底軸驅(qū)動(dòng)式翻板閘門的若干關(guān)鍵技術(shù)問題及工程措施研究

嚴(yán)根華，董 家,3，孫云茜,3

(1.南京水利科學(xué)研究院， 江蘇 南京 210029；2.水文水資源與水利工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210029；3.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院， 江蘇 南京 210029)

底軸驅(qū)動(dòng)式翻板閘門是我國目前廣泛使用的特殊門型，在城市水環(huán)境和水生態(tài)整治建設(shè)中取得了很好效果。典型底軸驅(qū)動(dòng)式翻板閘門實(shí)景見圖1、圖2。這種門型的最大優(yōu)點(diǎn)是全開臥倒時(shí)河道通透、便于通航，不利之處是閘門在臥倒?fàn)顟B(tài)下門體容易產(chǎn)生淤積，增加啟閉力等問題。另外該類閘門的設(shè)計(jì)和建設(shè)還受到底軸不均勻沉降等要求的制約[1]。鑒于該閘門屬于門頂溢流，閘下空腔的負(fù)壓震蕩容易誘發(fā)閘門結(jié)構(gòu)的強(qiáng)烈振動(dòng)，因此通氣孔設(shè)置和門頂破水器結(jié)構(gòu)形式的選擇也是涉及到閘門結(jié)構(gòu)運(yùn)行安全的重要內(nèi)容之一。此外閘下消力池底板的穩(wěn)定也是該型閘門設(shè)計(jì)和施工建設(shè)中需要關(guān)注的問題[2]。顯然，該類門型的安全使用需要解決一些關(guān)鍵技術(shù)問題。

圖1 型底軸驅(qū)動(dòng)式翻板閘門工程效果圖

圖2 關(guān)閘擋水或臥倒?fàn)顟B(tài)

1 閘門結(jié)構(gòu)的受力和變形特性分析

某擋潮閘為城市水環(huán)境整治工程的主體結(jié)構(gòu)，采用單跨寬度102 m的底軸驅(qū)動(dòng)式翻板閘門(結(jié)構(gòu)布置見圖3)。根據(jù)工程運(yùn)行調(diào)度要求，水閘需承擔(dān)正向擋水(外江低潮位0.24 m、內(nèi)河正常水位3.5 m)和反向擋潮(外江高潮位6.26 m，內(nèi)河2.8 m)任務(wù)。

圖3 水閘結(jié)構(gòu)布置圖

該水閘結(jié)構(gòu)的門葉與底軸采用剛性聯(lián)接，底軸上軸承座與河床基礎(chǔ)固結(jié)，在底軸中部(河中央)采用軟聯(lián)接，以適應(yīng)基礎(chǔ)沉降變形可能帶來的不利影響。液壓啟閉機(jī)布置在兩岸，驅(qū)動(dòng)底軸旋轉(zhuǎn)進(jìn)行水閘的啟閉操作。鑒于該水閘跨度大、且具有正反向擋水功能，因此需對基礎(chǔ)變位等導(dǎo)致水閘結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響等問題進(jìn)行深入研究。

當(dāng)水閘門處于擋水狀態(tài)時(shí)，作用于門葉上的水壓力(正向或反向)直接傳遞給底軸，并通過底軸向基礎(chǔ)和兩側(cè)的固定端傳遞。分析結(jié)果指出，閘門的最大位移出現(xiàn)在河中央門葉上方，最大位移值為221.5 mm；從變形情況看，閘門整體變形為一扭斜面。閘門結(jié)構(gòu)較大應(yīng)力值出現(xiàn)在底軸支座部位，近岸側(cè)縱梁根部應(yīng)力值為178.5 MPa。從總體上看，底軸的最大位移出現(xiàn)門體中部，而最大應(yīng)力出現(xiàn)在兩側(cè)固定端部，這種應(yīng)力和變形特征符合結(jié)構(gòu)受力特征。因此閘門結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)因分別考慮上部門葉與底軸兩個(gè)主要部件的位移和應(yīng)力問題。

分析結(jié)果指出，該類門型的最大變形出現(xiàn)在閘門門葉跨中部位，底軸最大扭轉(zhuǎn)變形同樣出現(xiàn)在門體中部；而最大應(yīng)力出現(xiàn)在閘門兩側(cè)的固定端，符合結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和力傳遞原理。這為底軸驅(qū)動(dòng)翻板門的結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力設(shè)計(jì)提供了基本依據(jù)。

