侯家壩閘鋼閘門結(jié)構(gòu)流激振動試驗研究

馮佳佳，程 博，何仕強(qiáng)，姚 璐

（南京市水利規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，江蘇 南京 210000）

1 概述

1.1 工程概況

侯家壩灌區(qū)位于南京市浦口區(qū)石磧河上游，建于20世紀(jì)60年代,是以侯家壩電灌站、侯家壩閘為樞紐的灌區(qū)，具提水灌溉、蓄水、泄洪功能，目前灌溉面積約5.0萬畝。侯家壩閘功能為蓄水、泄洪。

侯家壩閘拆建工程設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，設(shè)計過閘流量277.78 m3/s。閘工程等別為Ⅲ等，規(guī)模為中型，主要建筑物級別為3級，次要建筑物級別為4級。正常蓄水位9.0 m；通過設(shè)計流量時閘前水位為9.7 m，閘下自由出流。

水閘采用開敞式結(jié)構(gòu)，順?biāo)飨蛞来螢檫M(jìn)口段、閘室控制段及閘室出口1∶3泄槽段，與河底順接。閘門上游側(cè)設(shè)檢修門槽，閘孔總寬36 m，分為3孔，單孔凈寬12 m，堰頂高程為6.8 m，閘門頂高程9.0 m，門庫底高程5.7 m，閘墩頂高程11.2 m。整底板厚1～1.2 m，順?biāo)飨蜷L度13.5 m；中墩厚1（1.5）m，邊墩厚0.9（1.15）m。閘上游側(cè)設(shè)工作便橋，總寬3.0 m，采用預(yù)制空心橋板，厚0.85 m。

工作閘門采用長支臂平面下臥式鋼閘門，閘門底檻高程6.8 m。閘門面板朝向石磧河側(cè)，門背梁系朝向上游側(cè)。閘門全關(guān)時門葉向上游傾斜20°以減小行程。閘門全開時平臥并完全沒于門庫中，門庫底高程為5.7 m。

1.2 試驗研究的目的和意義

閘門是水利工程中最常見的擋水結(jié)構(gòu)，確保閘門的正常運(yùn)行對整個水利樞紐尤其關(guān)鍵。閘門工作時，在動水作用下常發(fā)生流激振動，而劇烈的振動會影響閘門的安全可靠運(yùn)行。研究閘門流激振動問題應(yīng)從結(jié)構(gòu)受到的外激勵荷載和結(jié)構(gòu)的自身固有特性入手。當(dāng)進(jìn)行門的動態(tài)分析時，將結(jié)構(gòu)的固有頻率與作用水流的脈動頻率進(jìn)行比較，使閘門的固有頻率與水流的脈動頻率相近，以確保閘門結(jié)構(gòu)的動力安全[1-3]。

通過模型試驗研究，解決本工程的關(guān)鍵技術(shù)難點，使閘門布置更趨合理，確保閘門的安全運(yùn)行及水閘平順泄洪，為工程施工、設(shè)計及制定合適的運(yùn)行方式提供科學(xué)依據(jù)[1]。

開展該項試驗研究旨在完善閘門設(shè)計，優(yōu)化閘門布置，以便滿足工程投資節(jié)省、水流條件好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠、運(yùn)行管理方便等要求。因此，深入做好該項試驗研究工作具有重要科學(xué)意義和工程價值[2]。

1.3 閘門振動試驗部分試驗研究

（1）測定閘門面板和背板及底緣、邊緣上的動水時均壓力分布和脈動壓力分布；

（2）測量閘門在水流脈動荷載作用下的水彈性振動動力響應(yīng)參數(shù)，包括閘門結(jié)構(gòu)的振動加速度；

（3）綜合分析閘門產(chǎn)生振動的原因，提出減振措施，并為閘門開啟運(yùn)行提供依據(jù)。

1.4 試驗工況

試驗工況重點考慮閘門開啟或關(guān)閉過程的結(jié)構(gòu)流激振動問題。

1.5 研究方法與途徑

本次研究以物理模型試驗為主，分析計算為輔。為提高試驗成果精度，選用較大比尺，按重力相似準(zhǔn)則建立整體正態(tài)水工模型，采用振動傳感器測量閘門振動參數(shù)，進(jìn)行閘門流激振動特性評價。

