徐惠民 嚴(yán)根華 陳照

摘要：底軸驅(qū)動(dòng)式翻板閘門(mén)結(jié)構(gòu)的泄水方式系門(mén)頂溢流，射流下方形成的密閉空腔常常造成不穩(wěn)定振蕩源，從而誘發(fā)閘門(mén)結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈振動(dòng)，對(duì)結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行造成嚴(yán)重威脅。通過(guò)水彈性振動(dòng)模型試驗(yàn)研究了底軸驅(qū)動(dòng)式翻板門(mén)的水力特性和閘門(mén)結(jié)構(gòu)的流激振動(dòng)特性，觀測(cè)了閘門(mén)運(yùn)行過(guò)程中的水流流態(tài)，取得了作用于閘門(mén)結(jié)構(gòu)的水流脈動(dòng)壓力，給出了閘門(mén)結(jié)構(gòu)的流激振動(dòng)加速度、位移及應(yīng)力等動(dòng)力響應(yīng)參數(shù)，通過(guò)隨機(jī)數(shù)據(jù)分析獲得了各種動(dòng)力參數(shù)的譜特征和安全性評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)影響翻板門(mén)運(yùn)行安全穩(wěn)定的射流空腔通氣問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)研究，提出了門(mén)頂設(shè)置破水器的優(yōu)化布置方案和閘墩兩側(cè)設(shè)置通氣孔的補(bǔ)氣措施，避免了不穩(wěn)定負(fù)壓空腔可能產(chǎn)生的壓力振蕩。

關(guān)鍵詞：水力特性；流激振動(dòng)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；底軸驅(qū)動(dòng)翻板門(mén)

中圖分類號(hào)：TV663

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.07.023

底軸驅(qū)動(dòng)式翻板閘門(mén)是一種近年來(lái)應(yīng)用于城市水環(huán)境整治和建設(shè)的新門(mén)型。其泄水方式系門(mén)頂溢流，特有的水動(dòng)力特性有別于常規(guī)門(mén)型，射流下方形成的密閉空腔常常造成不穩(wěn)定振蕩源，從而誘發(fā)閘門(mén)結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈振動(dòng)，對(duì)結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行造成嚴(yán)重威脅。因此，需要開(kāi)展水彈性振動(dòng)模型試驗(yàn)對(duì)閘門(mén)結(jié)構(gòu)的流激振動(dòng)特性進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)研究，掌握該型閘門(mén)結(jié)構(gòu)的運(yùn)行性態(tài)，對(duì)存在的問(wèn)題提出處理方案，并通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)確保閘門(mén)安全運(yùn)行。

南京市溧水區(qū)中山河閘壩工程 的作用為旱季關(guān)閘蓄水，滿足上游區(qū)域灌溉與生態(tài)用水的需求：汛期開(kāi)閘宣泄洪水，保障南京市溧水區(qū)的安全；枯水期引中山水庫(kù)的清潔水源調(diào)蓄城區(qū)河道水位，改善溧水城區(qū)的水環(huán)境。該工程采用水閘與溢流壩相結(jié)合的布置形式，中孔設(shè)閘，兩邊孔設(shè)堰。中孔閘底板高程5.5m，閘頂高程9.0m，閘寬24m。閘底板廊道段采用空箱結(jié)構(gòu)，閘門(mén)采用底軸驅(qū)動(dòng)式翻板門(mén)閘型。

1閘門(mén)結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力特性

1.1水流流態(tài)特征

中山河閘門(mén)開(kāi)啟泄流過(guò)程中水閘泄流流態(tài)類似傾斜薄壁堰。試驗(yàn)工況：上游水位9.5m，下游水位7.5m，閘門(mén)開(kāi)度e=0.0°～90.0°（工況1）；上游水位9.0m，下游水位7.0m，閘門(mén)開(kāi)度e=30.0°～90.0°（工況2）。不同閘門(mén)開(kāi)啟角度下水流流態(tài)見(jiàn)表l。

1.2工作門(mén)脈動(dòng)壓力特性

工作門(mén)運(yùn)行過(guò)程中受到的動(dòng)水荷載包含時(shí)均動(dòng)水壓力和脈動(dòng)壓力兩部分。為掌握作用于閘門(mén)上/下游面脈動(dòng)壓力沿門(mén)體縱向的分布情況，在閘門(mén)面板上布置了5個(gè)測(cè)點(diǎn)（具體布置見(jiàn)圖1）。

