調(diào)水工程弧形閘門振動(dòng)測試分析及除振措施

朱俊杰，劉圣凡，董玉增，楊康華

（1.中國南水北調(diào)集團(tuán)中線有限公司渠首分公司，河南 南陽 473000；2.長江科學(xué)院，湖北 武漢 430010）

0 引言

弧形閘門作為常用閘門形式廣泛應(yīng)用于水利工程中，具有啟閉省力、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、泄流條件好并能滿足各種類型泄水孔道需要的優(yōu)點(diǎn)。在我國已經(jīng)建成的鋼閘門中，弧形閘門數(shù)量占很大的比例［1］。在高壩泄洪運(yùn)行過程中閘門常出現(xiàn)異常振動(dòng)問題，產(chǎn)生異常振動(dòng)常由于以下幾種原因［2-4］：因閘前水頭高，過閘水流流速大，水流沖擊導(dǎo)致閘門強(qiáng)迫振動(dòng)；閘前漩渦等不良流態(tài)導(dǎo)致閘門振動(dòng)；在閘門開啟或關(guān)閉過程中會(huì)在閘后出現(xiàn)明滿流交替的惡劣水流現(xiàn)象，水流劇烈翻滾引起閘門強(qiáng)烈振動(dòng)；閘門止水漏水在縫隙高速射流誘因下導(dǎo)致閘門自激振動(dòng)。

調(diào)水工程中的弧形閘門相較于高壩閘門過流量小、水頭底，但是因設(shè)計(jì)或運(yùn)行條件等限制也存在閘門振動(dòng)問題且振動(dòng)原因較復(fù)雜。與高壩弧形閘門相比調(diào)水工程弧形閘門振動(dòng)原因如下［5-9］：①節(jié)省材料及滿足規(guī)范需要，一般閘門板材較薄。雖然作用水頭減小，但水的作用力對閘門的影響占比并未減小。②調(diào)水工程閘門一般在淹沒流中控泄運(yùn)行，淹沒流是引起閘門振動(dòng)的重要因素。③由于閘門體型較小，輕微地基沉陷導(dǎo)致的閘門變形錯(cuò)位或油缸錯(cuò)位不同步都可能成為誘發(fā)閘門振動(dòng)的因素。④閘門常年運(yùn)行且部分門體始終在水下運(yùn)行，閘門止水及止水座板的縫隙較難發(fā)現(xiàn)，也成為了誘發(fā)閘門振動(dòng)的因素。通過調(diào)水工程弧形閘門的振動(dòng)原因分析發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生閘門振動(dòng)的可能性并不比高壩弧形閘門低。因此，在調(diào)水工程越來越受到重視的今天，對調(diào)水工程中弧形閘門的特性認(rèn)識及除振措施探索很有必要。

針對閘門振動(dòng)的研究主要分原型觀測、模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬三類。原型觀測通過在現(xiàn)場閘門上布置傳感器進(jìn)行應(yīng)力、加速度、位移等參數(shù)的觀測及分析評價(jià)。隨著硬件、軟件設(shè)備的升級，近年來在線監(jiān)測閘門振動(dòng)開始應(yīng)用［10，11］，做到了長時(shí)域觀測數(shù)據(jù)的分析，更有利于對振動(dòng)進(jìn)行評價(jià)。三維攝影測量技術(shù)也開始應(yīng)用于閘門流激振動(dòng)觀測，創(chuàng)新了弧形閘門位移變形觀測技術(shù)手段［12］。模型試驗(yàn)重點(diǎn)在材料相似性上，20世紀(jì)80年代國際上采用變態(tài)水彈性模型研究流激振動(dòng)；在21世紀(jì)初，吳杰芳等人研制出了全水彈性材料并應(yīng)用到三峽等重大工程的閘門流激振動(dòng)研究中，取得了良好效果［13，14］。但是模型試驗(yàn)中對止水的模擬還不能與原型一致，需進(jìn)一步研究。目前用數(shù)值模擬方法求解閘門流激振動(dòng)中的流固耦合問題已普遍應(yīng)用，但現(xiàn)有計(jì)算方法中建立模型經(jīng)歷了一系列的簡化，計(jì)算假設(shè)與邊界條件設(shè)定偏差使計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況不相符［12］。通過3種手段對比可以看出，原型觀測手段依然是閘門流激振動(dòng)研究最直接、最有效的手段。

