張曉芳，余代廣，劉紅坤，陳 照

（南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京 212000）

一體化泵閘是將泵站和水閘一體式布置的泵閘，由鋼閘門(mén)、閘門(mén)泵、拍門(mén)和控制結(jié)構(gòu)等組成。該類閘門(mén)泵可大大提高土地利用效率，縮短建設(shè)周期，同時(shí)具有安裝維護(hù)簡(jiǎn)單、便于自動(dòng)化運(yùn)行管理等特點(diǎn)［1，2］。一體化泵閘在歐洲使用已有20多年歷史，最大一體化泵閘位于荷蘭，單泵流量達(dá)到13.33 m3/s。在小口徑一體化泵閘的應(yīng)用研究中，有地區(qū)［3］已總結(jié)提出一套當(dāng)?shù)氐倪m用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。但較大口徑一體化泵閘在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用實(shí)例及研究成果較少［4］。目前研究成果多為閘門(mén)自激振動(dòng)和測(cè)控方面。鑒于自激振動(dòng)主要由水流脈動(dòng)頻率及水泵自身振頻接近時(shí)產(chǎn)生。有學(xué)者［5］進(jìn)行了多個(gè)原型和模型試驗(yàn)，得出約93%的閘門(mén)水流脈動(dòng)主頻率在1～20 Hz范圍內(nèi)變化，超過(guò)20 Hz的極少。水泵自身振動(dòng)主要是由機(jī)組轉(zhuǎn)子的不平衡轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)和水流通過(guò)泵體引起的振動(dòng)。有學(xué)者［6］在圩區(qū)整治工程中應(yīng)用一套小流量低水頭的一體化泵閘系統(tǒng)，重點(diǎn)研究了閘門(mén)門(mén)葉高度及型式的優(yōu)化選取。有學(xué)者［7，8］針對(duì)引水工況，進(jìn)行相關(guān)調(diào)度方案對(duì)閘門(mén)泵影響程度分析，提出水泵與水流耦合振頻宜不大于30 Hz。為避免泵的振動(dòng)頻率與閘門(mén)振動(dòng)頻率接近導(dǎo)致的共振破壞，一體化閘門(mén)泵的設(shè)計(jì)優(yōu)化是十分必要的。目前對(duì)于小口徑的閘門(mén)泵設(shè)計(jì)中，有研究［9，10］閘體門(mén)葉中心線偏差需控制在1.5 mm 內(nèi)，且對(duì)接焊縫加強(qiáng)高度不宜大于3 mm；也有改進(jìn)葉輪結(jié)構(gòu)，增加葉片至7 片以減小轉(zhuǎn)動(dòng)噪聲及振動(dòng)［11］；有學(xué)者［12］在門(mén)葉設(shè)計(jì)中提出其高度應(yīng)為淹沒(méi)深度、擋水超高、安裝高度之和。鑒于大口徑閘門(mén)泵應(yīng)用尚少，在板厚及減振加固方面研究仍有不足。

本文基于鹽河泵閘工程中大口徑一體化泵閘設(shè)計(jì)，進(jìn)行三維參數(shù)化數(shù)值分析，提出從參數(shù)調(diào)整（門(mén)葉厚度、板結(jié)構(gòu)厚度）和結(jié)構(gòu)調(diào)整（穿墻管、板結(jié)構(gòu)）兩方面，進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)敏感性分析。通過(guò)結(jié)構(gòu)變形破壞位置、程度、類型等綜合分析相應(yīng)參數(shù)推薦取值范圍，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)。同時(shí)針對(duì)閘門(mén)泵振動(dòng)、防腐等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了分析論證。確保工程能夠切實(shí)發(fā)揮應(yīng)有的功能，保障工程順利實(shí)施運(yùn)行，為類似工程提供參考依據(jù)。

