中山河翻板閘門流激振動試驗及優(yōu)化設(shè)計

徐惠民 嚴根華 陳照

摘要：底軸驅(qū)動式翻板閘門結(jié)構(gòu)的泄水方式系門頂溢流，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)閘門結(jié)構(gòu)強烈振動，對結(jié)構(gòu)安全運行造成嚴重威脅。通過水彈性振動模型試驗研究了底軸驅(qū)動式翻板門的水力特性和閘門結(jié)構(gòu)的流激振動特性，觀測了閘門運行過程中的水流流態(tài)，取得了作用于閘門結(jié)構(gòu)的水流脈動壓力，給出了閘門結(jié)構(gòu)的流激振動加速度、位移及應(yīng)力等動力響應(yīng)參數(shù)，通過隨機數(shù)據(jù)分析獲得了各種動力參數(shù)的譜特征和安全性評價數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，對影響翻板門運行安全穩(wěn)定的射流空腔通氣問題進行系統(tǒng)試驗研究，提出了門頂設(shè)置破水器的優(yōu)化布置方案和閘墩兩側(cè)設(shè)置通氣孔的補氣措施，避免了不穩(wěn)定負壓空腔可能產(chǎn)生的壓力振蕩。

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

中圖分類號：TV663

文獻標志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.07.023

底軸驅(qū)動式翻板閘門是一種近年來應(yīng)用于城市水環(huán)境整治和建設(shè)的新門型。其泄水方式系門頂溢流，特有的水動力特性有別于常規(guī)門型，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)閘門結(jié)構(gòu)強烈振動，對結(jié)構(gòu)安全運行造成嚴重威脅。因此，需要開展水彈性振動模型試驗對閘門結(jié)構(gòu)的流激振動特性進行系統(tǒng)試驗研究，掌握該型閘門結(jié)構(gòu)的運行性態(tài)，對存在的問題提出處理方案，并通過優(yōu)化設(shè)計來確保閘門安全運行。

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)，閘門采用底軸驅(qū)動式翻板門閘型。

1閘門結(jié)構(gòu)的水動力特性

1.1水流流態(tài)特征

中山河閘門開啟泄流過程中水閘泄流流態(tài)類似傾斜薄壁堰。試驗工況：上游水位9.5m，下游水位7.5m，閘門開度e=0.0°～90.0°（工況1）；上游水位9.0m，下游水位7.0m，閘門開度e=30.0°～90.0°（工況2）。不同閘門開啟角度下水流流態(tài)見表l。

1.2工作門脈動壓力特性

工作門運行過程中受到的動水荷載包含時均動水壓力和脈動壓力兩部分。為掌握作用于閘門上/下游面脈動壓力沿門體縱向的分布情況，在閘門面板上布置了5個測點（具體布置見圖1）。

工作門脈動壓力試驗在工況1、2下進行。試驗測得不同運行工況下閘門結(jié)構(gòu)脈動壓力時域過程、譜密度曲線及脈動壓力均方根隨開度的變化關(guān)系（見圖2）。

工作門脈動壓力試驗結(jié)果表明，各測點脈動壓力隨閘門開度變化不大，閘門各運行開度下最大脈動壓力均方根約為3.383kPa。從功率譜密度曲線可以看出：工作門門體脈動壓力的主能量分布在10Hz以內(nèi)，其中優(yōu)勢頻率為1Hz左右，較高頻率的脈動能量迅速衰減。

2閘門結(jié)構(gòu)的流激振動特性

從本質(zhì)上講，閘門流激振動屬于水彈性振動范疇。根據(jù)結(jié)構(gòu)運動方程，閘門的水彈性模型應(yīng)當同時滿足幾何尺寸、水流運動、結(jié)構(gòu)動力相似（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。該工程工作閘門采用鋼質(zhì)板梁結(jié)構(gòu)，其基本物理力學(xué)指標為：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)指標為：容重7.85×l04N/m3，彈性模量1.05×l04MPa，泊松比0.3。目前市場上很難買到滿足上述條件的材料，因此本試驗采用特殊研制的符合水彈性相似要求的特種材料。

2.1閘門結(jié)構(gòu)振動加速度特征

為了獲取工作閘門運行過程中的流激振動特性，在特制的水彈性閘門模型上布置了5個振動測點（測點布置見圖3），每個測點分別測取垂直面板方向（x向）、垂直水流橫向（y向）及垂直于底軸方向（z向）3個方向的振動量。采用隨機振動理論及其譜分析方法進行振動數(shù)據(jù)的處理，分別獲得閘門振動過程的譜特征和數(shù)字特征，以揭示閘門振動的頻域能量分布及振動量。

