超大型浮箱門選型設(shè)計及流激振動模型試驗研究

徐 強，李月偉

(1.中鐵水利水電規(guī)劃設(shè)計集團有限公司，江西 南昌 330029；2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010)

贛江尾閭綜合整治工程主支樞紐大孔泄水閘孔寬75m，設(shè)計擋水頭9.5m，孔寬×水頭值為國內(nèi)水閘前列，屬超大型閘門。閘門的型式是關(guān)系水利水電工程長久發(fā)揮社會效益的關(guān)鍵，本文以主支樞紐大孔泄水閘為例對超大孔口閘門型式比選和浮箱門技術(shù)進行分析研究。

1 工程概況

贛江下游尾閭綜合整治工程主支樞紐距南昌市約35km，由泄水閘、船閘、魚道和連接擋水建筑物組成。為了維護江湖的生態(tài)環(huán)境，滿足主汛期通航要求，設(shè)置大孔泄水閘2孔，孔口寬度75m。大孔閘兩側(cè)設(shè)常規(guī)孔泄水閘，一區(qū)設(shè)8孔，三區(qū)設(shè)7孔，孔口寬度30m，泄水閘段總長752.8m。大孔泄水閘在汛期除泄洪要求外還作為汛期輔助通航閘，按二級航道要求確定孔口凈寬為75m。底板高程6.0m，擋水位按控制水位15.50m。根據(jù)工程“調(diào)枯不控洪”調(diào)度特點，為了實現(xiàn)生態(tài)保護的工程任務(wù)，大孔閘的布置既要滿足工程運行調(diào)度的要求，同時考慮汛期過魚生態(tài)通道要求，以及在可能的情況下，盡量滿足景觀協(xié)調(diào)要求等，確定大孔閘的布置及運行要求。

2 大孔閘工作閘門選型

本工程大孔閘不僅孔口超寬，閘門結(jié)構(gòu)尺寸超大，同時運行工況復(fù)雜，需要動水啟閉且調(diào)節(jié)流量。為合理選擇閘門形式，對國內(nèi)已建成大孔閘門型進行了調(diào)研，結(jié)合本工程孔口寬75m以及設(shè)計擋水水頭9.5m的主要特點，分析國內(nèi)水利工程單孔寬60m及以上的閘門型式及布置見表1。

表1 國內(nèi)單孔凈寬60m及以上門型特性表

底軸驅(qū)動翻板閘門按本工程的特性參數(shù)計算，靜水壓力荷載達37762.5kN，據(jù)此所需底軸扭矩管直徑非常大(D≥3400mm)，底軸及啟閉機型號尺寸已經(jīng)超出現(xiàn)有類似工程規(guī)模，制安難度大，且底部扭矩橫軸鋼管布置部位的淤積問題也難以解決，這種門型不適合本工程。

綜合本工程大孔閘特性參數(shù)及受力情況分析，浮箱式閘門、對開弧形閘門這2種門型對大跨度高水頭差的大孔閘是可行的，再加上常規(guī)的平面直升閘門方案，結(jié)合主支大閘孔的設(shè)計條件，進一步研究閘門結(jié)構(gòu)布置及啟閉設(shè)備機構(gòu)裝置。

2.1 閘門及啟閉機布置方案

根據(jù)門型特點擬定了以下3種閘門及啟閉機方案見表2。

表2 大孔閘閘門及啟閉機方案

2.1.1浮箱式閘門

常州新閘工程浮箱門不僅孔口尺寸、擋水水頭小，且運行工況和本工程完全不同，故從總圖布置到閘門、鉸柱、鎖定等結(jié)構(gòu)型式都需進行深入研究。浮箱式平面閘門主要由底部浮箱和頂部翻板閘門兩部分組成。浮箱外形尺寸為78m×9.7m×10.0m(寬×高×厚)，頂部翻板閘門完全升起后門高1.0m。閘門汛期置于閘墩前端門庫內(nèi)鎖定，調(diào)控期需要關(guān)閉時利用絞車鋼絲繩牽引至閘孔就位，然后利用充水設(shè)施向水艙內(nèi)充水，使之下沉到位后將頂部平板閘門升起擋水。