本文以某渡槽節(jié)制閘出現(xiàn)的閘門振動(dòng)為例，通過原型觀測數(shù)據(jù)采集、分析，提出解決措施、驗(yàn)證解決措施效果。進(jìn)一步加深對調(diào)水工程弧形閘門振動(dòng)特性的認(rèn)識，同時(shí)提出的解決措施可為同類型閘門提供除振思路。

1 原型觀測實(shí)例

1.1 觀測內(nèi)容

某渡槽總干渠設(shè)計(jì)流量340 m3/s，加大流量410 m3/s。由退水閘段、進(jìn)口變段、進(jìn)口節(jié)制閘、進(jìn)口連接段、渡槽段、出口連接段、出口檢修閘室、出口漸變段和出口明渠段組成，總長540 m。槽身跨徑布置為6 m×40 m，渡槽單槽凈寬13 m，最大過水?dāng)嗝婷娣e86.06 m2，設(shè)計(jì)水深5.91 m，加大水深6.62 m。渡槽單槽頂部全寬15 m，底部全寬15.1 m，兩槽間內(nèi)部間距5 m。節(jié)制閘閘室長26 m，節(jié)制閘共2 孔，順?biāo)飨虿贾? 套弧形工作閘門，節(jié)制閘孔口尺寸13 m×7.742 m，門頁為主橫梁斜支臂結(jié)構(gòu)，支承型式為球鉸，球鉸材料為自潤滑材料。

圖1 渡槽平面布置圖Fig.1 Layout plan of aqueduct

圖2 閘門現(xiàn)場運(yùn)行圖Fig.2 Gate site operation diagram

在輸水流量150～320 m3/s，1號、2號弧形工作門在局部開啟運(yùn)行工況下，發(fā)生了單側(cè)閘門或兩閘門不同程度的異常振動(dòng)現(xiàn)象?，F(xiàn)場不得不進(jìn)行非對稱運(yùn)行或重復(fù)調(diào)整閘門，但仍不能完全解決閘門異常振動(dòng)現(xiàn)象。選取1 號閘門進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)觀測，主要觀測的內(nèi)容包括：振動(dòng)應(yīng)力、振動(dòng)加速度、振動(dòng)位移。

1.2 觀測方法

采用在現(xiàn)場閘門上布置傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的方法。根據(jù)水工弧形閘門振動(dòng)特點(diǎn)并借鑒以往類似工程測點(diǎn)布置經(jīng)驗(yàn)，測點(diǎn)主要布置在結(jié)構(gòu)受力和變形較大的區(qū)域。布置振動(dòng)加速度儀器14支、應(yīng)變片16片，同時(shí)布置脈動(dòng)壓力傳感器2支，觀測儀器具體測點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 閘門傳感器測點(diǎn)布置Fig.3 Layout of measuring points of gate sensor

1.3 評價(jià)依據(jù)

弧形閘門流激振動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的流固耦合問題，閘門振動(dòng)特性測量出來后，如何判斷結(jié)構(gòu)的危害程度，即關(guān)于閘門振動(dòng)的安全性評價(jià)問題，目前還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)［15］。參照前人研究經(jīng)驗(yàn)采用多種參數(shù)綜合分析的評判方法，保證評價(jià)結(jié)果安全可靠。

（1）振動(dòng)位移?！端姽こ啼撻l門設(shè)計(jì)規(guī)范（SL74-2019）》［16］引入美國陸軍工程師兵團(tuán)在阿肯色河弧形閘門振動(dòng)測試中的評判方法，以平均振動(dòng)位移來劃分閘門振動(dòng)的危害程度，如表1。

表1 水工鋼閘門允許幅值Tab.1 Allowable amplitude of hydraulic steel gate

（2）振動(dòng)位移（振幅）與頻率關(guān)系［17］。德國工程師K.Petrikat認(rèn)為振動(dòng)的危害程度取決于振幅和頻率的綜合效應(yīng)，給出安全臨界振幅A和其頻率f的函數(shù)表達(dá)式為：

式中：A為安全臨界振幅，μm；f為頻率，Hz。振動(dòng)頻率越高，相應(yīng)的安全臨界振幅就越小。

（3）閘門振動(dòng)應(yīng)力。我國《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范（SL74-2019）》［16］建議，對于經(jīng)常局部開啟的工作閘門，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮動(dòng)力荷載，其動(dòng)力荷載設(shè)計(jì)的動(dòng)力系數(shù)上限一般不超過1.2。另外，金屬構(gòu)件的局部振動(dòng)應(yīng)力也要求不大于材料允許應(yīng)力的20%。因此，可以認(rèn)為鋼閘門的動(dòng)應(yīng)力應(yīng)小于材料允許應(yīng)力的20%，鋼材的允許應(yīng)力通常在160 MPa左右，則其動(dòng)應(yīng)力應(yīng)小于32 MPa。