試驗在上游水位9.5m、下游水位7.0m、閘門開度e=100～900（工況3）及閘門開度e=42°、下游水位7.0m、上游水位為8.5～9.5m（工況4）兩種運行工況下進行。試驗測得的振動加速度均方根隨開度變化關(guān)系、典型測點的閘門振動加速度時域過程及譜密度見圖4。

由圖4可知：在固定水位運行工況（上游水位9.5m、下游水位7.0m）閘門面板結(jié)構(gòu)振動量總體趨勢是隨著閘門開度的減小振動響應(yīng)逐漸減弱。在閘門開度e=10°～40°時，受門后空腔不穩(wěn)定的影響振動加速度均方根有一個小范圍的提升，隨后迅速降低，閘門面板結(jié)構(gòu)頂部振動量較下部大，下部靠近底軸位置振動量較小，閘門兩側(cè)振動量較大，閘門中部振動量較小。試驗測得閘門面板結(jié)構(gòu)頂部最大振動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；閘門面板結(jié)構(gòu)底部振動加速度相對較小，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；門葉兩側(cè)最大振動加速度均方根為0.520m/s^2（Vl測點z向），門葉中部最大振動加速度均方根為0.132m/s^2（V2測點y向）。

在固定閘門開度運行工況（e=42°）閘門面板結(jié)構(gòu)振動總體趨勢是隨著上游水位的升高振動響應(yīng)逐漸增強，閘門面板結(jié)構(gòu)頂部振動量較下部大，門葉兩側(cè)振動量較門葉中部大。在下游水位7.0m、閘門開度e=42°時，上游水位從8.5m逐步變化至9.5m，試驗測得閘門面板結(jié)構(gòu)頂部振動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；閘門面板結(jié)構(gòu)底部振動加速度相對較小，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；門葉兩側(cè)最大振動加速度均方根為0.181m/s^2（VI測點z向），門葉中部最大振動加速度均方根為0.065m/s^2（ V2測點x向）。

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

2.2閘門結(jié)構(gòu)振動位移特征

為了獲取工作閘門運行過程中流激振動引起的閘門振動位移變化特性，同樣利用特制的水彈性閘門模型，對圖3中5個測點通過KD5018雙積分電荷放大器測取振動位移，每個測點分別測取閘門的垂直面板方向（x向）、垂直水流橫向（y向）及垂直于底軸方向（z向）3個方向的動位移。動位移數(shù)據(jù)的處理采用隨機振動理論及其譜分析方法進行，分別獲得閘門動位移過程的譜特征和數(shù)字特征，揭示閘門振動位移的頻域能量分布。試驗結(jié)果見圖5。

在固定水位運行 工況（上游水位9.5m、下游水位7.0m）下閘門面板結(jié)構(gòu)振動位移總體趨勢是：隨著閘門開度的減小、下泄流量逐漸減小，振動位移響應(yīng)逐漸減弱，閘門面板結(jié)構(gòu)頂部振動位移較下部靠近底軸部位大，下部靠近底軸位置振動位移相對較小，閘門兩側(cè)振動位移比閘門中部振動位移大。試驗測得該工況下閘門面板結(jié)構(gòu)頂部振動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；閘門面板結(jié)構(gòu)底部振動位移相對較小，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；門葉兩側(cè)最大振動位移均方根為4.5mm（Vl測點z向），門葉中部最大振動位移均方根為2.0 mm（ V2測點z向）。

在固定閘門開度運行工況（e=42°）下閘門面板結(jié)構(gòu)振動位移總體趨勢是：隨著上游水位的升高、下泄流量逐漸增大，振動位移響應(yīng)逐漸增強。在下游水位7.0m、閘門開度e=42°時，上游水位從8.5m逐步變化至9.5m，試驗測得閘門面板結(jié)構(gòu)頂部振動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；閘門振動位移頻率主要集中在15Hz以內(nèi)，其中優(yōu)勢頻率為1.0Hz左有，偶爾有10Hz的峰值出現(xiàn)。