2 模型設(shè)計制作和儀器設(shè)備

2.1 模型范圍

模型范圍系根據(jù)試驗?zāi)康囊蠛驮囼瀮?nèi)容確定，模型完整模擬了水閘、消力池、下游河道等范圍。

2.2 模型設(shè)計和制作

模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計，取幾何尺度比尺Lr=20，空間三向尺度比尺相同，為正態(tài)整體模型[3]。各模型水流參數(shù)間存在以下關(guān)系：幾何比尺采用Lr；流量比尺Qr=L；壓強(qiáng)比尺Pr=Lr；流速比尺Vr和時間比尺Tr：Vr=Tr=L；糙率比尺 nr=L，由此推算其他各項參數(shù)比尺見表1。

表1 參數(shù)比尺

為方便觀察水流流態(tài)和滿足糙率相似，主要試驗段采用有機(jī)玻璃制作。流激振動測試?yán)脤ｍ椩囼災(zāi)Ｐ汀．?dāng)前主要進(jìn)行了水力學(xué)及工作門的模型試驗，其中閘門模型有以下2種：

（1）工作閘門動水壓力荷載模型試驗，該模型采用有機(jī)玻璃制造而成，主要用于測量作用于閘門結(jié)構(gòu)的時均動水壓力和脈動壓力，見圖1。

圖1 閘門水動力學(xué)模型

（2）工作閘門水彈性模型試驗，該模型采用水彈材料制造而成，主要用于測量作用于閘門結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)，見圖2。

圖2 閘門水彈性模型

3 閘門動水壓力分布特性

3.1 閘門時均壓力分布特性

在閘門全關(guān)閉工況，閘門門上的時均壓力測點布置見圖3。

閘門上壓力分布在大多數(shù)其他情況下沒有異常，主要在接近全關(guān)位時，門頂部部分測點出現(xiàn)負(fù)壓，應(yīng)該與此時門后存在的氣囊有關(guān)；支臂側(cè)邊及背水面出現(xiàn)負(fù)壓。出現(xiàn)這些負(fù)壓的情況是符合常理的，對于閘門的安全沒有決定性影響。閘門頂各高程時均壓力分布詳見圖4、圖5。

圖3 閘門門上時均壓力測點布置示意圖

圖4 閘門上時均壓力分布特性圖

圖5 閘門上時均壓力分布特性圖

3.2 閘門脈動壓力分布特性

試驗主要測量了上游9.7 m、下游6 m情況下3孔同步均勻開啟情況下，閘門過流時的閘門脈動壓力情況。測得閘門上脈動壓力均方根值及隨閘門頂高程的變化關(guān)系，見圖6。

4 閘門流激振動特性

4.1 模型設(shè)計和測點布置

工作閘門要求動水操作，并能夠局部開啟調(diào)節(jié)流量。流態(tài)和水動力作用復(fù)雜，需要重點關(guān)注在不同上下游水位、閘門開度等參數(shù)在多組變化的水力學(xué)參數(shù)下，閘門運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的不利振動問題，對存在問題提出處理方法和措施。

從本質(zhì)上講，閘門流激振動屬于水彈性振動范疇，在動水作用下的運(yùn)行符合如下動力方程：

[M]｛D｝+[C]｛D｝+[K]=｛F｝+｛F1｝+｛F2｝ （1）式中，[M]、[C]、[K]分別為質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；｛D｝、｛D｝、｛D｝分別表示結(jié)點的加速度向量、速度向量和位移向量；｛F｝表示作用在水—固接觸界面結(jié)點上的動水壓力向量，一般包括：｛F1｝是閘門為靜止?fàn)顟B(tài)時作用在閘門上的水流動荷載向量，｛F2｝是由于閘門振動引起的擾動流場作用在流固界面上的附加荷載[4]。

本項試驗的閘門門體及支臂結(jié)構(gòu)采用完全水彈性模型進(jìn)行制作，并展開動水作用下閘門流激振動特性研究。啟閉桿亦采用彈性桿模擬。全水彈性模型既滿足水動力學(xué)相似，同時滿足結(jié)構(gòu)動力學(xué)相似及其流固耦合振動相似，能夠較好的預(yù)報閘門結(jié)構(gòu)的流激振動特性。閘門結(jié)構(gòu)的制作具有如下特點：（1）閘門支鉸采用機(jī)械加工的支鉸結(jié)合關(guān)節(jié)軸承模擬，同心度好，轉(zhuǎn)動靈活；（2）底止水、側(cè)止水橡皮采用空心橡膠管模擬，與閘室邊壁處于非接觸的狀態(tài)，能夠滿足閘門側(cè)邊水力學(xué)相似且不會產(chǎn)生過大的摩擦力；在運(yùn)行過程中底止水僅為幾何相似起到約束水流的作用。