2 閘門結(jié)構(gòu)的不均勻沉降及底軸受力變形特性分析

2.1 基礎(chǔ)變位對水閘受力特征的影響分析

工程上水閘基礎(chǔ)的沉降是普遍存在的，但閘門底軸的不均勻沉降量需要嚴(yán)格控制，過大的沉降量將對門體及底軸受力產(chǎn)生不利影響。表1和表2分別列出了底軸支鉸不同沉降量的計(jì)算工況。某工程擋潮閘分析結(jié)果顯示，水閘擋水工況時(shí)近岸側(cè)門葉底座加勁板部位局部集中應(yīng)力隨沉降量的增加而加大(見圖4、圖5)。底軸無沉降時(shí)的應(yīng)力值為152 MPa，但當(dāng)?shù)纵S沉降量為1.5倍設(shè)計(jì)值時(shí)應(yīng)力值上升至212.5 MPa。基礎(chǔ)沉降導(dǎo)致結(jié)構(gòu)應(yīng)力增加40%左右[3]。

表1 底軸支座沉降量計(jì)算組次

表2 計(jì)算工況表

2.2 底軸沉降量對支座反力作用的影響

水閘反向擋潮或正向擋水時(shí)，水壓力荷載將通過門葉和底軸向兩岸固定端及啟閉裝置傳遞。5個(gè)底軸軸承座(半江)將承擔(dān)水平方向和垂直方向的支承反力。

圖4 主縱梁根部應(yīng)力變化比較圖(剛連狀態(tài))

圖5 主縱梁根部應(yīng)力變化比較圖(無聯(lián)接狀態(tài))

分析計(jì)算針對反向擋潮工況，對底軸支座反力隨支座沉降量變化進(jìn)行分析。計(jì)算結(jié)果顯示，各支座水平向的反力隨沉降量變化影響不大(見圖6)，而沉降量對支座的垂向反力影響較大(見圖7)。數(shù)據(jù)顯示，支座垂向反力隨底軸沉降量的加大而增加；隨著沉降量的加大，支座的垂向反力明顯加大。各支座的方向具有如下特征：1#和5#支座反力方向向上，2#—4#支座反力方向向下。其中1#支座最大垂向反力值為5.948 7×106N，出現(xiàn)相對沉降量為1.5倍的設(shè)計(jì)值工況。

從基礎(chǔ)沉降量對底軸驅(qū)動(dòng)翻板門的應(yīng)力和支座反力兩方面考查，設(shè)計(jì)和施工部門控制閘門基礎(chǔ)沉降量對水閘工程的安全具有重要作用和意義。

圖6 不同沉降量支座水平反力Fx

圖7 不同沉降量支座垂向反力Fy

3 底軸驅(qū)動(dòng)式翻板閘門的流激振動(dòng)問題

3.1 工程案例概況

某工程水閘采用閘堰組合式結(jié)構(gòu)布置(見圖8、圖9)，是一座用于城市水景觀建設(shè)的重要水利工程。該工程采用固定溢流堰和底軸驅(qū)動(dòng)翻板閘門結(jié)構(gòu)聯(lián)合構(gòu)成，其中兩個(gè)溢流堰邊孔單孔寬度10 m、主中孔寬度24 m。主中孔采用底軸驅(qū)動(dòng)翻板閘門結(jié)構(gòu)型式。上部布置采用具有江南文化元素的廊橋結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)水閘工程的功能化、景觀化和生態(tài)化要求。運(yùn)行時(shí)形成的瀑布亦將成為自然景觀，形成一道亮麗的水景觀，增加城市活力。

圖8 閘室剖面布置詳圖(單位：mm)

圖9 閘室平面布置詳圖(單位：mm)

由于該閘門跨徑較大，泄水建筑物組合結(jié)構(gòu)形式較為新穎，泄流時(shí)的流態(tài)較為復(fù)雜，因此，有必要對該水閘開展全面的水力學(xué)和流激振動(dòng)模型試驗(yàn)，取得系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資料，有針對性地對原設(shè)計(jì)方案提出優(yōu)化和改進(jìn)措施，消除原設(shè)計(jì)方案中可能存在的不合理因素，保證建成后的水閘工程既能滿足水利和景觀的功能需要，日常運(yùn)行維護(hù)又能夠安全可靠。