2.3閘門結(jié)構(gòu)振動應(yīng)力特征

閘門結(jié)構(gòu)的動應(yīng)力測量與振動位移測量同步進行，重點考察了主要部件的動應(yīng)力狀況。測點位置包括閘門面板，橫梁腹板、翼緣，縱梁腹板、翼緣等部位，本次試驗水彈性閘門共布置22個應(yīng)力測點。動應(yīng)力測量通過對閘門結(jié)構(gòu)表面進行技術(shù)處理后，直接粘貼應(yīng)變計，并通過應(yīng)力應(yīng)變放大測量系統(tǒng)測取閘門在運行過程中各部位的動態(tài)應(yīng)變，再通過隨機分析處理專用軟件進行統(tǒng)計運算。試驗測得閘門面板最大振動應(yīng)力均方根為0.450MPa，橫梁中斷面最大振動應(yīng)力均方根為0.906MPa，中斷面縱梁最大振動應(yīng)力均方根為0.506MPa，橫梁邊斷面最大振動應(yīng)力均方根為0.313MPa，邊斷面縱梁最大振動應(yīng)力均方根為0.430MPa（典型測點的動應(yīng)力時域過程和功率譜密度見圖6）。從總體看，閘門的動應(yīng)力較小，滿足安全運行要求。

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

3閘門結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)水閘泄水流態(tài)、水流脈動壓力作用荷載以及流激振動響應(yīng)參數(shù)的測量分析，對于該類門型需要解決門頂溢流狀態(tài)下水舌下方負壓空腔問題，以減免和控制閘門結(jié)構(gòu)的振動量。

3.1通氣孔設(shè)置優(yōu)化

水流流經(jīng)翻板閘門，在閘門全關(guān)至55°范圍內(nèi)門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小開度運行時，門頂破水器將拋射水簾幕撕開或撕簿，能從撕裂或撕薄的區(qū)域向空腔內(nèi)補氣，但在高水位或閘門大開度時，拋射水體變厚，空腔封閉程度加強，下泄水流不斷帶走空腔內(nèi)部空氣，空腔負壓增大，腔內(nèi)水體抬升，易形成不穩(wěn)定空腔（閘門開度e=50°時，試驗測得該處最大負壓為-2.258×9.8kPa），故需在左、右閘墩側(cè)設(shè)置通氣孔向空腔內(nèi)補氣，以保持其輸氣、攜氣動態(tài)平衡。因此，在門葉下游面左、右閘墩側(cè)各布置兩個直徑30Cm的通氣孔。

在閘門開度e=0°～10°時，門后空腔可依靠門頂破水器撕裂的區(qū)域白行向空腔補氣而達到平衡。在閘門開度e=20°左右可通過前一道通氣孔補氣，試驗測得在上游水位9.5m、下游水位7.0m時，單側(cè)補氣量為0.12～0.25m^3/s。在閘門開度e=30°～50°時，門后空腔可通過后一道通氣孔補氣，試驗測得在上游水位9.5m、下游水位7.0m時，單側(cè)補氣量為0.17～0.60m^3/s。

3.2破水器優(yōu)化

門頂破水器的作用是在閘門小開度及低水位運行時自動撕裂拋射水舌，向門后空腔輸氣，但試驗觀察發(fā)現(xiàn)，原設(shè)計的破水器（見圖7）僅在庫水位很低時才起作用，在水位略高情況下，雖破水器未被漫頂，但水流流經(jīng)破水器后自動閉合，門后空腔依然是密閉空腔。

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

4結(jié)論

（1）隨著翻板門開度的加大，下泄流量加大，門頂溢流形成封閉水舌負壓空腔，這是引發(fā)閘門振動的振動源，需要處理。

（2）閘門開度e=0°～55°時，過閘水流呈現(xiàn)挑射跌流，門后通氣不暢，門頂后部會呈現(xiàn)負壓空腔；閘門開度e=50°時，門頂后部負壓空腔出現(xiàn)負壓峰值，試驗測得負壓為-2.258×9.8kPa，需要高度重視。

（3）閘門布置優(yōu)化重點是加強水舌下部空腔通氣及優(yōu)化門頂破水器體形，提高通氣能力。通過系列模型試驗研究對比，提出了在閘墩兩側(cè)增設(shè)通氣孔方案，實現(xiàn)了滿足中等開度的水舌補氣要求。

（4）門頂破水器體形設(shè)計關(guān)系到水舌摻氣有效性，試驗證明本項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）閘門流激振動試驗結(jié)果顯示，閘門結(jié)構(gòu)的振動量處于可控范圍，在確保閘門可靠通氣的前提下閘門結(jié)構(gòu)可以安全運行。