1 一體化泵閘設(shè)計(jì)及模型

1.1 鹽河泵閘工程概況

鹽倉(cāng)鹽河大塘配套加固工程擬在現(xiàn)有鹽河主閘的基礎(chǔ)上配套排澇泵站，項(xiàng)目區(qū)地處鹽倉(cāng)大河入?？谔帲}河大塘中部，整體位于軍區(qū)范圍內(nèi)。經(jīng)防洪排澇計(jì)算分析，需在現(xiàn)有鹽河主閘6 孔×3 m、總凈寬18 m 規(guī)模的基礎(chǔ)上配套27 m3/s 的排澇能力，才能符合規(guī)劃要求，即滿足鹽倉(cāng)片區(qū)1 年一遇最大1 小時(shí)暴雨設(shè)計(jì)，并滿足20 年一遇24 小時(shí)最大暴雨不受淹的標(biāo)準(zhǔn)。綜合考慮用地及功能需求，工程擬選用一體化泵閘型式，實(shí)現(xiàn)在滿足防洪規(guī)劃要求的基礎(chǔ)上，最大化利用原有基建以降低工程投資。考慮大直徑閘門(mén)泵具有系統(tǒng)諧振不穩(wěn)定、重量過(guò)大、底板過(guò)深而引起的易發(fā)生振動(dòng)破壞、地基處理難度大、易淤積等不利因素。鹽河泵閘擬采用小直徑、多臺(tái)數(shù)、嵌入式安裝的整體布置方案。方案采用1 200 mm 口徑水泵配合適當(dāng)厚度的鋼閘門(mén)，利用原有樁基，可節(jié)省工期、施工難度相對(duì)較小。同時(shí)為提高水泵數(shù)量與現(xiàn)有閘門(mén)寬度的適應(yīng)度，解決結(jié)構(gòu)受力不均衡、淤積等問(wèn)題，推薦采用6 孔×3.0 m 閘門(mén)泵，閘門(mén)泵選型為1200QGLN-125，共安裝6 臺(tái)水泵。額定轉(zhuǎn)速為365 r/min，換算成強(qiáng)迫振動(dòng)頻率約為6 Hz。同時(shí)考慮水流脈動(dòng)主頻率一般不超過(guò)20 Hz，提出本次分析強(qiáng)迫振動(dòng)頻率范圍約為1～20 Hz。

圖1 鹽河閘位置及周邊環(huán)境示意圖Fig.1 Map of Salt River lock location and surrounding environment

1.2 計(jì)算模型

一體化泵閘閘門(mén)主要包括門(mén)葉結(jié)構(gòu)、泵體、主滑塊、反向滑塊、側(cè)向限位、側(cè)滾輪、底部支撐、閘門(mén)止水。為便于計(jì)算和網(wǎng)格劃分對(duì)閘門(mén)結(jié)構(gòu)進(jìn)行概化，模型構(gòu)建不考慮鎖定槽口、漏水孔、尺寸小于20 mm 的倒角、倒圓角，螺栓孔等特征，采用inventor對(duì)一體化泵閘進(jìn)行參數(shù)化建模，并導(dǎo)入Midas進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分。其中門(mén)體結(jié)構(gòu)、泵體結(jié)構(gòu)、泵支撐結(jié)構(gòu)、邊梁腹板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)拆分為獨(dú)立模型導(dǎo)入，各結(jié)構(gòu)單元之間采用接觸模式連接。主滑塊、底部支撐采用質(zhì)地較硬的FGB 材料，可視為剛體，主滑塊采用順?biāo)鞣较蛭灰萍s束，底部支撐采用重力方向位移約束；側(cè)止水采用SF6574 材料及反向止水采用聚四氟乙烯材料均為彈性質(zhì)地，可視為彈性約束；閘門(mén)為固定約束。模型網(wǎng)格共剖分為約19.8 萬(wàn)個(gè)單元體和39.5 萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)。對(duì)于一體化泵閘的數(shù)值模擬計(jì)算，邊界條件主要施加葉輪傳導(dǎo)到閘門(mén)上的力及上下游水位對(duì)閘門(mén)的正應(yīng)力。相關(guān)門(mén)體及泵體材料參數(shù)詳見(jiàn)表1，法向及切向剛度比例因子默認(rèn)值均為1，主段延伸率取默認(rèn)值0.005。一體化泵閘三維模型網(wǎng)格剖分詳見(jiàn)圖2。

表1 一體化泵閘模型材料參數(shù)列表Tab.1 Material parameter list of integrated pump brake model

圖2 一體化泵閘模型網(wǎng)格劃分示意圖Fig.2 Grid partition diagram of integrated pump gate model