浮箱門一端設(shè)轉(zhuǎn)動中樞，轉(zhuǎn)動中樞由固定在門體上的固定環(huán)與埋件上的定位柱構(gòu)成。頂部翻板閘門由雙吊點液壓啟閉機操作。在調(diào)控期，可根據(jù)來水量分跨調(diào)度翻板閘門以調(diào)節(jié)泄量。

浮箱門在兩側(cè)閘墩各設(shè)一臺絞車，一拉一放。閘門在啟閉時，閘門浮箱排水而懸浮于水中，再通過布置在兩側(cè)岸邊的絞車?yán)瓌娱l門繞中樞軸轉(zhuǎn)動。在全開(關(guān))位浮箱充水閘門下沉。閘門與啟閉機總體布置示意如圖1所示。

圖1 浮箱式閘門方案布置圖

2.1.2平面直升式閘門方案

本方案為傳統(tǒng)的平面直升式鋼閘門方案，采用整扇平面閘門作為擋水體結(jié)構(gòu)。閘門的門背梁系支撐體系為管桁雙曲拱形結(jié)構(gòu)，主支承采用定輪。

啟閉機械為雙吊點液壓啟閉機，安裝在啟閉排架上，活塞桿端部與閘門吊耳相連接。閘門動水啟閉，非調(diào)控期閘門門底不僅要高于校核水位20.80m約0.5～2.0m，且要保持二級航道通航的凈空要求。平面桁架式鋼閘門及啟閉機布置如2所示。

圖2 平面直升式閘門布置圖

2.1.3平面對開弧形閘門方案

平面對開弧形閘門由兩扇對開式的弧形擋水門體、兩組格構(gòu)桿式支臂、球鉸支承結(jié)構(gòu)組成。閘門單邊弧面半徑80m，支鉸中心高程15.5m，閘門門頂高程16.5m，閘門下部根據(jù)盡可能減少運行時門體重量而設(shè)置浮箱，以減少啟閉力；支臂采用2組鋼管組成的格構(gòu)桿。平面對開弧形閘門閘門及啟閉機布置如圖3所示。

圖3 對開弧形閘門平面布置

在啟閉時，閘門浮箱排水而懸浮于水中，再通過布置在兩側(cè)岸邊的液壓馬達驅(qū)動齒輪裝置，使閘門運行至相應(yīng)的全開(關(guān))位，此時閘門浮箱充水，閘門就位于相應(yīng)的使用位置。檢修時，閘門就位于門庫內(nèi)后，門庫進口處的檢修閘門關(guān)閉，抽干門庫內(nèi)的水后，可對閘門進行維護檢修。液壓馬達驅(qū)動齒輪裝置應(yīng)適應(yīng)閘門上下的浮動和應(yīng)浮動而產(chǎn)生的前后位移。

2.2 方案比選

從金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備設(shè)計制造難度、方案布置景觀效果、通航條件、閘門運行維護及檢修條件、投資造價經(jīng)濟性等方面對各方案進行針對性的分析研究。

(1)結(jié)構(gòu)可行性

各方案的閘門結(jié)構(gòu)型式較為常規(guī)，屬于平面鋼閘門或弧形閘門范疇，結(jié)構(gòu)制造、安裝難度相當(dāng)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計與方案實施可行性好。平面對開弧形閘門的支鉸結(jié)構(gòu)尺寸大，承受的集中荷載約6800kN，且要適應(yīng)閘門沉浮要求，制造難度大。

(2)調(diào)節(jié)水流能力及景觀效果

根據(jù)本工程樞紐調(diào)度要求，調(diào)控期需根據(jù)上游來水量調(diào)節(jié)下泄流量，浮箱式閘門+翻板閘門方案可門頂溢流調(diào)節(jié)，無需頻繁開啟主體閘門擋水結(jié)構(gòu)，通過頂部翻板閘門控制。浮箱式閘門利用浮力在靜水條件下啟閉，非調(diào)控期閘門移動至閘室門庫內(nèi)，孔口敞開，閘面景觀效果良好。