1.4 觀測工況

進(jìn)行了現(xiàn)場閘門啟閉觀測，兩個(gè)工作閘門協(xié)調(diào)運(yùn)行確保渡槽流量不變，1號閘門由6 m開度按照1 m一調(diào)節(jié)關(guān)至1 m開度，出于渡槽安全運(yùn)行考慮，最低調(diào)整至0.75 m 開度。再由0.75 m開度開啟閘門，先開至1 m，再由開度1 m 調(diào)整至2.2 m，再按照1 m一調(diào)節(jié)開至4.2 m。

1.5 觀測成果分析

閘門試驗(yàn)過程中，在由0.75 m 開至1 m 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行后閘門產(chǎn)生異常振動(dòng)，其余工況未發(fā)現(xiàn)異常振動(dòng)，將各組工況觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行振動(dòng)應(yīng)力、振動(dòng)加速度、振動(dòng)位移綜合分析。

（1）振動(dòng)應(yīng)力。閘門下行至1 m 開度穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況（正常）和閘門上行至1 m開度穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況（異常振動(dòng)）振動(dòng)應(yīng)力特征值的對比分析表明，閘門有異常振動(dòng)時(shí)的振動(dòng)應(yīng)力較正常運(yùn)行有所提升。但是閘門在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下無論有無異常振動(dòng)，閘門各主要構(gòu)件的振動(dòng)應(yīng)力均在5 MPa 以內(nèi)，遠(yuǎn)小于32 MPa 的動(dòng)應(yīng)力允許值。

（2）振動(dòng)加速度。在閘門不同開度穩(wěn)態(tài)運(yùn)行無異常振動(dòng)時(shí)，測點(diǎn)振動(dòng)加速度最大值約0.2 m/s2；在閘門上行至1 m 開度穩(wěn)態(tài)運(yùn)行出現(xiàn)異常振動(dòng)時(shí)，測點(diǎn)振動(dòng)加速度最大值約0.5 m/s2。無論閘門是否出現(xiàn)異常振動(dòng)，各測點(diǎn)的加速度均方根值均未超過1 m/s2。

（3）振動(dòng)位移。通過振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)積分求得測點(diǎn)振動(dòng)位移，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行閘門有無異常振動(dòng)工況下，各測點(diǎn)的振動(dòng)位移值：閘門支臂最大值為30 μm，弧門面板最大值為10 μm，其他各部位均在10 μm以下。均小于弧形閘門振動(dòng)位移安全允許值。

（4）振動(dòng)位移（振幅）和頻率關(guān)系。在閘門各運(yùn)行工況下，各測點(diǎn)的振幅和對應(yīng)的振動(dòng)主頻率均滿足lgA＜3.14-1.16 lgf的安全評判標(biāo)準(zhǔn)。

通過對閘門振動(dòng)應(yīng)力、振動(dòng)加速度、振動(dòng)位移、振動(dòng)位移（振幅）與其振動(dòng)頻率關(guān)系式等的綜合評判，某渡槽節(jié)制閘閘門在現(xiàn)有運(yùn)行狀況下是安全的。

2 振動(dòng)成因分析及除振措施

雖然在閘門穩(wěn)態(tài)運(yùn)行出現(xiàn)異常振動(dòng)時(shí)整體振動(dòng)量級較小，但長期異常振動(dòng)會(huì)給現(xiàn)場工作人員帶來不舒適感，同時(shí)也會(huì)給閘門帶來疲勞損傷，縮短閘門正常運(yùn)行壽命。因此找到閘門振動(dòng)原因并解決異常振動(dòng)具有重要意義。

2.1 振動(dòng)成因分析

（1）水流激振影響。對閘門產(chǎn)生異常振動(dòng)時(shí)的振動(dòng)加速度及閘后水流脈動(dòng)進(jìn)行頻譜分析，具體如圖4。

圖4 閘門產(chǎn)生異常振動(dòng)時(shí)的測點(diǎn)頻譜分析Fig.4 Frequency spectrum analysis of measuring points when the gate is abnormal