3.2 泄流流態(tài)與動(dòng)水壓力特征

試驗(yàn)在上游水位9.0 m、下游水位7.0 m、閘門開度e=30°～90°；上游水位9.5 m、下游水位7.5 m、閘門開度e=10°～90°等運(yùn)行工況下進(jìn)行。成果表明：閘門啟閉過程中作用于門體上游面的動(dòng)水時(shí)均壓力隨閘門開度變化而呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律，總的趨勢是小開度時(shí)的上游面壓力最大，隨開度增大上游各部位動(dòng)水時(shí)均壓力逐步降低，在同一開度底部壓力大，上部壓力小。頂部受較大的流速水頭影響，其時(shí)均動(dòng)水壓力降低較快，門后各測點(diǎn)也具有同樣的變化規(guī)律。上游水位9.5 m下游水位7.5 m，閘門開度在e=40°～60°區(qū)間，門頂圓弧上游面局部區(qū)域處于微小負(fù)壓狀態(tài)(-0.99×9.8 kPa)；門頂圓弧頂部測點(diǎn)亦有其相同的變化趨勢，閘門開度在e=30°～50°區(qū)間，門頂部位亦處于微小負(fù)壓狀態(tài)(-0.88×9.8 kPa)；門后在大開度時(shí)整體處于水體之中，所以壓力均為正值，但在閘門開度在e=10°～30°區(qū)間，過閘水流呈現(xiàn)挑射跌流，而門后通氣不暢，門頂后部呈現(xiàn)負(fù)的壓力腔，試驗(yàn)測得最大負(fù)壓-2.86×9.8 kPa。上游水位9.0 m下游水位7.0 m，閘門開度在e=50°～70°區(qū)間，門頂圓弧上游面同樣處于微小負(fù)壓狀態(tài)(-1.22×9.8 kPa)；門頂圓弧頂部亦有同樣的變化規(guī)律，閘門開度在e=50°～60°區(qū)間，試驗(yàn)測得該處最大負(fù)壓-1.272×9.8 kPa；門后各點(diǎn)在大開度時(shí)整體處于水體之中，所以壓力均為正值，但在閘門開度在e≤50°區(qū)間，亦因過閘水流呈現(xiàn)挑射跌流，門后通氣不暢，門頂后部呈現(xiàn)負(fù)的壓力腔，最大負(fù)壓-2.258×9.8 kPa?？傮w上看翻板平面閘門上下游壓力變化和過閘流態(tài)基本一致，水流脫空或空腔內(nèi)水柱負(fù)壓提升的部位呈現(xiàn)負(fù)壓，其它各點(diǎn)則呈現(xiàn)正壓變化，其變化具有良好的規(guī)律性，門后設(shè)置通氣孔補(bǔ)氣后，空腔負(fù)壓量減弱或消失，這對控制閘門振動(dòng)有益。

作用于門體的脈動(dòng)壓力試驗(yàn)亦在上游水位9.0 m、下游水位7.0 m、閘門開度e=30°～90°；上游水位9.5 m、下游水位7.5 m、閘門開度e=10°～90°等運(yùn)行工況下進(jìn)行，各測點(diǎn)脈動(dòng)壓力均方根值隨開度的變化關(guān)系繪于圖10。試驗(yàn)結(jié)果表明，作用于門體的最大脈動(dòng)壓力均方根值約為3.383 kPa，脈動(dòng)壓力的主能量位于10 Hz以內(nèi)，優(yōu)勢頻率約1 Hz，10 Hz以上已無高頻脈動(dòng)能量。

圖10 閘門結(jié)構(gòu)各測點(diǎn)脈動(dòng)壓力均方根值隨開度變化關(guān)系及典型測點(diǎn)時(shí)域過程與譜密度

3.3 閘門結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度特征

為了獲取工作閘門運(yùn)行過程中的流激振動(dòng)特性，在特制的水彈性閘門模型上布置振動(dòng)測點(diǎn)(見圖11)，分別測取順?biāo)飨?x向)、橫向(y向)及垂向(z向)三個(gè)方向的振動(dòng)量。通過隨機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行信號處理，取得閘門結(jié)構(gòu)流激振動(dòng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特征(包括頻譜特征和數(shù)字特征)，為振動(dòng)分析提供基礎(chǔ)資料。