平面直升閘門方案，閘門自重的啟閉是制約因素，按目前的啟閉方式和總體布置，起升機構(gòu)很難布置。且汛期閘門全開期間，要滿足通航凈空要求，需要布置較高的啟閉機排架。閘門下游側(cè)即是主要跨江交通橋，閘門鎖定時橋上視野很差。

對開弧形閘門需在兩岸布置相應(yīng)的門庫，以便閘門的開啟存放和維護需要，受制于調(diào)度調(diào)控要求，大孔閘兩側(cè)需布置常規(guī)孔泄水閘，缺乏門庫布置條件，且布置門庫也不利于跨江交通橋設(shè)計。

(3)閘門運行、維護及檢修難度

各方案工作閘門均在靜水條件下操作啟閉。浮箱式閘門下部箱體檢修不便，擬在工程區(qū)域范圍內(nèi)設(shè)置檢修?？看a頭，碼頭檢修區(qū)設(shè)置活動支撐結(jié)構(gòu)，非調(diào)控期利用較低水位區(qū)間對下部箱體外表面進行檢修與防腐維護。作為大孔閘閘頂生態(tài)流量主要控制設(shè)備的翻板閘門可以在調(diào)控期分跨擋水檢修。液壓泵站及絞車布置在兩側(cè)閘墩頂高程上，檢修條件良好。

平面直升閘門運行時全開全關(guān)，不具備局部開啟的條件，在運行上受到一定的限制。閘門汛期全開在校核洪水位以上且要滿足通航條件，對閘門結(jié)構(gòu)及啟閉機設(shè)備進行檢修維護需在閘頂設(shè)置臨時檢修施工平臺，施工較為不便，且桁架式結(jié)構(gòu)檢修維護工作量較大。

對開弧形閘門運行時亦為全開全關(guān)，不具備局部開啟的條件。閘門在兩岸需設(shè)置門庫進行檢修維護，但本工程無法放空庫水的特點是檢修不利的主因，門庫處于水中淹沒狀態(tài)，即便設(shè)置門庫也不便檢修。閘門結(jié)構(gòu)及啟閉機布置方案的技術(shù)對比詳見表3。

表3 閘門結(jié)構(gòu)及啟閉機布置方案技術(shù)對比

(4)經(jīng)濟性比較

經(jīng)濟性是方案選擇的重要因素，本工程為超大型閘門。投資比較表明，從單孔或單寬角度來看，浮箱式閘門優(yōu)勢較為明顯，各門型的經(jīng)濟性比較見表4。

表4 各方案金屬結(jié)構(gòu)單寬工程投資估算 單位：萬元/m

綜合各方案設(shè)備的投資造價、制造安裝的難易性、檢修維護的便利性、設(shè)備的美觀性等多角度考慮，浮箱式閘門在投資造價，功能適用等方面優(yōu)點較為突出，為大孔閘工作閘門推薦結(jié)構(gòu)型式。

3 閘門布置及結(jié)構(gòu)設(shè)計

大孔閘孔口凈寬75.0m，2孔共設(shè)置2扇閘門。閘門在非調(diào)控期停靠并鎖定在閘墻側(cè)門庫內(nèi)，與靠船柱栓錨牢固。調(diào)控期需要關(guān)閉時，先通過兩側(cè)常規(guī)泄水閘全開調(diào)控閘址水位，在閘上與閘下水位基本齊平后，利用絞車鋼絲繩牽引至閘孔就位后下沉擋水。調(diào)控期閘門擋水狀態(tài)上游最高控制水位15.5m，非調(diào)控期設(shè)計湖洪水位20.80m(P=2%)，設(shè)計河洪水位18.95m(P=2%)。浮箱鋼閘門主體高度9.7m，上部安裝12扇翻板閘門，其擋水高度0.5m，由雙吊點液壓啟閉機操作，工作閘門布置方案布置示意如圖4所示，總體三維模型效果如圖5所示。

