黃麗玲

（安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，安徽 合肥　230088）

蒙城船閘上閘首弧形閘門振動(dòng)分析及更新改造設(shè)計(jì)

黃麗玲

（安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，安徽 合肥230088）

摘 要：蒙城船閘上閘首采用的是下沉式弧形鋼閘門，2006年閘門經(jīng)過(guò)第1次加固處理后出現(xiàn)強(qiáng)烈的振動(dòng)現(xiàn)象，引起有關(guān)部門的高度重視。經(jīng)過(guò)多次召開(kāi)專家會(huì)議以及深入細(xì)致的研究，分析了該閘門振動(dòng)的原因，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出新的閘門。

關(guān)鍵詞：下沉式弧形閘門；導(dǎo)流板；流激振動(dòng)；自振頻率；空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；迷宮式止水

1　工程布置概況

蒙城船閘始建于1969年3月，為渦河蒙城段水利樞紐的重要組成部分，除了滿足通航條件外，還需要考慮參與分洪和沖淤的功能。當(dāng)上游水位過(guò)高、節(jié)制閘和分洪閘泄洪流量不足以排洪或者引航道淤積需要沖刷時(shí)，船閘開(kāi)始停航泄洪，此時(shí)閘門需要在動(dòng)水條件下運(yùn)行，因此上閘首閘門選擇了水力條件較好的弧形鋼閘門。

船閘上閘首孔口凈寬10 m，閘室有效長(zhǎng)度105 m，閘室入口處設(shè)消能室。上閘首采用弧形鋼閘門正向擋水，弧門底部設(shè)導(dǎo)流板，在充水過(guò)程中將通過(guò)閘門底部的紊流導(dǎo)入消能室，使水流相對(duì)平順地流入閘室，不會(huì)對(duì)閘室內(nèi)停泊的船只造成沖擊。閘室充水時(shí)閘門先漸升1.5 m，待閘室水位與上游平齊時(shí)再將閘門下沉落入消能平臺(tái)以下位置，船只通航。泄洪沖淤時(shí)，閘門提出水面，以免水流激蕩門體造成破壞。

老閘門設(shè)計(jì)采用直支臂主橫梁弧形鋼閘門，縱、橫向撐架及支臂均為桁架結(jié)構(gòu)，門體支臂支撐于兩側(cè)墻內(nèi)壁。啟閉橋面兩側(cè)為空箱墻墩，墻內(nèi)設(shè)平衡陀，可以減少啟閉機(jī)容量，啟閉機(jī)為2×15 t弧形門卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)。下閘首兩側(cè)設(shè)短廊道輸水，輸水洞門采用平面直升式鋼閘門，工作閘門采用人字形鋼閘門。

經(jīng)過(guò)幾十年的運(yùn)行，工程設(shè)施、機(jī)電設(shè)備等老化，已不能滿足運(yùn)行要求。2006年，對(duì)蒙城船閘進(jìn)行了第1次加固處理，更換了閘門及啟閉機(jī)。其中，上閘首閘門更換為實(shí)腹式雙主梁弧形鋼閘門，門體重量增大；啟閉機(jī)更換為2×25 t弧形門卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)，平衡陀棄用。

2　第1次加固更換后的閘門使用狀況

2006年加固后的閘門投入使用后出現(xiàn)了強(qiáng)烈的振動(dòng)，具體情況記述如下。

2.1放水過(guò)程中的振動(dòng)

2.1.1上游充水

小開(kāi)度開(kāi)啟弧形門充水之初，閘門不振動(dòng)。當(dāng)閘室水位上升至將要淹沒(méi)導(dǎo)流板時(shí)，弧形門開(kāi)始振動(dòng)并逐步加強(qiáng)，在淹沒(méi)下部主橫梁時(shí)最為強(qiáng)烈，同時(shí)主橫梁的開(kāi)孔處開(kāi)始往上噴水柱。隨著開(kāi)啟高度進(jìn)一步加大，振動(dòng)緩慢減弱并逐步消失。

2.1.2下游泄水

在下游輸水洞門開(kāi)啟泄水過(guò)程中，當(dāng)閘室水位降至弧形門上部主橫梁位置時(shí)出現(xiàn)異常振動(dòng)，當(dāng)水位降至消力平臺(tái)以下時(shí)，振動(dòng)逐步消失。

2.2擋水過(guò)程中的振動(dòng)

