水利工程闸门水力振动监测技术应用研究

罗浩

(新疆维吾尔自治区水利科技推广总站，乌鲁木齐，830000)

1 引言

越来越多的大型水闸在各种水工建筑物中使用，为了适应上下游水位差的复杂变化，以及在更宽的淹没范围内向下游跳跃，水闸必须满足运行条件下的开启度要求[1]。闸机事故分析表明，闸机损坏往往伴随着紊流引起的强烈振动。当水压脉动频率接近闸门固有频率时，会引起闸门共振，容易导致闸门疲劳破坏，对水利设施的安全是极其不利的[2-3]。

水工闸门结构在水流作用下的流激振动、动力稳定性和安全可靠性一直是水利界高度关注的问题。因此，闸门振动在线监测与分析对闸门结构的安全运行具有重要意义，是保证水利工程安全运行的关键技术问题之一[4]。

2 工程概况

本文以新疆某灌溉渠道水闸为例。闸身宽75.25m，闸长79m，闸顶高程为6.0m，该闸共13孔，闸孔总净宽为64m，设计流量300m3/s，开度范围为0.137m～1.275m，开度越小，孔板平均流速越大，最大值为14.71m/s。本工程投产以来，在开度较小的情况下，出口控制闸门常发生强烈振动。冬季检修期间发现闸门下部的两个托轮已损坏，给安全运行带来较大风险。

根据输水渠道的布置和闸门的运行要求，为避免对渠道产生过大的水冲击压力，下游设计水位必须高，使闸门始终在水下工作，这大大增加了闸门发生流体激振的可能性。为了及时调整闸门开度，保证泄水流量，闸门需要长期保持小的开度。为了保证闸门结构的安全运行，提出并讨论了一种水下闸门结构及其房屋振动监测系统。

3 三轴加速度计振动测量分析

3.1 振动测量的一般原理

振动的加速度、速度和位移之间的关系是明确的，因此，理论上，对加速度、速度或位移信号任意一个进行监测，也可以通过相应的计算得到另外两个振动信号。

给定振动加速度a(t)、速度v(t)、位移x(t)，则有如下关系：

(1)

(2)

假设测得的振动加速度为谐波信号a(t)=Asinωt，则速度和位移为：

(3)

(4)

反之，当测得的振动位移为谐波信号x(t)=Xsinωt时，速度和位移信号为：

(5)

a(t)=Asin(ωt+π)=ωVsin(ωt+π)=ω2Asin(ωt+π)

(6)

三者的振幅关系如下：

a(t)=A=ωV=ω2X

(7)

因此，任何一个振动信号都可以用来测量单个振动频率，然后通过式(3)和式(4)或式(5)和式(6)得到另外两个信号。如果只得到振动振幅，则仅进行公式(7)的转换。然而，当振动信号包含多个频率时，必须根据式(1)进行积分或根据式(2)进行微分，以获得其他振动振幅和信号。

3.2 振动传感器的应用

振动加速度计具有频率响应广、体积小、使用方便等优点，在状态监测中得到了广泛的应用。加速度计可分为单轴、双轴和三轴。由于系统中使用的加速度计必须始终在水下工作，安装和维护非常困难，因此三轴加速度传感器具有耐压防水、工作温度范围广等特点，是专门设计的。

3.2.1 三轴加速度计

众所周知，传统的加速度计是由高阻抗压电材料制成的，需要电荷放大器作为后续处理电路或仪器，这使得测量系统复杂、昂贵、可靠性低、使用不便。为此，研制了一种基于MEMS的高精度、低成本加速度计，并得到了迅速的应用。

基于MEMS的加速度计ADXL330包括三轴MEMS传感器结构和16针塑料表面贴装封装的信号调理电路，仅4×4×1.45mm3。输出为模拟电压信号。ADXL330可用于测量静态重力加速度、运动加速度和高达10000g的冲击。

ADXL330的带宽为0.5kHz～1.6kHz。每个轴的输出具有内置电阻RF=32kΩ，因此，输出信号带宽可由外部电容器Cx确定。在-3dB处，抗混叠和降噪滤波器的带宽可计算如下：

F-3db=1/(2πRFCX)≈5μF/Cx

(8)

3.2.2 深水耐压防水换能器

由于长距离调水工程渠道每年都在施工，水下传感器除了要满足一些特殊要求外，还必须满足精度和稳定性的共同要求。如传感器和连接电缆必须满足30m压力深度以下的防水要求，防腐抗冲击在结构设计和安装中，旱季最低储存温度低至-40℃。

