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蜀河水电站水电机组防水钢盖板流激振动安全评价研究

文档作者：席秋义张双平徐建光周智民文档来源： 1．国网陕西省电力公司电力科学研究院 2．陕西汉江投资开发有限公司蜀河水力发电厂		点击数：	更新时间： 2021年06月07日
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第4O卷第3期
2014年3月 水力发电
蜀河水电站水电机组防水钢盖板
流激振动安全评价研究
席秋义 ，张双平 ，徐建光 ，周智民
(1．国网陕西省电力公司电力科学研究院，陕西西安710054；
2．陕西汉江投资开发有限公司蜀河水力发电厂，陕西旬阳725721)
摘要：蜀河水电站机组防水钢盖板在表孔过流时受到水流冲激，在动水压力作用下产生振动。以蜀河水电站1号
机组防水钢盖板为研究对象，采用现场检测试验和有限元理论计算两种方法识别了钢盖板的自振频率，对是否发生
危害较大的共振做出了评价；此外，还对钢盖板在表孔泄洪闸门启闭过程的振动动力响应进行了检测分析，对容易
破坏的部位进行了识别。并指出了防水钢盖板将来的安全评价重点。
关键词：防水钢盖板；共振；模态；有限元；蜀河水电站
Research Oil Safety Evaluation of W aterproof Steel Gate Vibration Caused by Surface
Hole Flow Discharge in Shuhe Hydropower Station
XI Qiuyi ，ZHANG Shuangping ，XU jianguang ，ZHOU Zhimin
(1．State Grid Shaanxi Electric Power Research Institute，Xi"an 710054,Shaanxi，China；
2．State Grid Shuhe Hydropower Plant,Shaanxi Hanjiang River Investment Ltd．，Xunyang 725721，Shaanxi，China)
Abstract：The waterproof steel gates in Shuhe Hydropower Station which flow through surface hole will emerge vibration when the
flood is discharged through surface holes．Taking the waterproof steel gate of No．1 bulb unit as study case，the free vibration
frequency of waterproof steel gate is recognized through two methods of on-site measurement and finite element calculation,and
the possibility of gate resonance is evaluated．The dynamic responses of waterproof steel gate during the opening and closing of
surface hole sluice gates are also measured，and the fragile zones are identified．The future safety evaluation keys of waterproof
steel gates are finally proposed．
Key W ords：waterproof steel gate；resonance；modal；finite element；Shuhe Hydr0Power Station
中圈分类号：TV735 文献标识码l：A ． 0 文章编号：0559-9342(20l4)O3—∞ 5 o4
1 工程概况
蜀河水电站位于陕西省旬阳县境内的汉江上游
干流上，坝址在旬阳县蜀河镇上游约1 km 处．距旬
阳县城5l km． 距上游已建的安康水电站约120
km，距下游已建的丹江口水电约200 km， 是汉江上
游梯级开发规划中的第6个梯级电站。蜀河水电站
首台机组于2009年12月29 日投产发电。2010年
10月】8日最后一台机组投产发电。工程的主要任
务是发电，并兼顾航运等。工程规模为二等大(2)