2 設(shè)計(jì)參數(shù)敏感性分析

2.1 門(mén)葉厚度影響分析

在門(mén)厚對(duì)一體化泵閘的影響分析中，分析范圍為350～800 mm，以50 mm為遞增尺寸。根據(jù)前10階模態(tài)頻率（圖3）及相應(yīng)模態(tài)特征，1～3階時(shí)主要為穿墻管位置振動(dòng)，門(mén)厚的變化對(duì)其影響較小；4階時(shí)閘門(mén)振型主要為上部整體彎曲，振頻隨門(mén)厚增加而增加，振幅隨門(mén)厚增加而減小。5 階時(shí)閘門(mén)振型主要為門(mén)頂兩端翹曲，翹曲程度隨門(mén)厚增加而減小，當(dāng)門(mén)厚大于750 mm 時(shí)振型趨于平穩(wěn)。6～10階閘門(mén)振型主要為板結(jié)構(gòu)振動(dòng)，振頻隨門(mén)厚增加而減小。故建議設(shè)計(jì)中適當(dāng)增加門(mén)葉厚度以提高閘門(mén)整體剛度，同時(shí)對(duì)區(qū)隔較大的面板、腹板結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)加固，以控制共振頻域。

圖3 不同門(mén)厚規(guī)格對(duì)應(yīng)振動(dòng)頻率與模態(tài)變化規(guī)律曲線圖Fig.3 Curve of vibration frequency and modal variation law corresponding to different door thickness specifications

2.2 板結(jié)構(gòu)厚度影響分析

閘門(mén)設(shè)計(jì)中門(mén)葉板件厚度直接影響閘門(mén)的門(mén)重、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及抗振能力。鑒于平面鋼閘門(mén)多為焊接結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)過(guò)程中為便于生產(chǎn)加工，板件型號(hào)規(guī)格多為兩種尺寸的組合。其中面板、腹板板厚一般較薄，翼緣一般較厚，常用板厚設(shè)計(jì)范圍為10～24 mm。例如10 mm 的面板及腹板，通常搭配12 mm 翼緣板，記作板厚T10-12。在板厚對(duì)閘門(mén)振動(dòng)的影響分析中，選取T10-12，T12-14，T14-16，T16-18，T18-20，T20-22，T22-24七種不同的板厚組合。根據(jù)振動(dòng)頻率曲線分析，板厚對(duì)于6～10階的高階振頻影響較大，對(duì)于1～5階的低階振頻影響可忽略?？梢?jiàn)，高階振頻對(duì)應(yīng)的振型影響以面板、腹板為主，鑒于閘門(mén)自身振動(dòng)安全頻域?yàn)?～20 Hz，僅有T10-12 共振頻率小于20 Hz，不滿足閘門(mén)自身振動(dòng)安全頻域要求，其他組合均滿足要求。且考慮經(jīng)濟(jì)性及加工要求，板件厚度不宜過(guò)厚。故可得當(dāng)閘門(mén)寬高比小于0.6 且泵外徑與閘門(mén)寬之比接近0.5 時(shí)，建議采用T12-14 或T14-16板厚組合。

圖4 不同板厚組合對(duì)應(yīng)振動(dòng)頻率與模態(tài)變化規(guī)律曲線圖Fig.4 Curve of vibration frequency and modal change law corresponding to different plate thickness combinations

2.3 穿墻管加固分析

較常規(guī)平面鋼閘門(mén)，一體化閘門(mén)泵是在其基礎(chǔ)上增設(shè)穿墻管，而穿墻管與閘門(mén)連接處的設(shè)計(jì)直接影響閘門(mén)的整體穩(wěn)定及其抗振能力。本次進(jìn)行橫肋、縱肋、斜肋及背板的七種組合方案（圖5）的穿墻管穩(wěn)定效果分析。由圖6 可知，方案一對(duì)應(yīng)的1～3 階時(shí)穿墻管與面板連接區(qū)域發(fā)生振動(dòng)，導(dǎo)致周邊面板發(fā)生局部變形，4 階時(shí)閘門(mén)出現(xiàn)上部豎向彎曲振型［圖7（a）］，可見(jiàn)4階為該方案振型變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。方案二及方案三的轉(zhuǎn)折點(diǎn)為3階，方案四及方案六的轉(zhuǎn)折點(diǎn)為1階，方案五及方案七的轉(zhuǎn)折點(diǎn)為2階。綜合分析，單獨(dú)的縱、橫肋加固可以提高穿墻管與面板連接區(qū)域的剛度，但存在將穿墻管周邊面板局部變形發(fā)展為閘門(mén)上部扭曲變形［圖7（b）］的可能。橫+縱組合及背板加固方案可以減少上述局部変形，但仍有發(fā)展為閘門(mén)整體雙向彎曲［圖7（c）］及翼緣波型彎曲的可能。故橫+縱+斜肋的方案加固效果最為顯著，斜肋方案其次。