圖4 大孔閘浮箱門布置圖

圖5 總體三維模型效果圖

3.1 閘門結(jié)構(gòu)

浮箱門由門體結(jié)構(gòu)、止水裝置、支承裝置、充排水系統(tǒng)、翻板閘門、配重等組成。門體內(nèi)設(shè)有壓載艙、中央水艙、壓載水艙及機艙，通過布置在艙體內(nèi)的泵組對水艙進行充、排水，利用門體浮力與結(jié)構(gòu)自重的差值實現(xiàn)閘門的上浮與下沉。壓載艙布置在浮門底層甲板以降低閘門重心，配重塊材質(zhì)為鑄鐵塊。浮門中部從上至下布置有交通樓梯，上、下游兩側(cè)還布置有人行通道、系纜樁和靠把等。頂部人行橋墩柱側(cè)墻面兼做翻板閘門門槽，翻板閘門全開臥倒后與浮門上甲板齊平，全關(guān)狀態(tài)擋水時門頂高程16.00m。在調(diào)控期，蓄水至15.5m后可根據(jù)來水量分跨、分開度開啟翻板閘門以調(diào)節(jié)泄量，亦可門頂溢流形成瀑布景觀效果。

閘門埋件由主軌、底坎、中樞軸及系纜柱等裝置組成，轉(zhuǎn)動中樞軸材質(zhì)為40Cr鍛鋼，采用可移動結(jié)構(gòu)形式，移出后可借助托輪將浮箱式閘門浮運至其他地方進行檢修維護。

3.2 啟閉設(shè)備

浮箱門在調(diào)控期開始時關(guān)門，調(diào)控期結(jié)束時啟門。每孔大孔閘閘門布置2臺容量為1000kN絞車啟閉，啟門絞車布置在閘室邊墩，閉門絞車布置在2孔大孔閘中墩。在閘門啟閉過程中，2臺絞車同時啟動輔助操作，必要時通過臨時推輪輔助牽引就位。絞車卷筒容繩長度150.0m，3層纏繞布置。

閘門的沉浮與啟閉過程中的穩(wěn)定至關(guān)重要，采用加壓載、增加分艙、控制各分艙水位、上下游設(shè)置空艙、調(diào)整上部荷載位置等方法使閘門始終保持正浮狀態(tài)。在非調(diào)控期，閘門存放于門庫中，除靠鋼絲繩拉緊外，另設(shè)鎖定保持穩(wěn)定。門庫側(cè)墻設(shè)防沖撞裝置。浮箱式閘門設(shè)沉浮穩(wěn)定監(jiān)測系統(tǒng)，絞車鋼絲繩實時監(jiān)測系統(tǒng)，原型觀測系統(tǒng)等。

頂部翻板閘門動水啟閉，通過2×63kN液壓啟閉機操作，啟閉機工作行程1.4m。液壓啟閉機控制系統(tǒng)能實現(xiàn)現(xiàn)地和遠方控制，泵站布置在閘墩上的啟閉機房內(nèi)，每孔大孔閘在邊墩設(shè)置1座泵站，集中為12孔翻板閘門液壓啟閉機提供液壓動力，每扇翻板閘門均可單獨啟閉控制，也可整體啟閉。

3.3 沖淤設(shè)計

贛江屬于少沙河流，其泥沙主要來源于雨洪對表土的侵蝕。工程位置處在工程完建后隨著河道斷面增加，泥沙淤積問題不可避免。為減少泥沙淤積影響，保證閘門安全運行，需在閘門轉(zhuǎn)動區(qū)域、閘門底坎以及門庫底部設(shè)置沖淤設(shè)備。

水下沖沙防淤的裝置安裝在閘門的擋水側(cè)，與閘門寬度方向平行的橫向主管上設(shè)置有閥門，橫向主管順?biāo)鞣较蜷g隔布置若干支管，各支管的出口端接近并指向閘門的下端處。主管進口端引至擋水水位以上，并與壓力水泵連接。閥門泵組包括立式自吸泵、流量計、壓力表、止回閥，手電兩用蝶閥等。