圖11 工作門振動(dòng)測點(diǎn)布置圖

試驗(yàn)結(jié)果指出，閘門結(jié)構(gòu)的振動(dòng)量隨閘門開度和下泄流量的減小而減小，由于在e=10°～40°開度范圍內(nèi)閘門下游空腔出現(xiàn)不穩(wěn)定負(fù)壓氣囊而使振動(dòng)量增加，其它開度泄流時(shí)振動(dòng)量迅速降低。由于該類閘門為門頂溢流，因此閘門結(jié)構(gòu)振動(dòng)量以頂部最大、靠近底軸位置振動(dòng)量較??；此外閘門兩側(cè)振動(dòng)量要大于門體中部。測試結(jié)果顯示，閘門頂部最大振動(dòng)加速度均方根值分別為x向0.212 m/s2、y向0.132 m/s2、z向0.520 m/s2；閘門面板靠近底軸部位的振動(dòng)量相對較小，三個(gè)方向分別為x向0.064 m/s2、y向0.132 m/s2、z向0.048 m/s2；閘門兩側(cè)最大振動(dòng)均方根值為0.520 m/s2，門葉中部為0.132 m/s2。

此外，閘門結(jié)構(gòu)的振動(dòng)量隨著上游水位升高、泄流量增大而增加。結(jié)構(gòu)流激振動(dòng)能量主要集中在25 Hz頻率范圍以內(nèi)。

水彈性振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果指出，閘門結(jié)構(gòu)的較大振動(dòng)量與門頂射流下方的負(fù)壓空腔密切相關(guān)，若要控制閘門的振動(dòng)量，需要考慮破除負(fù)壓空腔及輸氣問題[4]。

4 負(fù)壓空腔和通氣孔設(shè)置

某工程底軸驅(qū)動(dòng)閘翻板門由全關(guān)開啟至55°范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí),門后溢流水舌下方存在負(fù)壓空腔，當(dāng)上游水位較低和閘門小開度時(shí)，門頂破水器可將水舌撕開，形成向空腔補(bǔ)氣的通道。但當(dāng)上游水位較高或閘門大開度時(shí)，門頂水舌變厚，泄流水舌空腔封閉，因下泄水流不斷帶走空腔內(nèi)部空氣，導(dǎo)致出現(xiàn)不穩(wěn)定負(fù)壓空腔，此時(shí)需在閘墩側(cè)壁設(shè)置通氣孔向空腔內(nèi)補(bǔ)氣，保持腔體輸氣和泄流挾氣動(dòng)態(tài)平衡。因此在門后閘墩兩側(cè)各布置兩個(gè)Φ30 cm通氣孔，可以取得滿意效果[5]。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在閘門小開度(e=0.0°～10°)范圍內(nèi)，門頂破水器可以有效撕裂水舌，自行向空腔補(bǔ)氣并破除門后負(fù)壓空腔；在閘門開啟至e=20°左右時(shí)由前一道通氣孔補(bǔ)氣，空腔補(bǔ)氣量約0.24 m3/s～0.50 m3/s左右；在閘門開啟至e=30°～50°開度范圍時(shí)，可通過后一道通氣孔向空腔補(bǔ)氣，補(bǔ)氣量約0.34 m3/s～1.20 m3/s。若按照規(guī)范風(fēng)速控制值40 m/s考慮，則兩個(gè)直徑Φ15 cm的通氣孔就可滿足要求[6]。

5 門頂破水器設(shè)置要求

門頂破水器旨在解決門頂泄流時(shí)自動(dòng)撕裂拋射水舌，實(shí)現(xiàn)向水舌下方空腔補(bǔ)氣的目的。但原布置破水器(見圖12)，僅在庫水位很低、門頂水深很小時(shí)才起作用，而在水位略高情況下水流流經(jīng)破水器后即自動(dòng)閉合，水舌下方空腔依然密閉。在閘門開度e=10°，上游水位9.5 m時(shí)破水器流態(tài)詳見圖12(b)。顯然，原設(shè)計(jì)門頂破水器破水效果不佳，無法有效達(dá)到破除負(fù)壓空腔目標(biāo)。

圖12 破水器原設(shè)計(jì)方案及破水器原設(shè)計(jì)方案分割水流效果

為改善破水器分流效果，共進(jìn)行了5個(gè)修改方案的研究，其中修改方案1～修改方案3僅在庫水位很低時(shí)才起作用，在水位略高情況下破水器難以撕裂水舌，負(fù)壓空腔依然存在。