據(jù)管理單位反映，2007年9月10日，弧形門在關(guān)閉擋水的情況下突然出現(xiàn)劇烈振動(dòng)，并引發(fā)岸墻、公路橋發(fā)生振動(dòng)，岸邊數(shù)戶居民甚至誤以為是地震。隨后，開(kāi)啟閘門向閘室充水，振動(dòng)逐步消失。

現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，閘門底止水漏水嚴(yán)重，弧門頂緣可見(jiàn)少量?jī)A斜。隨后，對(duì)開(kāi)啟行程作了適度調(diào)整，漏水量有所減少?，F(xiàn)場(chǎng)人員又重新調(diào)整了啟閉機(jī)雙吊點(diǎn)鋼絲繩的長(zhǎng)度，將閘門調(diào)平，然后在擋水的情況下進(jìn)行測(cè)試，閘門仍振動(dòng)。

3　閘門振動(dòng)成因分析

3.1振動(dòng)機(jī)理簡(jiǎn)介

總體來(lái)說(shuō)，閘門振動(dòng)是由于在動(dòng)水作用力下的不平穩(wěn)引起的。閘門由具有質(zhì)量的彈塑性材料制成，在外力的作用下能表現(xiàn)出彈性力、滯阻力和慣性力。如果外力是穩(wěn)定的、靜止的，那么在閘門結(jié)構(gòu)中只出現(xiàn)與之相平衡的彈性力；如果外力不是穩(wěn)定的，那么在閘門結(jié)構(gòu)中除了彈性力外，還將出現(xiàn)滯阻力和慣性力，它們都是時(shí)間的函數(shù)，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形也隨之成為時(shí)間的函數(shù)，這樣就出現(xiàn)了振動(dòng)的現(xiàn)象。一般情況下，閘門在動(dòng)水中出現(xiàn)的振動(dòng)是輕微的，當(dāng)外力的激蕩頻率接近閘門結(jié)構(gòu)的自振頻率時(shí)，無(wú)論激蕩頻率是外力固有的還是由于結(jié)構(gòu)與水流間發(fā)生反饋?zhàn)饔醚苌鰜?lái)的，振幅將很快增大，產(chǎn)生振動(dòng)。

水工鋼閘門的振動(dòng)類型主要是流激振動(dòng)。流激振動(dòng)的原因是流體流動(dòng)的不穩(wěn)定性，即由層流過(guò)渡到紊流時(shí)能量的轉(zhuǎn)換過(guò)程。通過(guò)流體反饋控制作用，特別是流體彈性反饋控制作用，流體的波動(dòng)就自動(dòng)調(diào)整其波長(zhǎng)和頻率，使之與門體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率相耦合，此時(shí)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)就從流體獲得源源不斷的能量補(bǔ)給，從而使結(jié)構(gòu)振動(dòng)保持在很高的水平上。

3.2振動(dòng)原因分析

3.2.1布置型式

該閘門為下沉式弧門，與一般的弧門不同的是，只有在船只通航時(shí)閘門下沉進(jìn)入消能室，在擋水、充水和泄水過(guò)程中，閘門都是靠啟閉機(jī)鋼絲繩懸掛于某一開(kāi)度位置。邊界約束主要包括支鉸、鋼絲繩和側(cè)輪，門體可以繞著支鉸軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)，因側(cè)向留有一定的間隙，門體在垂直水流方向也可以有一定的位移。在水流沖擊下，門體具有一定的能量，就可能發(fā)生持續(xù)的振動(dòng)。

這種布置型式是由該船閘的功能決定的。近些年，新建的船閘基本上功能單一，無(wú)需參與泄洪，工作閘門均考慮在靜水條件下啟閉，采用的是人字門或者三角門的結(jié)構(gòu)型式，門體約束力較強(qiáng)，也無(wú)需局部開(kāi)啟，這樣就能從根源上杜絕這種布置型式的弊端。

在新閘門設(shè)計(jì)時(shí)，采取盡可能地減小側(cè)向間隙、鋼絲繩與吊點(diǎn)使用剛性連接等措施，可以減輕該布置型式本身造成的振動(dòng)問(wèn)題。

3.2.2自振頻率改變

老的弧形閘門為桁架式結(jié)構(gòu)，支臂及縱、橫向撐架均采用由槽鋼或角鋼組成的桁架，主梁與支臂構(gòu)成的主框架剛度比較大，閘門重量較輕，老閘門的自振頻率相對(duì)較高。更換后的閘門主橫梁與縱向連接系及支臂全部采用實(shí)腹式結(jié)構(gòu)，主梁與支臂構(gòu)成的主框架剛度比較小，閘門重量加重，閘門的自振頻率相對(duì)降低，容易與閘門局部調(diào)節(jié)流量時(shí)產(chǎn)生的低頻狀態(tài)振動(dòng)頻率相近，從而引發(fā)振動(dòng)。