圖5 穿墻管加固方案示意圖Fig.5 Schematic diagram of the wall pipe reinforcement scheme

圖6 不同穿墻管加固方案對(duì)應(yīng)振動(dòng)頻率與模態(tài)變化規(guī)律曲線圖Fig.6 Curve of vibration frequency and modal change law corresponding to different wall pipe reinforcement schemes

圖7 帶有穿墻管的閘門(mén)振型發(fā)展示意圖Fig.7 Schematic diagram of vibration pattern development of gate with wall pipe

2.4 腹板結(jié)構(gòu)加固分析

2.4.1 邊梁腹板結(jié)構(gòu)加固

若穿墻管所在區(qū)格較大，需同時(shí)對(duì)邊梁腹板進(jìn)行加固。選取邊梁與縱梁間的無(wú)肋板、單肋板、雙肋板3種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析。由圖8 和表2 可見(jiàn)，無(wú)肋板方案邊梁腹板共振現(xiàn)象多出現(xiàn)在5-6-7階，單肋板及雙肋板方案均可提高邊梁剛度，降低振幅最大約70.8%。綜合考慮簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)加工工藝及降低材料成本，建議一體化泵閘邊梁腹板采用單肋板加固方案較好。

表2 不同邊梁腹板加固方案產(chǎn)生共振時(shí)對(duì)應(yīng)最大振幅列表Tab.2 List of the maximum amplitudes corresponding to the resonance generated by different side beam web reinforcement schemes

圖8 不同邊梁腹板加固方案對(duì)應(yīng)振動(dòng)頻率與模態(tài)變化規(guī)律曲線圖Fig.8 Curve of vibration frequency and modal variation law corresponding to different side beam web reinforcement schemes

2.4.2 主梁腹板結(jié)構(gòu)加固

主梁部分的加固，選取單側(cè)角加勁肋、單側(cè)通長(zhǎng)肋、雙側(cè)角加勁肋、雙側(cè)通長(zhǎng)肋四種設(shè)計(jì)方案（圖9）進(jìn)行分析。由表3 可知：主梁腹板振動(dòng)變形通常發(fā)生在10-11階；單側(cè)角肋和雙側(cè)角肋加強(qiáng)方案對(duì)降低振幅作用較?。粏蝹?cè)通長(zhǎng)肋與雙側(cè)通長(zhǎng)肋方案均可有效提高主梁腹板剛度，加固效果較為接近。綜合考慮結(jié)構(gòu)受力均衡及美觀，故建議一體化泵閘主梁腹板采用對(duì)稱型式的雙側(cè)通長(zhǎng)肋板加固較好。

表3 不同主梁腹板加固方案產(chǎn)生共振時(shí)對(duì)應(yīng)最大振幅列表Tab.3 List of the maximum amplitudes corresponding to the resonance generated by different main beam web reinforcement schemes

圖9 主梁腹板加固方案示意圖Fig.9 Schematic diagram of main girder web reinforcement scheme

3 一體化泵閘抗振效果分析

泵站進(jìn)口側(cè)鹽倉(cāng)大河為平原河道，水位隨流域內(nèi)降雨量變化而變化，泵站出口側(cè)為東海，屬于非正規(guī)半日淺海潮，因此水泵揚(yáng)程隨外海潮位漲落和內(nèi)河水位的變化較為頻繁，排澇期間水泵運(yùn)行揚(yáng)程變幅較大。在水泵運(yùn)行時(shí)段內(nèi)流量不是固定的，流量變化范圍多為1～10 m3/s。根據(jù)《水利水電工程鋼閘門(mén)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》，關(guān)于鋼閘門(mén)和動(dòng)力支承結(jié)構(gòu)的共振驗(yàn)算要求如下：自振頻率與強(qiáng)迫振動(dòng)頻率及機(jī)組轉(zhuǎn)頻之差均應(yīng)大于20%。根據(jù)動(dòng)態(tài)模擬分析計(jì)算結(jié)果（表4），各種條件下自振頻率與強(qiáng)迫振動(dòng)頻率之差和自振頻率之比均大于20%，尤其是運(yùn)行過(guò)程中較常發(fā)生的振頻前三階，均超規(guī)范要求約3～8倍。故認(rèn)為動(dòng)態(tài)模擬分析驗(yàn)算結(jié)果能夠避免一體化泵閘發(fā)生共振，且有一定的安全余量。