工作門(mén)脈動(dòng)壓力試驗(yàn)在工況1、2下進(jìn)行。試驗(yàn)測(cè)得不同運(yùn)行工況下閘門(mén)結(jié)構(gòu)脈動(dòng)壓力時(shí)域過(guò)程、譜密度曲線及脈動(dòng)壓力均方根隨開(kāi)度的變化關(guān)系（見(jiàn)圖2）。

工作門(mén)脈動(dòng)壓力試驗(yàn)結(jié)果表明，各測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓力隨閘門(mén)開(kāi)度變化不大，閘門(mén)各運(yùn)行開(kāi)度下最大脈動(dòng)壓力均方根約為3.383kPa。從功率譜密度曲線可以看出：工作門(mén)門(mén)體脈動(dòng)壓力的主能量分布在10Hz以內(nèi)，其中優(yōu)勢(shì)頻率為1Hz左右，較高頻率的脈動(dòng)能量迅速衰減。

2閘門(mén)結(jié)構(gòu)的流激振動(dòng)特性

從本質(zhì)上講，閘門(mén)流激振動(dòng)屬于水彈性振動(dòng)范疇。根據(jù)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程，閘門(mén)的水彈性模型應(yīng)當(dāng)同時(shí)滿足幾何尺寸、水流運(yùn)動(dòng)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力相似（質(zhì)量密度、彈性模量、泊松比等參數(shù)相似），按此推導(dǎo)有關(guān)的參數(shù)比尺：幾何比尺Lr=20，質(zhì)量密度比尺ρr=1，彈性模量比尺Er=Lr，泊松比比尺μr=1，阻尼比尺Cr=Lr^2.5。該工程工作閘門(mén)采用鋼質(zhì)板梁結(jié)構(gòu)，其基本物理力學(xué)指標(biāo)為：容重7.85×l04N/m^3，彈性模量2.lO×l05MPa，泊松比0.3。按水彈性相似原理確定的水彈性模型材料的物理力學(xué)指標(biāo)為：容重7.85×l04N/m3，彈性模量1.05×l04MPa，泊松比0.3。目前市場(chǎng)上很難買(mǎi)到滿足上述條件的材料，因此本試驗(yàn)采用特殊研制的符合水彈性相似要求的特種材料。

2.1閘門(mén)結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度特征

為了獲取工作閘門(mén)運(yùn)行過(guò)程中的流激振動(dòng)特性，在特制的水彈性閘門(mén)模型上布置了5個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖3），每個(gè)測(cè)點(diǎn)分別測(cè)取垂直面板方向（x向）、垂直水流橫向（y向）及垂直于底軸方向（z向）3個(gè)方向的振動(dòng)量。采用隨機(jī)振動(dòng)理論及其譜分析方法進(jìn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)的處理，分別獲得閘門(mén)振動(dòng)過(guò)程的譜特征和數(shù)字特征，以揭示閘門(mén)振動(dòng)的頻域能量分布及振動(dòng)量。

試驗(yàn)在上游水位9.5m、下游水位7.0m、閘門(mén)開(kāi)度e=100～900（工況3）及閘門(mén)開(kāi)度e=42°、下游水位7.0m、上游水位為8.5～9.5m（工況4）兩種運(yùn)行工況下進(jìn)行。試驗(yàn)測(cè)得的振動(dòng)加速度均方根隨開(kāi)度變化關(guān)系、典型測(cè)點(diǎn)的閘門(mén)振動(dòng)加速度時(shí)域過(guò)程及譜密度見(jiàn)圖4。

由圖4可知：在固定水位運(yùn)行工況（上游水位9.5m、下游水位7.0m）閘門(mén)面板結(jié)構(gòu)振動(dòng)量總體趨勢(shì)是隨著閘門(mén)開(kāi)度的減小振動(dòng)響應(yīng)逐漸減弱。在閘門(mén)開(kāi)度e=10°～40°時(shí)，受門(mén)后空腔不穩(wěn)定的影響振動(dòng)加速度均方根有一個(gè)小范圍的提升，隨后迅速降低，閘門(mén)面板結(jié)構(gòu)頂部振動(dòng)量較下部大，下部靠近底軸位置振動(dòng)量較小，閘門(mén)兩側(cè)振動(dòng)量較大，閘門(mén)中部振動(dòng)量較小。試驗(yàn)測(cè)得閘門(mén)面板結(jié)構(gòu)頂部最大振動(dòng)加速度均方根垂直面板方向（x向）為0.212m/s^2、垂直水流橫向（y向）為0.132m/s^2、垂直于底軸方向（z向）為0.520m/s^2；閘門(mén)面板結(jié)構(gòu)底部振動(dòng)加速度相對(duì)較小，最大均方根垂直面板方向（x向）為0.064m/s^2、垂直水流橫向（y向）為0.132m/s^2、垂直于底軸方向（z向）為0.048m/s^2；門(mén)葉兩側(cè)最大振動(dòng)加速度均方根為0.520m/s^2（Vl測(cè)點(diǎn)z向），門(mén)葉中部最大振動(dòng)加速度均方根為0.132m/s^2（V2測(cè)點(diǎn)y向）。

