂房、两岸挡水坝等组成。泄洪闸为6扇弧形闸门组成。工程等级为Ⅲ等工程，溢流坝、发电厂房、两岸挡水坝等主要建筑按3级建筑物设计。挡水坝、溢流坝、厂房等防洪重新批复降为50年一遇洪水设计，200年一遇洪水校核；厂房下游侧防洪标准按50年一遇洪水设计，200年一遇洪水校核。

1 概述

对于水利工程项目而言，弧形钢闸门起到了枢纽作用，所以弧形钢闸门的安全性是极其重要的，所以广大学者们对于弧形钢闸门振动问题一直较为重视。闸门具有非常多的种类，而弧形钢闸门因为其在启闭的过程当中不会对于水流的流态产生较大影响，所以过水条件也比较好，因此在我们国家的各水电工程项目当中，对于钢闸门的应用也是越来越广泛。闸门在开启的过程中，因为受到水流脉动压力作用影响而产生振动，如果振动较为剧烈，甚至会对建筑物产生破坏。而导致闸门出现振动的原因也是较为多样化的，主要受到内部因素以及外部因素的共同作用影响，例如闸门的结构刚度、自振频率还有脉动水流作用等因素的影响。而当前在研究闸门其动力特性的过程中，所采用的主要方法有模型试验法、原型观测、数值模拟以及模型试验结合数值模拟法。在上述方法中，原型观测只能用于已建闸门的研究。而模型试验方法不仅需要的时间长、成本高，而且所得的试验结果也不是很准确。如果采用数值模拟法来模拟水流作用所导致的闸门振动流固耦合现象，但是由于这一方法的要求较高，利用当前的技术条件是很难满足要求的。模型试验结合数值模拟的方法，是通过把模型试验所得的数据转化成施加到闸门数值模型节点上的荷载，然后来对闸门振动情况进行响应，如此一来，不但能够有效节约时间，还能够提升模拟结果的准确性。

2 弧形钢闸门振动分析

2.1 结构固有特性

对于钢闸门的振动而言，通过优化结构其各转动部位和支臂之间的摩擦性能、弧形钢闸门的质量、上下游水位差和水动力荷载以及支臂结构的刚度等都能够起到消除振动的目的。红湖电站的弧形闸门由于运行时间长，保养不到位，铰支座于支腿连接杆锈死，运行时造成两边支臂负荷不一致，发出异响和振动。因此在进行现场巡检的时候，主要的观测内容有启闭力、频率、静动力应力、振动幅度、阻尼系数、位移等等，而这些内容主要受到结构形式、闸门材料还有结构的连接影响。对于弧形钢闸门而言，其发生振动的频率和支臂其结构形式有着非常大的关系，通过进行动力模态分析，结果显示，低阶振动频率的变化主要受到支臂横向惯性矩的影响，基频也可以绕过流动荷载高能共振响应；在进行弧形闸门面板的结合前，需要对闸门结构低阶频率进行横向控制，已实现振动效应的控制。

2.2 工作状态分析

红湖电站3#、4#、5#弧形钢闸门在坝前水头达到119.0m以上的时候，闸门开启比较困难，开度到达70%左右振动最大，此时闸门就会出现剧烈的振动，情况严重甚至会出现共振或者失稳的现象。当闸门出现共振时，振幅剧烈，在门叶结构当中会出现不正常应力及应变，导致闸门金属构建疲劳、变形、焊缝开裂、紧固件松动，导致闸门结构受到破坏。经分析弧形振动过程中，其复杂程度和工作状态有着非常紧密的联系，通过观察发现，闸门在进行开启的时候所产生的振动要强于关闭过程。在动力条件下进行测试闸门在开启和关闭还有局部开启过程中的工作性态，其中所涉及的相关参数主要有阻尼比、固有频率还有结构振型。在采用有限元动力分析时发现，如果弧形闸门自振频率小于三阶，那么所得的模拟效果则比较优，但是当自振频率高于三阶时，那么所得的模拟结果和实际情况之间就会存在较大的差距，没有办法有效反映振动的规律。通过分析现场检测资料结果显示，当开启弧形钢闸门时，当并开度处于60%～80%之间时所产生的振动最为强烈，此时支臂侧向所承受的弯矩作用力也最大。所以，在实际工作当中，要尽量缩减钢闸门在60%～80%开度范围的工作时长。