型，按百年一遇洪水设计，千年一遇洪水校核，相
应洪峰流量分别为30 000 m3／s和38 100 m ／s。坝址
处多年平均流量732 mS／s。正常蓄水位217．30 m，
相应水库库容1．76亿in 。蜀河电站布置有6台贯流
式机组，单机容量45 MW ，装机容量270 MW ，保
证出力57．4 Mw ，设计年平均发电量9．53亿kW ·h，
年利用小时3 530 h。枢纽建筑物从右至左由右副
坝、垂直升船机坝段、泄洪闸、电站厂房坝段(泄
洪表孔)、安装问及左副坝等组成。引水发电系统6
台机共设置6条引水道，每条引水道由进口开始向
下游分别设置一道拦污栅， 一道进口检修闸门、一
道出口事故检修闸门及两扇防水钢闸门。厂房段溢
收稿日期：2013—08—06
作者简介：席秋义(1978一)，男，山西万荣人，高级工程师
博士．工作及研究方向为水利水电工程．
Water Power Vo1．40 No．3 固
流面顶部设置防水钢闸门(又称密封钢盖板／防水
钢盖板， 本文统一为防水钢盖板)， 共6孔， 每孑L
设8 mx7 1TI和11 rex6 m 的闸门各1扇，用于机组
的安装和检修。为保证贯流机组运行安全，要求该
密封钢闸门具有较好的止水性能。为此， 每块钢盖
板设了2道止水， 第一道止水用于封闭防水钢盖板
同过流面之间的间隙， 防止泥沙进入和气蚀破坏。
第二道止水置于防水钢盖板底周框上， 用于封水。
水封的压缩依靠防水钢盖板白重和压紧螺栓。在防
水钢盖板第二道封水面设置挡水坎和排水管，用于
排出封水面后的渗漏水。防水钢盖板按校核洪水位
设计，设计水头按水力模型试验结论确定为26．8 in。
防水钢盖板在无水状态下启闭， 采用1 600 kN厂
房桥机操作。
蜀河水电站坝址处河谷峡窄， 电站水头较低且
汛期洪水量大， 灯泡贯流式机组及厂内过流设计是
综合论证了土建工程量、发电及泄洪等指标权衡后
的结果，这种布置型式在国内外很少见。防水钢盖
板不同于挡水闸门．它承担着表孔过流洪水的直接
冲激作用，密封性能好坏至关重要，关系着水电机
组的正常运行． 对于这类钢盖板的流激振动安全评
价研究目前尚没有看到， 本文通过现场检测试验及
有限元理论模拟计算手段。研究了蜀河水电站防水
钢盖板的流激振动评价方法， 以期为该电站安全稳
定运行提供技术支撑。
2 蜀河水电站厂表孔运行方式
蜀河水电站最初设计时， 规定厂房表孔的开启
泄洪运行原则是在入库流量小于5 000 H1 ／s时，厂
房泄洪表孔不泄洪． 机组运行发电： 当入库流量大
于5 000 m3／s时，表孔泄洪， 机组不发电。后设计
院又根据厂顶溢流、停机标准的模型试验结果， 调
整为入库流量大于8 000 m3／s时， 机组停机， 厂表
孑L开启。即当入库流量大于8 000 IYI3／S时， 开启的
表孔底板和防水钢盖板要承受过流动水压力作用，
其他时段受静水压力、泥沙压力或不受外力作用。
3 防水钢盖板动态特性参数识别
防水钢盖板结构的自振频率、主振型及阻尼等
参数， 统称为防水钢盖板结构的动态特性参数。动
态特性参数是防水钢盖板动力分析的重要内容之一．
尤其是防水钢盖板的自振频率， 它是防水钢盖板产
生共振的条件之一， 要防止防水钢盖板出现共振，
消除防水钢盖板的振动， 首先要知道其自振频率
防水钢盖板的自振频率是防水钢盖板动态特性中的
重要数量指标， 它只与防水钢盖板结构的质量(惯
圈Water,~ower Voz．40 No．3
性)和刚度(复原性)有关，与外界的干扰因素无
关。
本文采用两种方法研究防水钢盖板振动问题：
一种是用试验的方法求得防水钢盖板自由振动的动
态特性参数(模态参数)一自由振动频率(固有频
率)、主振型和阻尼， 以及防水钢盖板强迫振动响应
的动应力、振动加速度和振动位移，从而确定防水
钢盖板的共振条件、阻尼对振动响应的影响、防水
钢盖板的减振、防振措施， 以及判断防水钢盖板的
强度、刚度及稳定性是否满足要求等；另一种方法
是用有限元方法对盖板进行动力分析，用理论计算
结果来指导防水钢盖板的检测试验和校核测试试验
的结果
3．1 动态特性参数检测试验
3．1．1 检测方法
蜀河水电站防水钢盖板动态参数检测采用锤击
激振法⋯。该法是通过一种脉冲锤敲击防水钢盖板的
某一部位(主振动节点以外)，从而获得一个能量足
够宽频率范围的冲击波。在冲击波的激励下。与盖
板的固有频率相同或接近的冲击波响应信号就被凸
显放大出来．而与防水钢盖板固有频率不同或相差
较大的冲击波响应信号就被掩盖了， 所以防水钢盖
板对冲击波的响应曲线的主频率便是盖板的一系列
固有频率。要获得防水钢盖板的系统固有频率，还