在固定閘門(mén)開(kāi)度運(yùn)行工況（e=42°）閘門(mén)面板結(jié)構(gòu)振動(dòng)總體趨勢(shì)是隨著上游水位的升高振動(dòng)響應(yīng)逐漸增強(qiáng)，閘門(mén)面板結(jié)構(gòu)頂部振動(dòng)量較下部大，門(mén)葉兩側(cè)振動(dòng)量較門(mén)葉中部大。在下游水位7.0m、閘門(mén)開(kāi)度e=42°時(shí)，上游水位從8.5m逐步變化至9.5m，試驗(yàn)測(cè)得閘門(mén)面板結(jié)構(gòu)頂部振動(dòng)加速度最大均方根垂直面板方向（x向）為0.150m/s^2、垂直水流橫向（y向）為0.039m/s^2、垂直于底軸方向（z向）為0.181m/s^2；閘門(mén)面板結(jié)構(gòu)底部振動(dòng)加速度相對(duì)較小，最大均方根垂直面板方向（x向）為0.027m/s^2、垂直水流橫向（y向）為0.016m/s^2、垂直于底軸方向（z向）為0.020m/s^2；門(mén)葉兩側(cè)最大振動(dòng)加速度均方根為0.181m/s^2（VI測(cè)點(diǎn)z向），門(mén)葉中部最大振動(dòng)加速度均方根為0.065m/s^2（ V2測(cè)點(diǎn)x向）。

從頻譜分析可以看出，閘門(mén)門(mén)葉結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率主要集中在25 Hz以內(nèi)，其中優(yōu)勢(shì)頻率在1、10、15 Hz左右。

2.2閘門(mén)結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移特征

為了獲取工作閘門(mén)運(yùn)行過(guò)程中流激振動(dòng)引起的閘門(mén)振動(dòng)位移變化特性，同樣利用特制的水彈性閘門(mén)模型，對(duì)圖3中5個(gè)測(cè)點(diǎn)通過(guò)KD5018雙積分電荷放大器測(cè)取振動(dòng)位移，每個(gè)測(cè)點(diǎn)分別測(cè)取閘門(mén)的垂直面板方向（x向）、垂直水流橫向（y向）及垂直于底軸方向（z向）3個(gè)方向的動(dòng)位移。動(dòng)位移數(shù)據(jù)的處理采用隨機(jī)振動(dòng)理論及其譜分析方法進(jìn)行，分別獲得閘門(mén)動(dòng)位移過(guò)程的譜特征和數(shù)字特征，揭示閘門(mén)振動(dòng)位移的頻域能量分布。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

在固定水位運(yùn)行 工況（上游水位9.5m、下游水位7.0m）下閘門(mén)面板結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移總體趨勢(shì)是：隨著閘門(mén)開(kāi)度的減小、下泄流量逐漸減小，振動(dòng)位移響應(yīng)逐漸減弱，閘門(mén)面板結(jié)構(gòu)頂部振動(dòng)位移較下部靠近底軸部位大，下部靠近底軸位置振動(dòng)位移相對(duì)較小，閘門(mén)兩側(cè)振動(dòng)位移比閘門(mén)中部振動(dòng)位移大。試驗(yàn)測(cè)得該工況下閘門(mén)面板結(jié)構(gòu)頂部振動(dòng)位移最大均方根垂直面板方向（x向）為2.2mm、垂直水流橫向（y向）為0.95mm、垂直于底軸方向（z向）為4.6mm；閘門(mén)面板結(jié)構(gòu)底部振動(dòng)位移相對(duì)較小，最大均方根垂直面板方向（x向）為0.56mm、垂直水流橫向（y向）為1.5mm、垂直于底軸方向（z向）為1.43 mm；門(mén)葉兩側(cè)最大振動(dòng)位移均方根為4.5mm（Vl測(cè)點(diǎn)z向），門(mén)葉中部最大振動(dòng)位移均方根為2.0 mm（ V2測(cè)點(diǎn)z向）。