根据上述水下结构振动的特点和要求，以及环境温度的大范围变化，设计了基于ADXL330的水下测量振动传感器，以减少安装工作量和连接电缆。

3.2.3 传感器校准与环境试验

传感器校准可以通过标准振动器或重力进行。采用重力标定，无需标定基准，不需安装。该方法是将加速度计沿灵敏度轴旋转180°以上，记录传感器输出的最小电压Vmin和最大电压Vmax，然后通过式(9)进行计算。

Sa=(Vmax-Vmin)

(9)

对于多轴传感器，需要对任意轴分别进行上述校准程序。传感器的环境试验包括工作环境和短缺环境，如防水试验、低温运行试验和低温贮存后运行试验等。防水试验的方法是将传感器置于水压2MPa下24h，然后检查密封是否良好，最后检查其工作性能。

低温运行试验时，将传感器放入冷箱中，将温度降至-20°C并保持1h，观察传感器的运行情况是否正常；低温贮存试验，将换能器放入冰箱后，将温度降至-40℃，保持1h，然后在室温下放置0.5h，检查换能器的工作情况是否正常。

4 监控系统分析

4.1 数据采集

考虑到闸门结构的振动频率和传感器的安装，采用加速度计精确捕捉闸门及其闸墩在各种工况下的全方位振动。图1所示的闸门振动监测系统在配置上采用冗余传感器，以确保安全可靠，即在闸门下游各安装2个三轴加速度计，以减少水蚀。

图1 宜陵闸门振动监测分析

4.2 数据分析

本研究的数据来源包括基础背景数据和实时监测数据，是构建塔里木河实时配水基础架构的核心。数据分为DLG数据、DEM数据、DRG数据、特殊数据和属性数据。数据复杂多样，包括地名、水系、交通、植被、测站、水闸、水位、流量等，总数据容量达到TB级。具体解释如下：

(1)基本地理空间数据，作为系统控制总图和后台数据查询显示，包括参考点、居住区、地名、交通、水系、边界等，分别按1∶10000、1∶100000、1∶500000进行缩放。

(2)特殊数据，包括Trim河流域水资源专用数据、水文测站分布网专用数据、水闸中心专用数据。

(3)自动测量数据，包括水位、流量、总引水量等水文资料和负荷、过载、波动极限位置、电压、电流、温度、湿度等安全保护资料。

(4)控制数据，包括所有控制命令，如闸门的远程启闭操作和自动控制。

(5)监测数据，包括水文远程视频、远程工作状态、闸门状态等视频信息。

(6)属性数据，由与图形相关的静态属性和闸门组成。

4.3 数据库建设

数据库是整个系统运行的核心，其设计不仅影响系统建设的速度和成本，而且影响系统的运行、使用和管理。塔里木河流域工程基础资料众多、复杂多样。在数据分析的基础上，建立了数据库、视频、GIS三个服务器，并在总控中心设计了专用数据库。不同的数据库有自己的结构和优化方式，如下所示：

(1)栅格数据：按数据类型、数据基础和比例尺组织，采用无损压缩(LZ77算法)和经纬度坐标系存储在栅格目录中。

(2)矢量数据：主要用于后台显示、索引和支持查询。通过测试确定合适的三级网格单元大小序列和数据压缩，提高系统响应速度。

(3)视频数据：MPEG-4技术是基于对象概念，采用小波变换编码算法对视频数据进行压缩，并采用数据分割、头扩展编码和反变长编码等机制来减少和消除错误。然后实现了更高的编码效率和视频质量，因此系统采用了MPEG-4视频数据压缩技术，并通过建立视频索引，解决了用户单播远程监控视频数据的问题。当多个用户同时接入视频时，系统会自动识别出接入用户的权限，根据较高的优先级来满足用户浏览视频数据的权限，并自动中断较低级别用户的监控，以减轻网络传输的负担。

4.4 闸门振动测试结果分析

图2为所测闸门振动信号，在整个输水期间内，振动测试系统一直处于工作状态，闸门结构的振动是一种宽频瞬态激励振动，虽然在工况改变时，振动幅值会明显增大，但持续时间很短，一般不会引起共振，因此是安全的。从测试结果来看，闸门的运行长期存在微小振动，长期运行可能造成闸门螺栓松弛以及脱落，因此，在停水期间需要定期维护检查。

图2 宜陵闸门振动测试信号

5 结论

大型水工闸门在长距离调水工程中起着重要的调控作用，闸门的紊流激振是一个严重的问题。水下闸门结构振动监测需要专门的振动传感器和适合水环境的监测系统，即满足防水、耐压、抗冲刷、温度变化大、水质差、脉冲流量等要求。本文提出了防水振动传感器，并将其应用于某长引水工程大型水闸结构振动在线监测系统中。试验和应用证明，该传感器具有良好的防水、耐压、抗腐蚀、耐高温等性能。