表4 一體化泵閘特征頻率模態(tài)成果對(duì)比表Tab.4 Comparison table of characteristic frequency modal results of integrated pump gate

4 一體化泵閘防腐性能分析

對(duì)于水質(zhì)較差或腐蝕性較強(qiáng)的海水等環(huán)境，區(qū)別于一般閘門(mén)，一體化閘門(mén)泵的防腐要求需更高。為保證主泵的使用壽命，經(jīng)真機(jī)防腐試驗(yàn)，不同位置的構(gòu)件所采用的較為有效的措施總結(jié)如下。

4.1 主泵防腐蝕措施

水泵葉片、導(dǎo)葉片、安裝螺栓和螺母等采用雙相不銹鋼2205，整鑄、數(shù)控加工，并做無(wú)損探傷試驗(yàn)；水泵外殼和內(nèi)腔體采用CCSA船用鋼。水泵設(shè)備安裝件和管路連接件均采用2205雙相不銹鋼。主泵電機(jī)采用真空浸漆沖片壓裝工藝防腐。沖片之間，在壓裝以后，用真空抽氣把沖片之間的微小間隙之間的空氣抽出，然后用壓力將防銹漆注入，充滿沖片間的所有間隙，達(dá)到硅鋼片層間的有效防腐。金屬零部件加工完成后配合表面噴漆防腐及產(chǎn)品總裝完成后外表面裝飾漆層的噴涂防護(hù)處理工藝，按SL105-2007、《SIPZC 涂敷工藝守則》和《全貫流潛水泵及安裝系統(tǒng)表面涂敷工藝守則》進(jìn)行處理。

4.2 鋼閘門(mén)及埋件防腐蝕措施

閘門(mén)泵配套安裝露頂滑動(dòng)平面直升式鋼閘門(mén)，閘門(mén)主材Q345B，主滑塊及側(cè)滾輪為工程塑料合金，反向滑塊為四氟乙烯，其他支承塊、水封橡皮材質(zhì)均為SF6574，螺栓連接件均為2205 不銹鋼。門(mén)葉前、后面板處與水泵連接的焊接法蘭面、滑塊安裝面要求機(jī)械精加工；所有螺栓孔均要求配鉆。水泵閘門(mén)埋件全部要求二期方式預(yù)埋。閘門(mén)外露非不銹鋼表面防腐采用噴鋅鋁合金+涂料封閉方式，表面處理到Sa2.5 級(jí)別，熱噴鋅鋁合金2 層，總厚度200 μm；再噴涂油漆層，底漆為環(huán)氧富鋅漆，厚60 μm；中間漆為環(huán)氧云鐵，厚80 μm；面漆采用改性耐磨環(huán)氧涂料，厚100 μm；涂層厚度均指干膜厚度。

5 結(jié) 語(yǔ)

（1）通過(guò)三維模型計(jì)算分析與真機(jī)試驗(yàn)，對(duì)于較大口徑的一體化閘門(mén)泵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了振頻與振型的系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)門(mén)葉結(jié)構(gòu)厚度（梁高）對(duì)閘門(mén)整體剛度影響較大，是初步設(shè)計(jì)中主要確定的參數(shù)之一。一體化泵閘由于其閘門(mén)開(kāi)孔的特殊形式，門(mén)厚的確定一般在同規(guī)格普通平板閘門(mén)的基礎(chǔ)上適當(dāng)加厚。門(mén)葉板件厚度建議取值范圍為12～16 mm。

（2）穿墻管與閘門(mén)連接處的設(shè)計(jì)，是提升一體化閘門(mén)泵抗振性能的關(guān)鍵。對(duì)于穿墻管周邊區(qū)格板范圍內(nèi)采用對(duì)稱的米字型肋條加固效果最佳。主梁及邊梁腹板以通長(zhǎng)肋加固效果最佳。經(jīng)動(dòng)態(tài)模擬分析，在3.0 m 寬閘門(mén)上開(kāi)2.0 m 洞，該口徑閘門(mén)泵在穿墻管周邊區(qū)格及腹板優(yōu)化加固后，能夠避免泵閘共振。

（3）一體化閘門(mén)泵占地小、施工簡(jiǎn)易等特點(diǎn)明顯，且易實(shí)現(xiàn)智慧化、信息化管理，建議在大中型泵閘工程中推廣應(yīng)用及研究。總結(jié)提煉出成體系的主要設(shè)計(jì)參數(shù)和指標(biāo)，形成系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，為后續(xù)應(yīng)用推廣提供參考和借鑒。