在固定閘門(mén)開(kāi)度運(yùn)行工況（e=42°）下閘門(mén)面板結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移總體趨勢(shì)是：隨著上游水位的升高、下泄流量逐漸增大，振動(dòng)位移響應(yīng)逐漸增強(qiáng)。在下游水位7.0m、閘門(mén)開(kāi)度e=42°時(shí)，上游水位從8.5m逐步變化至9.5m，試驗(yàn)測(cè)得閘門(mén)面板結(jié)構(gòu)頂部振動(dòng)位移最大均方根垂直面板方向（x向）為0.951mm、垂直水流橫向（y向）為0.780mm、垂直于底軸方向（z向）為1.225mm；閘門(mén)振動(dòng)位移頻率主要集中在15Hz以內(nèi)，其中優(yōu)勢(shì)頻率為1.0Hz左有，偶爾有10Hz的峰值出現(xiàn)。

2.3閘門(mén)結(jié)構(gòu)振動(dòng)應(yīng)力特征

閘門(mén)結(jié)構(gòu)的動(dòng)應(yīng)力測(cè)量與振動(dòng)位移測(cè)量同步進(jìn)行，重點(diǎn)考察了主要部件的動(dòng)應(yīng)力狀況。測(cè)點(diǎn)位置包括閘門(mén)面板，橫梁腹板、翼緣，縱梁腹板、翼緣等部位，本次試驗(yàn)水彈性閘門(mén)共布置22個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)。動(dòng)應(yīng)力測(cè)量通過(guò)對(duì)閘門(mén)結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行技術(shù)處理后，直接粘貼應(yīng)變計(jì)，并通過(guò)應(yīng)力應(yīng)變放大測(cè)量系統(tǒng)測(cè)取閘門(mén)在運(yùn)行過(guò)程中各部位的動(dòng)態(tài)應(yīng)變，再通過(guò)隨機(jī)分析處理專用軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)運(yùn)算。試驗(yàn)測(cè)得閘門(mén)面板最大振動(dòng)應(yīng)力均方根為0.450MPa，橫梁中斷面最大振動(dòng)應(yīng)力均方根為0.906MPa，中斷面縱梁最大振動(dòng)應(yīng)力均方根為0.506MPa，橫梁邊斷面最大振動(dòng)應(yīng)力均方根為0.313MPa，邊斷面縱梁最大振動(dòng)應(yīng)力均方根為0.430MPa（典型測(cè)點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力時(shí)域過(guò)程和功率譜密度見(jiàn)圖6）。從總體看，閘門(mén)的動(dòng)應(yīng)力較小，滿足安全運(yùn)行要求。

從頻譜分析可以看出，閘門(mén)面板、主橫梁結(jié)構(gòu)、主縱梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)應(yīng)力頻率主要集中在25.0Hz以內(nèi)，其中優(yōu)勢(shì)頻率主要集中在1.0、10.0Hz左右。

3閘門(mén)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)水閘泄水流態(tài)、水流脈動(dòng)壓力作用荷載以及流激振動(dòng)響應(yīng)參數(shù)的測(cè)量分析，對(duì)于該類門(mén)型需要解決門(mén)頂溢流狀態(tài)下水舌下方負(fù)壓空腔問(wèn)題，以減免和控制閘門(mén)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)量。

3.1通氣孔設(shè)置優(yōu)化

水流流經(jīng)翻板閘門(mén)，在閘門(mén)全關(guān)至55°范圍內(nèi)門(mén)后拋射水舌下方形成一定范圍的空腔，在上游低水位和閘門(mén)小開(kāi)度運(yùn)行時(shí)，門(mén)頂破水器將拋射水簾幕撕開(kāi)或撕簿，能從撕裂或撕薄的區(qū)域向空腔內(nèi)補(bǔ)氣，但在高水位或閘門(mén)大開(kāi)度時(shí)，拋射水體變厚，空腔封閉程度加強(qiáng)，下泄水流不斷帶走空腔內(nèi)部空氣，空腔負(fù)壓增大，腔內(nèi)水體抬升，易形成不穩(wěn)定空腔（閘門(mén)開(kāi)度e=50°時(shí)，試驗(yàn)測(cè)得該處最大負(fù)壓為-2.258×9.8kPa），故需在左、右閘墩側(cè)設(shè)置通氣孔向空腔內(nèi)補(bǔ)氣，以保持其輸氣、攜氣動(dòng)態(tài)平衡。因此，在門(mén)葉下游面左、右閘墩側(cè)各布置兩個(gè)直徑30Cm的通氣孔。