主管與支管采用不銹鋼材質(zhì)，主管直徑約150mm，支管直徑約50mm，管道耐壓能力大于1.5MPa，滿足承受高壓空氣、水流輸送要求。閘門擋水后，定期啟動壓力設(shè)備并開啟閥門，壓力設(shè)備輸出的高速水流依次通過主管、橫向管及支管定期向閘門底部沖刷，實現(xiàn)閘門底緣處的水下沖砂防淤。

3.4 大孔閘閘門結(jié)構(gòu)計算

3.4.1有限元模型

用有限元計算軟件ABAQUS對閘門結(jié)構(gòu)進行計算分析，建立計算模型時將閘門離散為板單元，在空間直角坐標(biāo)系下對閘門進行計算。浮箱門有限元網(wǎng)格模型如圖6所示。

圖6 浮箱門門有限元模型

閘門為板梁與桁架結(jié)合的空間結(jié)構(gòu)，各部件的應(yīng)力分布情況較為復(fù)雜，應(yīng)力大小、方向都在變化，一般按第四強度理論驗算閘門強度。第四強度理論為：

(1)

式中，σ1、σ2、σ3—計算點的3個主應(yīng)力；[σ]—允許應(yīng)力。ABAQUS程序定義Mises應(yīng)力與第四強度理論直接對應(yīng)，主要給出各點的Mises應(yīng)力，方便判斷閘門的強度。

3.4.2約束與荷載

閘門擋水時，門槽對閘門滑塊形成x方向(水流反方向)約束，底坎約束閘門底部z方向位移。最不利的工況組合為上游側(cè)15.50m(最高控制水位)，下游側(cè)無水。閘門約束與荷載如圖7所示。

圖7 閘門約束與荷載

3.4.3計算結(jié)果

閘門有限元計算結(jié)果圖如下，閘門Mises應(yīng)力如圖8所示，閘門順?biāo)鞣较蜃冃稳鐖D9所示。

圖8 閘門Mises應(yīng)力(單位：MPa)

圖9 閘門順?biāo)鞣较蜃冃?單位：mm)

由結(jié)果可知：

(1)閘門應(yīng)力普遍較小，最大Mises應(yīng)力發(fā)生在閘門底部跨中位置，正應(yīng)力為169MPa，[σ]=225MPa，強度滿足規(guī)范要求。

(2)閘門順?biāo)鞣较蜃畲笞冃伟l(fā)生在中部，撓度變形為41.6mm，按跨距的1/750控制考慮，容許撓度變形值為102.7mm，剛度滿足規(guī)范要求。

4 閘門流激振動模型試驗研究

大閘孔浮箱門流激振動模型模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計，閘門結(jié)構(gòu)按水彈性相似要求進行制作。采用模型比尺1∶25進行研究，建模范圍包括兩孔完整的閘孔，兩側(cè)閘墩采用有機玻璃制作，其糙率滿足相似性要求。

閘門流激振動屬于水彈性振動范疇，在動水作用下的運行符合如下動力方程：

(2)

浮箱門模型及門頂溢流試驗圖詳如圖10—11所示。

圖10 浮箱門模型

圖11 浮箱門門頂溢流

浮箱門水彈性振動模型通過不同下泄流量及不同啟閉速度，考查測試了浮箱門浮沉過程、門頂溢流、門庫鎖定以及啟閉運行過程中的振動和穩(wěn)定性特征，系統(tǒng)取得了閘門振動安全性評價數(shù)據(jù)和資料，主要結(jié)果如下：

(1)不同運行工況下閘門支鉸力作用具有如下變化規(guī)律：①閉門過程的支鉸力要大于啟門過程的支鉸力，門體支鉸對立柱的軸向拉壓力要大于平面剪切力，垂向作用力最小。②閘門啟閉速度對支鉸力產(chǎn)生一定影響。在20～90min(模型變頻范圍10～40Hz)范圍內(nèi)支鉸力逐漸增加。③下泄流量對閘門支鉸作用力產(chǎn)生影響。下泄流量大，支鉸作用力增大，這是水流動力作用增大產(chǎn)生附加振動動能增加的緣故。