門頂破水器優(yōu)化方案4采用上游面為長軸200 cm，短軸100 cm的“半橢圓”結(jié)構(gòu)，后部為兩個(gè)平行翼板式結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)表明此方案具有較好的水流撕裂效果，當(dāng)庫水位8.5 m、閘門開啟至42°及上游水位9.5 m、閘門全關(guān)位時(shí)，破水器破水效果較好，輸氣通暢，且在門頂均勻布置4個(gè)破水器即可實(shí)現(xiàn)空腔輸氣穩(wěn)定的要求。

優(yōu)化方案5破水器結(jié)構(gòu)采用上游面高200 cm、寬200 cm的“三角型”結(jié)構(gòu)，后部為兩個(gè)平行翼板式結(jié)構(gòu)(見圖13)。試驗(yàn)表明此方案亦具有較好的水流撕裂效果，當(dāng)上游水位8.5 m、閘門開度42°及上游水位9.5 m、閘門全關(guān)時(shí)，水流流經(jīng)破水器后溢流水舌被有效撕裂(見圖14)，門頂布置4個(gè)破水器就可解決水舌下方空腔的補(bǔ)氣要求。

圖13 破水器修改方案5(單位：mm)

圖14 破水器修改方案5分割水流效果(閘門開度42°)

因此門頂破水器優(yōu)化方案4和優(yōu)化方案5，在門頂溢流高度50 cm以下時(shí)均有較好的撕裂水股向門后空腔摻氣的功效，可根據(jù)實(shí)際情況選用[7]。

6 底軸驅(qū)動(dòng)式翻板閘門消能設(shè)計(jì)

某工程底軸驅(qū)動(dòng)翻板門在泄流運(yùn)行中出現(xiàn)消力池底板掀起失事事故，這也是該類門型的設(shè)計(jì)和施工過程需要高度重視的問題。該工程的閘室底板與消力池布置見圖15,閘室下游通過止水結(jié)構(gòu)緊接設(shè)置消力池底板[8]。為搞清消力池底板失事原因，開展了閘下底板失穩(wěn)試驗(yàn)。

圖15 消力池底板失穩(wěn)試驗(yàn)?zāi)M示意圖

6.1 閘下底板失穩(wěn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

該試驗(yàn)在Lr=20的單孔整體模型中進(jìn)行，原型鋼筋混凝土底板厚0.6 m，寬16.9 m，長22.0 m，為了減輕揚(yáng)壓力，閘室中上游端設(shè)防滲墻，底板上設(shè)排水孔，板塊分縫設(shè)止水，底板下設(shè)埋石混凝土和夯實(shí)拋填石或混凝土渣。

模型底板采用無色透明有機(jī)玻璃制作，幾何尺寸與原型相似，采用質(zhì)量分布相似保證底板塊的重力分布相似，模型中設(shè)置排水孔和分縫止水，排水孔個(gè)數(shù)和單孔面積與原型相同和相似。模型底板下部墊層采用不同粒徑的石渣和砂礫充填，閘室上游并設(shè)有模擬的防滲裝置，在模型中閘下斜坡段、消力池、尾坎、海漫等消能措施一一俱全，其體型尺寸均模擬相似，模型底板失穩(wěn)上抬的試驗(yàn)?zāi)M圖見圖16[9]。

圖16 消力池穩(wěn)定試驗(yàn)失穩(wěn)掀起的板塊位置

6.2 底板失穩(wěn)動(dòng)水時(shí)均壓力荷載試驗(yàn)

該項(xiàng)試驗(yàn)在Lr=20的單孔整體模型中進(jìn)行。經(jīng)驗(yàn)表明，底板失穩(wěn)通常在斜坡頂分縫止水失效，排水孔堵塞，防滲帷幕受損等情況下發(fā)生，按以下幾種條件模擬底板失穩(wěn)狀況：

(1) 防滲帷幕完好，排水孔全部堵塞，止水完全失效；(2) 防滲帷幕及二側(cè)止水完好，頂止水失效，排水孔全部堵塞；(3) 防滲帷幕及兩側(cè)止水完好，頂止水失效，排水孔部分堵塞；(4) 防滲帷幕損壞。