在閘門(mén)開(kāi)度e=0°～10°時(shí)，門(mén)后空腔可依靠門(mén)頂破水器撕裂的區(qū)域白行向空腔補(bǔ)氣而達(dá)到平衡。在閘門(mén)開(kāi)度e=20°左右可通過(guò)前一道通氣孔補(bǔ)氣，試驗(yàn)測(cè)得在上游水位9.5m、下游水位7.0m時(shí)，單側(cè)補(bǔ)氣量為0.12～0.25m^3/s。在閘門(mén)開(kāi)度e=30°～50°時(shí)，門(mén)后空腔可通過(guò)后一道通氣孔補(bǔ)氣，試驗(yàn)測(cè)得在上游水位9.5m、下游水位7.0m時(shí)，單側(cè)補(bǔ)氣量為0.17～0.60m^3/s。

3.2破水器優(yōu)化

門(mén)頂破水器的作用是在閘門(mén)小開(kāi)度及低水位運(yùn)行時(shí)自動(dòng)撕裂拋射水舌，向門(mén)后空腔輸氣，但試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，原設(shè)計(jì)的破水器（見(jiàn)圖7）僅在庫(kù)水位很低時(shí)才起作用，在水位略高情況下，雖破水器未被漫頂，但水流流經(jīng)破水器后自動(dòng)閉合，門(mén)后空腔依然是密閉空腔。

為改善破水器分流效果，共進(jìn)行了5組修改方案性能比較試驗(yàn)。修改方案五采用上游面高200cm、寬200mm的“三角形”結(jié)構(gòu)，后部為兩個(gè)平行翼板式結(jié)構(gòu)，閘門(mén)全關(guān)時(shí)，破水器前部頂高程9.40m、后部高程9.15m（見(jiàn)圖8）。試驗(yàn)表明，在閘門(mén)開(kāi)啟至420、上游水位8.5m時(shí)，以及閘門(mén)處于全關(guān)、上游水位9.5m時(shí)，水流流經(jīng)破水器后水股撕裂形態(tài)較好，且門(mén)頂均勻布置4個(gè)破水器即可滿足水流門(mén)后空腔輸氣要求，該布置方案可供工程設(shè)計(jì)采用。

4結(jié)論

（1）隨著翻板門(mén)開(kāi)度的加大，下泄流量加大，門(mén)頂溢流形成封閉水舌負(fù)壓空腔，這是引發(fā)閘門(mén)振動(dòng)的振動(dòng)源，需要處理。

（2）閘門(mén)開(kāi)度e=0°～55°時(shí)，過(guò)閘水流呈現(xiàn)挑射跌流，門(mén)后通氣不暢，門(mén)頂后部會(huì)呈現(xiàn)負(fù)壓空腔；閘門(mén)開(kāi)度e=50°時(shí)，門(mén)頂后部負(fù)壓空腔出現(xiàn)負(fù)壓峰值，試驗(yàn)測(cè)得負(fù)壓為-2.258×9.8kPa，需要高度重視。

（3）閘門(mén)布置優(yōu)化重點(diǎn)是加強(qiáng)水舌下部空腔通氣及優(yōu)化門(mén)頂破水器體形，提高通氣能力。通過(guò)系列模型試驗(yàn)研究對(duì)比，提出了在閘墩兩側(cè)增設(shè)通氣孔方案，實(shí)現(xiàn)了滿足中等開(kāi)度的水舌補(bǔ)氣要求。

（4）門(mén)頂破水器體形設(shè)計(jì)關(guān)系到水舌摻氣有效性，試驗(yàn)證明本項(xiàng)研究推薦的破水器布置方案摻氣效果較好，可在工程中采用。

（5）閘門(mén)流激振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果顯示，閘門(mén)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)量處于可控范圍，在確保閘門(mén)可靠通氣的前提下閘門(mén)結(jié)構(gòu)可以安全運(yùn)行。