平面钢闸门实时在线监测设计

舒刘海，刘鹏鹏

（中水淮河规划设计研究有限公司，安徽合肥，230601）

水利水电工程中，平面钢闸门布置紧凑，制造较易，被广泛用于水利水电工程的泄水系统、引水发电系统、灌溉系统、航运系统等。中国水利工程使用最早、最多的闸门是平面闸门，目前已普遍采用焊接钢闸门，其设计、制造、安装及运用等诸方面均已达到世界先进水平。

因启闭力大、局部开启条件差、有门槽等缺点，平面闸门的应用受到了一定限制，但平面钢闸门是必不可少的闸门型式（事故检修闸门都采用平面闸门），对平面闸门进行研究是必要的。而当前一些工程的管理仍相对落后，采用大量人工排查隐患，这必然存在工作量大、效率低等缺点，与现在提倡的智能化发展相左。笔者探讨通过布置合适的传感器监测闸门运行过程实时状态，从而及时发现隐患。

1 有限元分析

对某闸门结构进行有限元分析，为确定传感器布置位置提供参考。

1.1 平面钢闸门全关挡水静应力分析

基本参数如下：门孔口高3 m，宽5.5 m。上游设计水头5.60 m，下游无水。

平面闸门计算采用三维有限元。为方便有限元建模，先在三维建模软件CREO中建立几何模型，再导入Ansys Workbench中。

建立空间直角坐标系，原点在闸门底部，x轴沿主梁方向向右，z轴垂直向下，y轴指向上游。

闸门全关状态下，边界和约束条件两侧主轮轴外侧约束y方向位移，侧轮约束x方向位移，底部与地面接触约束z方向位移，启闭设备不受力。当受静水压时，水压施加在面板上。

图1 闸门整体变形位移Fig.1 The deformation and displacement of the gate

闸门整体中间变形明显，两侧变形逐渐减小，且越往底部变形越大，原因在于此门垂直水流方向形如简支梁结构，两端简单支撑，中间受静水压的作用，随着水深增加，水压越大，且越往中间对称面位置，闸门产生的挠度位移越大，最大变形位移在底部梁格内，为1.036 3 mm。

图2 闸门整体应力分布Fig.2 Distribution of stress on the gate

面板整体应力分布较均匀，中部稍偏下位置应力较大。三个主梁腹板中，应力较大的是下主梁腹板，且三个主梁腹板应力较大位置均出现在与内边梁腹板交叉部位，边梁应力较大部位集中在上下定轮轴孔附近。下主梁后翼缘处应力较大，中主梁后翼缘次之。应力最大位置在下主横梁后翼缘靠近边梁位置，其值为86.187 MPa。

1.2 模态分析

闸门振动也是一个较为突出的问题，从数值分析方面对闸门模态进行分析。

模拟计算出的平面钢闸门结构有无限多阶模态，即闸门结构模态参数与模态振型有无限多阶，但是对实际工程起指导性作用的仅为前几阶模态参数与模态振型。笔者只提取平面钢闸门在不同工况下的前五阶模态参量，见图3～7及表1。

图3 全关挡水一阶振型Fig.3 First order vibration mode as water retaining with gate fully closed

图4 全关挡水二阶振型Fig.4 Second order vibration mode as water retaining with gate fully closed

图5 全关挡水三阶振型Fig.5 Third order vibration mode as water retaining with gate fully closed

图6 全关挡水四阶振型Fig.6 Fourth order vibration mode as water retaining with gate fully closed

图7 全关挡水五阶振型Fig.7 Fifth order vibration mode as water retaining with gate fully closed

表1 闸门有水关闭自由振动特点Table 1 Characteristics of free vibration when the gate is closed with water pressure

2 平面闸门实时在线监测系统设计

根据有限元分析结合相关文献统计[1]，强度破坏、结构变形、振动破坏、动力失稳均是水工金属结构设备失事破坏的主要形式，都由应力过大、共振、门体失稳卡阻等问题引发。针对事故产生的可能原因，设计相应的监测内容与方法，从主要部位的应力状况、振动情况、运行姿态和定轮运行状态等方面入手，可及时发现隐患。

平面钢闸门实时在线监测物理层次上分为三层：传感器、数据采集模块和工作站。传感器采集测点位置实时数据，将非电信号转变成电信号传输至下一单元；数据采集模块对传感器采集的数据进行预处理，再传输到工作站；工作站对传输来的数据进行处理分析，判断运行情况是否正常，对超过预设数值的数据给予报警反馈。

图8 实时在线监测原理图Fig.8 Working principles of the real-time online monitoring system

2.1 监测点位置设计

各传感器位置布置见图9。

2.1.1 应力监测点位置设计

应力监测包括对构件静应力和动应力的实时在线监测。闸门运行中许多构件都会承受一定的应力，当应力超出构件允许范围，就会使闸门失效，严重时会给闸门带来不可逆的损坏。因此，应对闸门应力较大区域和关键区域进行监测，如主梁、面板、支臂、吊耳等，然后根据实际测出的工作应力值进行解析，从而得到静应力值和动应力值，并在应力值超标时发出预警和报警。