根據(jù)流態(tài)觀測分析，閘門開度e=30°左右時(shí)門頂溢流水舌直接沖砸底板分縫止水，導(dǎo)致動(dòng)水壓力進(jìn)入底板，使動(dòng)水壓力顯著增加(見圖17)，引發(fā)消力池失穩(wěn)的運(yùn)行工況，試驗(yàn)還著重考察了以下各組合工況的消力池時(shí)均動(dòng)荷載變化規(guī)律：(1) 排水、止水正常；(2) 排水正常、第一道止水損壞；(3) 排水正常、第一、兩側(cè)止水損壞；(4) 排水失效、第一道止水損壞；(5) 排水失效、第一道止水損壞、兩側(cè)止水損壞50%；(6) 排水失效、第一道止水損壞、兩側(cè)止水損壞。試驗(yàn)結(jié)果指出，止水破壞引起的最大揚(yáng)壓力發(fā)生在閘門開度區(qū)間在e=30°～40°；排水孔遭受封堵失效是促使底板揚(yáng)壓力增大的另一個(gè)原因[10]。

圖17 開度e=30°泄水、止水損壞底板壓力沿程變化及典型測點(diǎn)脈動(dòng)壓力時(shí)域過程

6.3 消力池底板點(diǎn)面系數(shù)分析

(1) 排水孔封堵，第一道止水失效后的點(diǎn)面系數(shù)略有增大，即受下部揚(yáng)壓力脈動(dòng)影響，總體底板塊的點(diǎn)、面系數(shù)有增大趨勢。

(2) 閘門開度e≤20°，消力池水平段底板的系數(shù)K比傾斜段的大。

(3) 閘門開度e≥60°，斜坡段底板的系數(shù)K比水平段的大。

(4) 在計(jì)算取用水流脈動(dòng)荷載時(shí)，應(yīng)考慮脈動(dòng)荷載大和點(diǎn)、面系數(shù)亦大的綜合情況。

點(diǎn)面脈動(dòng)系數(shù)K與各點(diǎn)脈動(dòng)波形的空間相位關(guān)系密切，在理想條件下K以1和0為極值。一般規(guī)律是點(diǎn)脈動(dòng)相位變化小，同步性大，則K值大。反之，K值則小。K值尚與試驗(yàn)塊體面積大小有關(guān)，面積愈大，點(diǎn)脈動(dòng)不同相位可能性加大，故K值趨小，隨機(jī)脈動(dòng)而且當(dāng)面積趨于無限大時(shí)，K趨向?yàn)?，當(dāng)測試面積趨于一個(gè)點(diǎn)時(shí)，點(diǎn)與面脈動(dòng)基本接近相同，K趨向?yàn)?。

當(dāng)閘門開度加大，水流砸向斜坡段，流態(tài)復(fù)雜，水流紊動(dòng)加大，壓力脈動(dòng)隨機(jī)性大，各點(diǎn)脈動(dòng)波形相位差大，K則小。第一道止水破壞，由分縫水流往下傳遞的動(dòng)水壓力受分縫制約，其擴(kuò)散比較有規(guī)則，其壓力波動(dòng)空間相位相對比較簡單，故其壓力脈動(dòng)雖較小，但系數(shù)K較大。第一道止水破壞，通過接縫上、下聯(lián)通的壓力脈動(dòng)，其面荷載與同樣塊體止水完好情況下的面荷載相比，作用面積相差一倍，面積加大，K值偏小。由此可見底板下表面壓力脈動(dòng)對點(diǎn)面系數(shù)影響是互相消長的。

消力池底板的點(diǎn)面荷載影響系數(shù)還與水流流態(tài)密切相關(guān)。若閘頂溢流，水舌沖擊部位表現(xiàn)為局部沖擊作用，也是受力較大的區(qū)域；其它部位則是以水躍紊動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)水作用。本項(xiàng)試驗(yàn)按整塊底板進(jìn)行面荷載試驗(yàn)，因此底板塊的點(diǎn)面荷載系數(shù)小于常規(guī)泄流的底流消力池點(diǎn)面脈動(dòng)荷載系數(shù)值。荷載設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)區(qū)別對待。

6.4 消力池底板的流激振動(dòng)試驗(yàn)