2.3 水动力问题

红湖水电站上游大约5km处为黄塘甲电站，由于两电站距离较近，黄塘甲电站泄洪或者较大负荷变化的水流很快就会反映到红湖电站上游闸门处，当前，主要研究以复杂边界条件与流固耦合相结合进行弧形钢闸门振动问题的研究分析。水流场随机荷载是引起弧形闸门振动或导致其共振的重要因素。弧形钢闸门在水流场振动时，流体的弹性力、惯性力与阻尼力通过相互影响单元作用至结构上，使得弧形钢闸门系统的刚度、强度、振动性质发生变化。根据现场监测资料分析发现，红湖水电站弧形钢闸门在日常运行中开启高度、过闸水位、闸顶流态影响其振动振幅、振动频率、位移、方向、加速度等参量变化规律。

流态稳定时，脉动压力约为总体水头的3%；若存在空穴、气囊及水跃回荡等不稳定流态时，脉动压力将呈现更为复杂的演化规律，此时水动力荷载比稳定流在量级上将出现显著差异，所产生的巨大激振力作用于弧形闸门，诱发了结构强烈的振动效应。如何能有效降低或消除水流激励力与脉动高能区对闸门启闭影响是一项闸门结构设计需要考虑的重要内容。

3 闸门机械营运管理

3.1 设备优缺点分析

当前在弧形钢闸门的启闭过程中，所采用的机械主要有两种，分别是液压式和卷扬式，卷扬式闸门在处于全关或者是全开的状态下，是没有办法进行智能化操作的，而液压式则是固定在闸门门槽结构当中，能够按照实际情况来实现智能调节。

3.2 设备系统管理

（1）日常维护。应按照河道的实际运营现状，在进行维护检修的过程中，应当注意是否有漂浮物将闸门前后的空隙给堵塞，在闸门还有闸墩的表面是否存在着吸附物、腐蚀破坏物质还有藻类等。所以在日常维护过程中，需要加强对于制动设备、开关、启闭空间还有供电设备的维护。（2）定期核查与维修。对于启闭机械，闸门的传动装置、启闭机还有工作空间的工作状态是否正常是非常重要的。查看闸门其齿轮变速器是否存在裂缝或者断齿等情况，还有卷扬机钢丝绳是否存在着生锈、断丝、老化以及干燥少油的情况，如果存在上述问题，就需要及时进行维修或者是更换，以避免出现突发情况而对于闸门的启闭产生影响。所以，必须加强对于弧形钢闸门的定期维修检查。（3）除锈与防腐。弧形钢闸门其外部面板因为长时间裸露在外部，所以闸门往往会存在着腐蚀掉漆的情况，而如果钢闸门其重要位置出现锈蚀掉漆情况，可能会对闸门的工作性能产生影响。所以，在实际运行过程中，需要依据河道水位的变化情况来定制相应的闸门除锈计划。（4）反馈与优化。在进行弧形钢闸门的设计过程当中，难免会出现摩擦，通过利用现有结构来实现优化设计，能够有效调节闸门的工作状态。为了更好的制造出弧形钢闸门，在日常运维中，应当收集整理闸门启闭信息并和制造企业加强沟通反馈。

4 结语

对于弧形钢闸门而言，闸前水流特性、环境边界条件还有结构自身形式这些方面都会对其振动特性产生一定影响。而闸门相对水深、开启角度还有结构形式在一定程度上对于振动加速度、自振频率、振动位移还有基频都会产生影响，而所产生的影响规律则需要利用现场检测资料还有数值模拟计算来进行分析。