为了更好地发挥在线监测功能，传感器防水、温度补偿等都是基础要求，此外还要注意传感器灵敏度和刷新率。

表2 应力监测点位置表Table 2 Locations of the points for stress monitoring

2.1.2 激流振动监测点位置设计

在闸门不同位置安装加速度传感器，闸门在受到水流冲击及开闭时，加速度传感器可以采集到不同位置的振动数据，再将采集到的数据通过处理器滤波、降噪、平均、回归，实时进行时域和频域分析，并在振动位移超标和振动频率接近固有频率时预警和报警。

依据Q/MA61UHLTX·002-2017《水工金属结构实时在线监测评价准则》，企业标准采纳公式logA＜3.14-1.16 logf，判断闸门结构的动态特性和安全性。其中A为振动幅值，f为振动频率。根据度汛过程中的监测数据，得到A-f曲线图，判断闸门振动响应的振幅、频率是否满足公式要求，当不满足公式关系时，表明闸门的振动特性状态不良，应当及时预警、报警。

依据Q/MA61UHLTX·002-2017《水工金属结构实时在线监测评价准则》，企业标准采纳美国阿肯色河通航枢纽管理局“振动构件平均位移划分振动危害的判别标准”，采取“中等危害”、“严重危害”的指标作为ROMS系统的预警、报警阈值。振动构件平均位移划分与振动危害程度的判别标准见表3。

表3 振动构件平均位移划分振动危害的判别标准Table 3 Classification of vibration hazards by average displacement of vibrating components

闸门启闭过程中，分析计算实测的流激振动数据后，得到振动位移的振幅时域曲线，通过对振幅时域数据进行智能化判断，显示预警、报警的频次和时段。三向加速度测点位置见表4。

表4 三向加速度测点位置表Table 4 Locations of the points for monitoring of acceleration in 3 directions

要注意传感器灵敏度和刷新率，太低的灵敏度肯定监测不到较低频率和较小振幅的振动，较低的刷新率可能漏检短促振动。

2.1.3 定轮运行状态监测点设计

对平面钢闸门4个定轮结构的运行姿态进行监测，监测启闭门过程中定轮转动情况。测点安装位置为：左下定轮内侧端面、左上定轮内侧端面右下定轮内侧端面、右上定轮内侧端面。此类传感器可采用磁涡流效应传感器，在定轮上安装一能改变涡流效应的物块，传感器对准物块，当涡流突变一次即定轮转动一周。

2.1.4 闸门运行姿态监测点设计

采用倾角传感器测量闸门运行姿态，倾角传感器布置在闸门垂直中心线上，高度处于上主梁。

闸门姿态检测模块包括倾角及边距两个参数，其中边距b是弧形闸门倾斜后，闸门侧边到侧轨（设计边界）之间的距离，由闸门测点处的倾角β近似计算得到。闸门姿态监测模块可满足以下功能：当闸门边距b小于规定值bmin时，即倾角仪监测到的倾斜角度达到临界值βe时，报警提示。

图10 倾角仪原理图Fig.10 Working principles of the clinometer

2.2 系统各部分间信号传输方式

实时在线监测系统将传感器安装至需监测的设备上，采集的数据通过专用集成线缆传送给采集箱模块，数据采集模块至工作站为有线连接，线缆为超六类双屏蔽千兆网线。数据采集模块输出的数据也可以通过通信网、物联网、互联网及移动互联网等互联体系汇集至数据库，并在云端平台进行大数据分析和计算整合，同时对照规范，及时判断应力、振动等各项指标是否符合要求。

3 监测数据与有限元数据对比

自安装完成后，在线监测系统运行正常，表5为在线监测与有限元分析监测点位置的最大应力数据对比表，数据时间自2021年3月1日至5月1日，闸门上游水头最高为5.5 m，闸门处于全关状态。

表5 在线监测与有限元分析监测点位置最大应力对比Table 5 Comparison between maximum stress values gained by monitoring points and by finite element analysis

特征水位下，闸门各应力监测点的数值普遍较小，应力变化趋势跟有限元分析数据一致，符合设计规范关于Q345材料的许用应力要求，从闸门挡水静应力角度，可判断为安全。

4 结语

通过在平面钢闸门设备上布置实时在线监测系统，能够对设备的运行情况进行全方位的监测，从而对设备运行进行合理化管理，促进设备更好地发挥作用，有利于水利水电工程金属结构的稳定运行。除此之外，通过对设备进行实时全方位的监测，还能为技术革新提供广阔的平台和基础。本在线监测系统实现了对闸门自动化、智能化、科学化的全天候监测，准确发现和判别缺陷、故障现象和原因，代替了常规的人工检查，大大缩减了人力成本，还能在第一时间提供预警、报警和安全评价报告，将安全管理提高到一个更高的水平。