(2)浮箱門立柱振動位移同樣表現(xiàn)出立柱沿著閘門的軸線方向振動位移最大，順?biāo)鞣较虼沃?，垂向最小的變化?guī)律，這符合閘門結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特征，也與浮體門整體無垂向約束情況下的水流激勵產(chǎn)生的晃動特性有關(guān)。測試結(jié)果指出，閘門的啟閉速度對門體的剛體晃動量密切相關(guān)，啟閉速度越小，閘門剛體晃動量也隨之減小，反之亦然。這與結(jié)構(gòu)的振動量變化具有類似的變化規(guī)律。

(3)閘門全關(guān)位、門頂出現(xiàn)溢流工況時，水舌沖擊壓力量級不大，沖擊壓力的脈動主能量處于1.5Hz以內(nèi)的低頻區(qū)。

(4)浮箱門啟閉時間越長閘門運行時的振動量就越小，啟閉過程速度越慢，閘門結(jié)構(gòu)的運行就越平穩(wěn)。從總體上看，當(dāng)啟閉時間大于90min，閘門結(jié)構(gòu)的運行平穩(wěn)性就可得到保障。

(5)浮箱門位于門庫并向門體充水下沉過程中，浮體門的振動加速度均方根值隨河道流量的增加而加大，門體振動功率譜密度曲線顯示，振動能量主要集中在0.5～2.0Hz范圍，個別測點的振動能量在0.5～3.0屬于低頻振動范疇。此時，不同下泄流量相應(yīng)振動位移均方根值由0.087mm增加至0.193mm，振動量增加1.2倍。從振動位移絕對量考查，浮體門的振動位移量不大。

(6)浮箱門擋水工況上浮過程閘門結(jié)構(gòu)的振動位移特征值數(shù)據(jù)顯示，浮體門上浮過程中，閘門的振動位移量出現(xiàn)增加趨勢。但從總體上看，振動位移均方根值不大。閘門上浮過程是平穩(wěn)、安全的。

(7)浮箱門處于全開位于門庫時，其振動量及剛體晃動量均較閘門啟閉過程要小些。但閘門在門庫的約束條件相對較弱，僅依靠傾斜柔性的啟門鋼絲繩固定，因此只要泄洪時出現(xiàn)水流波動，位于門庫的浮體門就會出現(xiàn)相應(yīng)的晃動現(xiàn)象。一旦閘門與水流波動的頻率出現(xiàn)共振，就有可能出現(xiàn)強烈振動問題，并有可能出現(xiàn)鋼絲繩斷裂引發(fā)工程事故。因此，當(dāng)閘門結(jié)構(gòu)位于門庫時，應(yīng)考慮采用類似船閘船舶?？肯道|的方式，可適應(yīng)河道水位上下波動的浮動式系纜結(jié)構(gòu)進行浮體門的定位固定，以策安全。

5 結(jié)論與建議

(1)將超大型平開浮箱門與其他型式的閘門進行了分析比較，根據(jù)工程特點進行了技術(shù)經(jīng)濟比選，確定該閘門具有景觀效果好、投資小、檢修維護方便以及制造安裝難度不高的優(yōu)點。

(2)結(jié)合工程實例對超大型浮箱門進行了空間結(jié)構(gòu)體系有限元分析，可知閘門結(jié)構(gòu)的強度、剛度設(shè)計安全。

(3)通過水力學(xué)流激振動模型試驗考查測試了浮箱門的振動和穩(wěn)定性特征，在設(shè)計條件下是平穩(wěn)、安全的。

(4)該浮箱門跨度超大、又需在動水中進行啟閉操作，無類似工程可借鑒，建議工程建設(shè)期和完工后開展水力學(xué)及流激振動原型觀測工作，以便積累運行經(jīng)驗，并為制定合理運行操作規(guī)程提供科學(xué)依據(jù)。