與脈動(dòng)壓力特征試驗(yàn)類似，流激振動(dòng)試驗(yàn)在前述規(guī)定的試驗(yàn)工況下進(jìn)行，其中1#、5#閘孔開啟或關(guān)閉過程中消力池底板各測點(diǎn)振動(dòng)加速度變化特征繪于圖18，從振動(dòng)測試資料分析可知，消力池傾斜段前端受到過閘水流跌落沖擊產(chǎn)生較大振動(dòng)量，在揚(yáng)壓力過大情況下，受此影響消力池底板存在失穩(wěn)可能[12]。閘門啟閉過程中消力池底板振動(dòng)最大量級約出現(xiàn)在e≈30°～50°區(qū)間，其中消力池斜坡段振動(dòng)量級明顯大于水平段，且尤以斜坡前端最大，在整個(gè)啟閉過程中，V1測點(diǎn)振動(dòng)加速度幅值接近3.0 m/s2，均方根值亦接近0.7 m/s2。說明底板在泄流動(dòng)荷載作用下產(chǎn)生振動(dòng)的動(dòng)力源位于水舌沖擊點(diǎn)附近，此時(shí)若止水損壞，動(dòng)水壓力進(jìn)入底板下部，就有可能引發(fā)底板抬升失事[13]。

此外，鑒于部分工程水閘泄洪時(shí)，下游防沖槽及下游河道近底流速v>1.0 m/s，因此也需要注意防沖槽下游水流淘刷及防沖安全。

圖18 閘門啟閉過程(1#、5#孔)消力池底板振動(dòng)加速度變化特征

7 結(jié) 語

底軸驅(qū)動(dòng)式翻板閘門的工程應(yīng)用給我國的城市水環(huán)境水生態(tài)建設(shè)帶來了技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展，但工程設(shè)計(jì)和施工中的一些關(guān)鍵技術(shù)問題需要認(rèn)真對待和處理，尤其對于跨度大、感潮河段泥沙淤積較大區(qū)段的閘門結(jié)構(gòu)特別需要加以重視和關(guān)注。通過本文研究可獲得如下結(jié)論：

(1) 由受力分析得知，該門型的閘門結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)分別考慮上部門葉與底軸兩個(gè)主要部件的位移和應(yīng)力問題。

(2) 鑒于基礎(chǔ)沉降量對底軸驅(qū)動(dòng)翻板門受力產(chǎn)生顯著影響，因此設(shè)計(jì)和施工部門應(yīng)嚴(yán)格控制閘門基礎(chǔ)沉降量，防治沉降過大引起底軸支座受到擠壓，導(dǎo)致應(yīng)力集中問題的產(chǎn)生，損傷底軸和支座結(jié)構(gòu)。

(3) 水彈性振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果指出，閘門結(jié)構(gòu)的較大振動(dòng)量與門頂射流下方的負(fù)壓空腔密切相關(guān)，若要控制閘門的振動(dòng)量，需要考慮破除負(fù)壓空腔及輸氣問題。

(4) 門后兩側(cè)邊墻設(shè)置通氣孔，并在門頂布置破水器可有效破除負(fù)壓空腔，實(shí)現(xiàn)自行向負(fù)壓空腔補(bǔ)氣達(dá)到壓力動(dòng)態(tài)平衡的效果。

(5) 底軸驅(qū)動(dòng)翻板門在泄流運(yùn)行中出現(xiàn)消力池底板掀起失事事故，也是該類門型的設(shè)計(jì)和施工過程需要高度重視的問題。底板振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果顯示，在泄流動(dòng)荷載作用下產(chǎn)生振動(dòng)的動(dòng)力源位于水舌沖擊點(diǎn)附近，此時(shí)若止水損壞，動(dòng)水壓力進(jìn)入底板下部，就有可能引發(fā)底板抬升失事。因此工程設(shè)計(jì)時(shí)需要兼顧有效避開射流水舌擊落點(diǎn)對底板分縫的直接沖擊，也要做好防滲帷幕和底板排水的設(shè)計(jì)布置，確保消力池底板的穩(wěn)定。

(6) 鑒于部分工程水閘泄洪時(shí)，下游防沖槽及下游河道近底流速v>1.0 m/s，因此也需要注意加強(qiáng)防沖槽下游水流淘刷及防沖安全。

(7) 泥沙淤積是一個(gè)感潮河段水閘面臨的又一棘手問題，需要慎重對待。設(shè)計(jì)階段首先要做好泥沙淤積資料的收集和整理，包括沙粒構(gòu)成、淤沙速度及板結(jié)力參數(shù)等，在此基礎(chǔ)上采用有效沖淤防淤措施予以解決，確保工程安全可靠地運(yùn)行。