必须将防水钢盖板对冲击波的响应信号进行频谱分
析。
3．1．2 防水钢盖板固有频率识别
定常线性体系的频响函数H Of)与其功率谱密
度G (1厂)、G，(f)~-HG ( )之间的关系为：
I ∽ l 2= Gv(f) (1)
∽ ： =
： (f)： ： l (3)
．
㈩ ’
式中，G (f)、G (厂)分别为输入x(t)及输出y (￡)的
自功率谱；Gxv( )为输入 ( )及输出l， (t)的互功率
谱。在式(2)中还包含相位差因子(相位角) (Jf)；
T x( )为输入 ( )及输出Y ( )的相干(凝聚)函数。
敲击法测试防水钢盖板的模态参数时．如输入
信号不易测量，且可假定输入 (t)为一定范围(如
低频区)内的白噪声， 则可通过频谱分析， 得到各
测点输出的自谱G (f)、互谱幅频GY Yj(f)图， 互谱
相位角0 (f)图和相干(凝聚)函数 (f)图。然后，
J币1 ，X．，=云f： uJ／J＼ 巳如，J＼ 巳1=J b纠 ／J＼t 面丘仂“丌L舫 搬￡ (王 TJl’田T
根据式(1)、(2)和(3)由输出自谱G (厂)图来确定防
水钢盖板的固有频 及主振型的相对位A 的相对
大小， 由相干函数y ( )和互谱相位角 (／)图来确
定 的方向用互谱幅频图G (厂)来校核，便得到其
各阶模态参 、A 。及 亦可用各测点输出的互
谱图Gvr( )来识别， 然后用其输出自谱图G (厂)来
验证防水钢盖板的各阶模态参 、A 及 。
3．1．3 自振频率检测结果
试验选取了蜀河水电站1号水轮机防水钢盖板
进行固有频率识别。数据采集设备采用StrainBook／
616 (扩展WBK18模块)动态信号采集系统；拾振
加速度传感器由美国PCB公司生产， 可通过磁座直
接吸附在待测点上。
在1号水轮机防水钢盖板共布置了7个振动
测点， 测点主要分布于各梁的中间与上下游对称
部位。实际测试时， 水轮机盖板上有下游回水，
因此． 测试条件为有阻尼情况下防水钢盖板的自
振频率。
锤击测试完成后， 首先对输出信号进行互谱
图识别， 再利用输出自谱图来验证该结构带静水
压阻尼时该结构的固有频率。分析时截取时域图
中锤击响应的峰值段(截取长度取512)，对其进
行Wehh谱分析， 窗函数采用hamming窗， 窗长
度取128，Welth各分段长度重叠率取50个样本
点．FFT变换长度与截取样本同长。频谱识别结
果见表1。
表1 蜀河电厂1号机组水轮机防水钢盖板的固有频率(试验)
振动测点 固有频率／Hz
3．2 防水钢盖板ANSYS有限元模态分析
根据工程振动理论， 建立防水钢盖板的振动
微分方程可用牛顿第二定律、拉格朗日动力方程、
惯性方程(动静法)等方法。对防水钢盖板来说，
最简便的方法是惯性力法。即应用达朗伯尔原理，
将防水钢盖板各部分的惯性力假想地加在盖板上，
按静力平衡的方法来建立振动微分方程。如果假
定防水钢盖板为一有限个自由度(n个自由度)
的体系， 盖板的i点在某一瞬时的振动位移为
(t)， 则根据上述方法建立防水钢盖板的振动微分
方程为：
[ { }+[C]( ( ))+[K】{ ( ))={P(f)} (4)
式中，[MI、[C]、 ]分别为闸门结构的质量矩阵、
阻尼矩阵和刚度矩阵， 它们均是n阶矩阵；{X(￡)}、
{ (t)}、{(X) )及{P( ))分别为盖板n阶的位移向量
(向量)、速度向量(列阵)、加速度向量(列阵)及
干扰力(动力荷载) 向量(列阵)，它们都是时间t
的函数。在线性问题中，质量矩阵、阻尼矩阵和刚
度矩阵中的元素都是常数。
个自由度的盖板结构体系对应有n个自振频率
，0=1，2，⋯ ，凡)。对于多自由度体系来说，求解
就要归结到求解体系的广义特征值问题， 即求解特
征矩阵方程，其特征矩阵方程为：
2 f』
( 卜 1) } =0 (5)
式中，若令A，= ： ，A，称为结构吻阶特征值； } 为
阶自振频率对应的主振型列阵，称为特征向量；
嗍、 】分别为质量矩阵和冈0度矩阵。
求解防水钢盖板结构的动态特性参数问题就
是求解其特征矩阵方程问题，特征矩阵方程是关于
特征值A = ： 的一元几次代数方程， 由此可以解出
防水钢盖板结构的n个自振频率和相应的主振型相
对值。
本文采用ANSYS软件对1号水轮机盖板进行建
模．模型单元全部为六面体单元，单元总数38 112
个． 节点总数74 394个。对盖板四周 、l，和Z方
向位移进行约束， 弹性模量206 GPa， 泊松比0．2，
密度7 850 kg／m 。经过模拟计算，水轮机防水钢盖
板前10阶自振频率如表2所示。限于篇幅，仅列出
了前4阶振型， 如图1所示。
表2 水轮机防水钢盖板自振频率(理论计算