閘門產(chǎn)生異常振動(dòng)后，各加速度測點(diǎn)優(yōu)勢頻率基本在20 Hz以上，而閘后水流脈動(dòng)壓力主頻率在1 Hz左右。說明閘下淹沒水躍形成的周期性反向沖擊水流不是引發(fā)閘門異常振動(dòng)的直接原因。

（2）止水、止水座板變形影響。從外觀上，閘門在局部開啟運(yùn)行時(shí)兩閘門均存在一定程度的止水漏水現(xiàn)象，雖然水頭不高，但止水漏水是閘門振動(dòng)的誘因之一。同時(shí)止水變形加之止水座板不平使門頁兩側(cè)的約束減弱，也成為閘門振動(dòng)的誘因。

綜合分析水流激振不是誘發(fā)閘門振動(dòng)的直接原因。但由于閘門止水、止水座板變形，閘門在不同開度時(shí)門頁兩側(cè)約束條件變化很大，加之來流量增大，水流激勵(lì)增強(qiáng)可能就會(huì)引起閘門振動(dòng)。

2.2 除振措施及驗(yàn)證

由于工程運(yùn)行期間還需閘門控泄，更換止水不便，考慮改變約束條件消除閘門異常振動(dòng)。由于現(xiàn)場閘門兩側(cè)油缸運(yùn)行時(shí)本身存在幾毫米行程偏差，建議通過微調(diào)閘門單側(cè)油缸行程幾毫米改變止水與止水座板間隙，以使閘門恢復(fù)至正常運(yùn)行狀態(tài)。經(jīng)過現(xiàn)場工作人員嘗試，微調(diào)閘門單側(cè)油缸行程幾毫米有效且操作簡便，通過觀測數(shù)據(jù)對比振動(dòng)明顯減小。如：在閘門右側(cè)油缸行程由3 807 mm 微調(diào)至3 800 mm 后閘門異常振動(dòng)消失。閘門上主梁左側(cè)加速度均方根值由0.075 m/s2減小至0.032 m/s2，減小134%。閘門下主梁右側(cè)加速度均方根值由0.202 m/s2減小至0.028 m/s2，減小621%，微調(diào)前后加速度數(shù)據(jù)對比如圖5。

圖5 閘門微調(diào)前后主梁振動(dòng)對比Fig.5 Comparison of main beam vibration before and after gate trimming

通過微調(diào)閘門單側(cè)油缸幾毫米除振，過閘流量偏差未超過0.1%，閘下流態(tài)及作用在閘門上的水流荷載均沒有變化。但是閘門微調(diào)后的異常振動(dòng)卻消失，閘門局部構(gòu)件的振動(dòng)加速度也明顯減?。或?yàn)證了閘門產(chǎn)生異常振動(dòng)應(yīng)該是門體局部結(jié)構(gòu)的約束條件發(fā)生了變化、在水動(dòng)力荷載作用下引發(fā)的；當(dāng)門體結(jié)構(gòu)的約束條件恢復(fù)至正常狀態(tài)時(shí)，閘門異常振動(dòng)就會(huì)消失。

3 結(jié)論

（1）從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到運(yùn)行條件綜合分析，調(diào)水工程弧形閘門發(fā)生振動(dòng)的可能性并不比高壩弧形閘門低。

（2）依托實(shí)際工程閘門振動(dòng)進(jìn)行了原型觀測，通過振動(dòng)應(yīng)力、振動(dòng)位移、振動(dòng)位移（振幅）和頻率關(guān)系、振動(dòng)加速度多參數(shù)對閘門振動(dòng)安全進(jìn)行了評估。

（3）對閘門振動(dòng)產(chǎn)生的原因從水流激振、自身約束方面進(jìn)行了分析，結(jié)合分析提出了相應(yīng)除振措施并在現(xiàn)場進(jìn)行了除振措施驗(yàn)證。驗(yàn)證了運(yùn)行工況下微調(diào)閘門一側(cè)油缸行程幾毫米是有效的應(yīng)急除振手段，為類似工程應(yīng)急除振提供了方法及數(shù)據(jù)支撐。

（4）調(diào)水工程弧形閘門由于常年運(yùn)行，需進(jìn)行定期檢查，尤其是對止水及止水座板的平整度要及時(shí)檢查，同時(shí)要定期檢查閘門變形及鉸支座、啟閉機(jī)糾偏，預(yù)防閘門異常振動(dòng)問題。