3.2.3實(shí)腹式結(jié)構(gòu)

加固更換的閘門主、縱梁及支臂均為工字形斷面。由于多邊形結(jié)構(gòu)對(duì)水的阻力大，當(dāng)閘門處于水中，水的激振會(huì)引起閘門振動(dòng)。特別是在充水過(guò)程中，閘門底部過(guò)水，下游回水沖擊底梁腹板，容易引起閘門振動(dòng)。

3.2.4止水橡皮

止水橡皮產(chǎn)生的振動(dòng)可以細(xì)分為以下3個(gè)方面:

（1）閘門側(cè)、底止水均布置在面板上，由于閘門制造加工工藝問(wèn)題或者在水壓作用下導(dǎo)致門葉變形等原因，止水橡皮安裝座面并非是理想的圓弧面，止水安裝質(zhì)量不高。閘門在啟閉過(guò)程中，面板與止水橡皮間產(chǎn)生不均勻的強(qiáng)烈摩擦，可能引起閘門振動(dòng)。

（2）止水座板安裝不平直，或者止水選型不當(dāng)、材料柔性不夠，導(dǎo)致止水和止水座板之間呈不連續(xù)接觸而不能完全密封，在上游水壓力作用下，水就從止水與座板間隙中射出，射流在止水頭部形成負(fù)壓，使止水橡膠帶被吸向止水座，封閉了間隙，負(fù)壓消失，而止水由于本身的彈性被彈回，故又出現(xiàn)間隙，如此循環(huán)往復(fù)，使止水以一定的頻率產(chǎn)生振動(dòng)。當(dāng)止水的自激振動(dòng)頻率與門體自振頻率接近時(shí)，就會(huì)引起閘門強(qiáng)烈的振動(dòng)。

（3）閘門底部止水橡皮磨損，漏水量較大，從閘門底止水射出的水流直接拍打在門葉背后的梁格上，引起閘門振動(dòng)。

3.2.5安裝誤差

閘門支鉸采用的是圓柱鉸，經(jīng)過(guò)檢測(cè)，左右兩側(cè)高程相差12 mm，現(xiàn)行規(guī)范要求兩支鉸同心度誤差不得超過(guò)2 mm。支鉸座作為弧形閘門的重要組成部分，安裝質(zhì)量的好壞直接影響著弧形閘門運(yùn)行質(zhì)量。如果支鉸座的同心度、同軸度得不到保證，將影響閘門運(yùn)行的平穩(wěn)性，加快支鉸座及軸的磨損以及止水橡皮的磨損，引發(fā)閘門的振動(dòng)。

3.2.6淹沒(méi)水躍對(duì)導(dǎo)流板的作用

閘門開(kāi)始提升放水時(shí)，門后水位還沒(méi)有淹沒(méi)閘門底部的導(dǎo)流板，此時(shí)無(wú)論閘門起始開(kāi)度如何，閘門都不會(huì)振動(dòng)。當(dāng)閘門下游水位升高至將要淹沒(méi)導(dǎo)流板時(shí)，閘門開(kāi)始振動(dòng)，并逐步加強(qiáng)。

此時(shí)閘門下游的淹沒(méi)水躍能量不能完全被消耗，回水躍產(chǎn)生的脈動(dòng)壓力反復(fù)沖擊導(dǎo)流板，引起閘門振動(dòng)。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察并結(jié)合對(duì)閘門導(dǎo)流板在不同開(kāi)度下的角度進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，閘門在0～1.2 m開(kāi)度時(shí)，隨著開(kāi)度的增加，閘門導(dǎo)流板與底檻之間的角度沒(méi)有太大的變化，泄流量增加不大，增加了回水躍產(chǎn)生的脈動(dòng)沖擊導(dǎo)流板的時(shí)間，從而增加了閘門振動(dòng)的可能。

4　解決方法

為了避免閘門發(fā)生振動(dòng)，應(yīng)該使水流和結(jié)構(gòu)之間不產(chǎn)生反饋控制作用，使閘門的自振頻率遠(yuǎn)離水流的脈動(dòng)頻率。針對(duì)上述閘門振動(dòng)原因，采取了如下相對(duì)應(yīng)的措施。