频率阶次 振动频率／Hz 频率阶次 振动频率／Hz
l 5O．069 6 112．80
2 64．250 7 124．O1
3 86．921 8 141．91
4 93．884 9 l48_38
5 105．17 10 148．58
由于条件限制，有限元模态分析所建模型与检
测试验防水钢盖板状态并不一致。从表2和表1
可以看出， 水轮机防水钢盖板1阶频率有限元模
型结果要小于检测结果， 这是由于结构有限元建
模中．对防水钢盖板四周施加的是三维位移约束，而
实际防水钢盖板由于底止水与侧止水的存在， 、y
和Z 3个方向尚能微小移动。防水钢盖板试验时，盖
板上有下游回水静压， 检测得到的频率是流固耦
Water Power Vo1．40 No．3 团
一．， 75一 91一扒 l卜～．
合频率， 这是有限元模型与实测模态不一致的
另一个原因。有限元模型试验作为现场试验的补
充，尽管模拟条件不太一致，但并不影响共振分析
结果。
3．3 水轮机防水钢盖板流激共振分析
作用在防水钢盖板上的水流脉动压力是引起盖
板振动的主要振源。因此，分析脉动压力频谱特性
与盖板自振频率之间的关系有利于判别盖板是否发
生共振。在水流脉动压力激振下， 防水钢盖板的自
振频率是典型的流固耦合问题，而且水体厚度与盖
板的耦合影响还与厂表闸门开度、下游回水有关，
特别是盖板在水中和空气中的自振频率有较大差异，
受水体附加质量的影响，水中钢盖板的自振频率要
低于空气中钢盖板的自振频率。
厂表泄洪过程的脉动水压力检测未纳入本次试
验，但根据设计模型试验结果： 所有工况各部位的
脉动水压力值皆为正值，且压力值的大小与溢流表
孔的泄量有关，泄量大，压力值则大。但水流的脉
动频率均很小，在0．028～0．1 1 Hz之间嘲。而根据表
1现场检测结果，其一阶流固耦合频率为72．87 Hz，
远大于脉动水压力频率，故可判断1号机水轮机防
水钢盖板在厂表泄洪过程中不会发生共振。
{ 1
{ 1 b 2阶振型 1
c 3阶振型d 4阶振型
图1 钢盖板自振频率振型
4 水轮机防水钢盖板动力响应检测分析
蜀河水电厂防水钢盖板动力荷载主要源于厂
表泄洪闸门开启和关闭全过程的脉动水压力。此
外， 泄洪过程中水中漂浮物的冲击等也是动力荷
载之一。
动力响应试验工况为1号表孔泄洪钢闸门从全
关到全开，再到全关过程。防水钢盖板动力响应振
动测点布设方法同动态参数试验，但点数略多，采
集仪器与动态参数试验相同。
固Warer Po er Voz．40 No．3
通过对动力响应振动加速度传感器测试结果进
行分析， 可知1号水轮机组防水盖板振动加速度约
在35％ 开度达到最大， 除了水中杂物撞击钢盖板引
起的短暂冲击振动外， 大多数测点最大振动加速度
均在0．6 g以下，为微小振动，属于安全范围。发电
机防水钢盖板振动加速度要大于水轮机防水钢盖
板， 这跟发电机盖板的位置更靠近泄洪闸门有关。
从测试结果看． 发电机防水钢盖板左1梁下游测
点． 中8梁上游测点振动加速度明显大于其它测点。
这说明防水钢盖板这两个部位所受振动能量较大．
长期使用易产生振动疲劳破坏．应予以重视并加强
观测。
5 结语
为了识别引水发电机组钢盖板振动的成因和振
动危害性对盖板密封性、强度、刚度及稳定性的影
响． 以便采取一定的措施减缓或消除不利影响，选
取蜀河电站1号机组发电机和水轮机防水钢盖板进
行了研究。采用了现场检测试验和有限元理论分析
两种方法对蜀河水电站水电机组防水钢盖板的流激
振动安全进行了评价， 主要着重于钢盖板的共振分
析，此外，还对防水钢盖板在厂表闸门泄洪过程中
的振动动力响应进行了试验分析评价。从研究结果
看．蜀河水电厂水电机组防水钢盖板设计合理， 不
会产生共振， 厂房表孑L闸门开启过程中的冲击水流
在泄槽内水垫的保护下也不会对钢盖板产生明显影
响， 与设计模型试验结果基本一致。长期运行过程
中，对防水钢盖板的安全评价应注重于密封性、锈
蚀以及盖板应力强度变化等方面。
参考文献：
[1] 刘礼华，欧光珠，陈五一．水T钢闸门检测理论与实践[M]．武
汉：武汉大学出版社，2008，8．
[2] 孙海涛，刘兴华， 曾刚．汉江蜀河水电站厂内溢流布置型式关
键技术问题设计与研究[J]．西北水电，2012(6)：37—41．
[3] 方勇，谭大基，顾梅．汉江蜀河水电站金属结构没计[J J．西北
水电．2010(4)：81—85．
[4] DIdT 835-2003 水工钢闸门和启闭机安全检测技术规程[S]．
(责任编辑高 瑜)

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