試驗過程中閘門上下游水位主要通過控制進(jìn)水、出水閥門及平水槽進(jìn)行，兩側(cè)平水槽可以穩(wěn)定溢出模型最大流量的10%，實際使用其1%～5%的容量，可以保證平水槽在更發(fā)揮穩(wěn)定水位作用的情況下不因溢出過大流量導(dǎo)致局部流態(tài)不穩(wěn)和上下游水位波動影響試驗結(jié)果。

閘門控制方面，活塞桿總長、門葉頂高程與轉(zhuǎn)角的關(guān)系見圖7。

為了獲取閘門運(yùn)行過程中的振動特性，在工作閘門上重點部位共布置了若干個振動加速度傳感器及應(yīng)變片。

4.2 閘門振動加速度特性

試驗主要測量了上游9.7 m、下游6 m情況下，3孔同步均勻開啟情況下，閘門過流時的閘門振動加速度情況。測得振動加速度特性及隨閘門頂高程的變化關(guān)系，見圖8。

圖6 門體脈動壓力均方根值隨閘門門頂高程變化關(guān)系圖

圖8 閘門振動加速度隨閘門門頂高程變化關(guān)系

門體振動加速度均方根值最大出現(xiàn)在近全關(guān)位時的2y測點，為0.378 m/s2，啟閉桿振動加速度均方根值最大出現(xiàn)在近全關(guān)位時的q3z測點，為0.112 m/s2。振動加速度均方根值隨著開度的減小而呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。

從振動加速度來看，其振動特點為：

（1）在近全關(guān)位過流狀態(tài)下，門底過流可能增大了水體對閘門的作用，可通過改善門底的水流過流條件來減小其影響，但底止水部分或許較難通過修改來改善其潛在的不利影響；

（2）在近全關(guān)位過流情況下，門頂過流形成空腔后引起的門頂水流不穩(wěn)定流動對閘門產(chǎn)生不利影響，應(yīng)通過破水刀補(bǔ)氣來消除此影響；

（3）通常認(rèn)為啟閉桿在伸長情況下更易被激發(fā)振動，但目前所測量得到的啟閉桿振動加速度在閘門全關(guān)情況的振動比全開時的反而略大一些，表明啟閉桿受到門體的振動狀態(tài)的不利影響，隨著近全關(guān)位門后氣囊問題的解決，閘門門體振動加速度下降后啟閉桿的振動亦隨之減弱；

從功率譜密度來看：振動加速度大部分能量集中前幾Hz以內(nèi)的頻段內(nèi)。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

（1）本項試驗采用閘門水彈性振動模型的方法，系統(tǒng)研究了侯家壩閘結(jié)構(gòu)流激振動問題。取得了流激振動響應(yīng)特征研究成果，為評價閘門結(jié)構(gòu)的運(yùn)行安全性提供了科學(xué)依據(jù)。

（2）對閘門結(jié)構(gòu)的動水壓力研究顯示：閘門上壓力分布主要在接近全關(guān)位時，門頂溢流門后存在氣囊，門頂、支臂側(cè)邊及背水面出現(xiàn)負(fù)壓；其他情況下壓力分布未見異常。

（3）閘門流激振動結(jié)果顯示：在上游水位9.7 m時，閘后自由出流，3孔閘門均勻同步開啟的門體振動加速度均方根值最大出現(xiàn)在近全關(guān)位時狀態(tài)，為0.378 m/s2，啟閉桿振動加速度均方根值最大出現(xiàn)在近全關(guān)位時，為0.112 m/s2。振動加速度均方根值隨著開度的減小而呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。在近全關(guān)位狀態(tài)下，門底過流增大了水體對閘門的作用；在近全關(guān)位過流情況下，門頂過流形成空腔后引起的門頂水流不穩(wěn)定流動對閘門產(chǎn)生不利影響；從功率譜密度來看，振動加速度大部分能量集中在前幾Hz以內(nèi)的頻段內(nèi)。從激勵的角度看，主要反映水流的低頻作用。

5.2 建議

由于工程現(xiàn)場不確定因素較多，尤需要加強(qiáng)水力學(xué)原型監(jiān)測，尤其水閘初運(yùn)行階段的閘門流激振動。