4.1閘門結(jié)構(gòu)的改變

閘門振動(dòng)往往是由于個(gè)別構(gòu)件薄弱發(fā)生振動(dòng)表現(xiàn)出來(lái)的。因此，若把結(jié)構(gòu)的剛度設(shè)計(jì)大一些、自振頻率設(shè)計(jì)高一些，就可能避免強(qiáng)烈的振動(dòng)。

新閘門設(shè)計(jì)上注意增加閘門的結(jié)構(gòu)剛度，減少結(jié)構(gòu)對(duì)水流的阻力。門葉改為由桁架梁組成的空間管網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，主、縱梁采用方鋼，支臂采用圓管，在支臂上部和下部分別增加空間網(wǎng)架支承，均由圓管焊接而成。這種結(jié)構(gòu)型式增加了門體的自振頻率，封閉圓滑截面的型鋼減少了對(duì)水的阻力，可以有效降低閘門振動(dòng)。

4.2止水的改變

側(cè)止水橡皮采用帶100°預(yù)壓角的L形止水橡皮，可以有效改善止水座面不平整產(chǎn)生的漏水現(xiàn)象。通過(guò)止水橡皮自帶的預(yù)壓角，使止水橡皮球頭與止水座板緊密貼合。為防止底止水漏水，采用迷宮式止水型式，由3道I8橡皮夾2道H5橡皮組合而成，止水預(yù)壓5 mm。止水橡皮改用聚四氟復(fù)合止水材料，具有低摩阻高耐磨的性能。閘門面板厚度增加，在制作過(guò)程中注意控制門體焊接變形。通過(guò)上述方法，減少或消除止水與基面、止水與座板之間的間隙，保證止水的嚴(yán)密性，避免因止水漏水引發(fā)閘門振動(dòng)。

4.3支鉸的改變

圓柱鉸和圓錐鉸對(duì)鉸軸偏斜或同心度誤差要求較高，而球鉸能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)調(diào)心且便于安裝，因此將閘門支鉸改為球鉸，并采用自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承。該軸承具有自動(dòng)調(diào)心、對(duì)偏斜不敏感、受力均勻、承載能力高、可同時(shí)承受一定的徑向和軸向荷載、自潤(rùn)滑等特性。如，某制造廠生產(chǎn)的關(guān)節(jié)鉸允許傾斜角度為2°，該產(chǎn)品近年來(lái)在水利工程中大量推廣應(yīng)用。

4.4門底導(dǎo)流板角度的改變

根據(jù)水工模型試驗(yàn)并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況分析，增大門底導(dǎo)流板與門體弧面切線的夾角，加快門后水位的上升速度，可以減少回水躍產(chǎn)生的脈沖壓力沖擊導(dǎo)流板的歷時(shí)。

4.5調(diào)整輸水時(shí)閘門開(kāi)度

管理人員在開(kāi)門輸水過(guò)程中應(yīng)密切關(guān)注門后水流流態(tài)是否正常，根據(jù)水流狀態(tài)隨時(shí)調(diào)整閘門開(kāi)度，規(guī)避振動(dòng)位置。尤其是上下游水位差較大的情況下，管理人員更需要嚴(yán)密關(guān)注，謹(jǐn)慎操作，防止閘門出現(xiàn)振動(dòng)。

5　結(jié)語(yǔ)

新閘門較原閘門重量增加了10余t，原來(lái)2×25 t啟閉機(jī)啟門容量稍顯不足，若更換啟閉機(jī)勢(shì)必造成現(xiàn)有啟閉機(jī)房的破壞，加固成本增加較多。為此，考慮重新啟用2塊重達(dá)10 t的平衡陀，平衡陀通過(guò)鋼絲繩繞過(guò)閘門底部，可以有效地減少啟閉機(jī)容量。

新閘門已經(jīng)投入使用數(shù)年，每天過(guò)船多達(dá)20余次，閘門啟閉頻繁。實(shí)踐證明，上閘首弧形閘門在擋水、充水、泄水過(guò)程中的振動(dòng)現(xiàn)象得到了有效的控制。

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中圖分類號(hào)：TV698.2+2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-7328（2016）02-0066-03

DOI:10.3969/j.issn.1004-7328.2016.02.022

收稿日期：2015—11—23

作者簡(jiǎn)介：黃麗玲（1976—），女，高級(jí)工程師，主要從事水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。