平面閘門流激振動分析及防振措施

鄧淇 沈春穎 馬江霞

摘 要：在水利樞紐的泄水、引水和通航系統(tǒng)等各種過水孔道上，平面閘門用于調節(jié)上下游水位、控制流量、攔截水流、排放泥沙、放運船只等作用。閘門流激振動往往會危及閘門結構安全，危害人民生命財產(chǎn)安全。因此閘門結構振動成為水利工程中亟待解決的問題，本文從平面閘門流激振動研究進展、閘門振動破壞事例和閘門振動機理等方面分析，重點討論閘門振動原因及解決措施，以盡可能避免閘門振動造成的危害。

關鍵詞：平面閘門;振動;措施;流激振動

中圖分類號：TV34? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）12-0112-03

平面閘門在水利工程中得到十分廣泛的應用，可用于調節(jié)上下游水位、控制流量、攔截水流、排放泥沙等作用。近年來我國經(jīng)濟高速發(fā)展，其中水利行業(yè)也在快速發(fā)展，以往高壩發(fā)展緩慢，如今高壩發(fā)展迅速。平面閘門承壓水頭、單寬流量不斷增大，孔口和閘門尺寸等也隨之增大，加之大量閘門需要滿足部分開啟要求所帶來的運行條件的復雜化，閘門結構的流激振動及安全可靠性等問題凸顯。

1平面閘門流激振動研究進展

1.1國外研究進展

目前，許多學者對閘門流激振動進行一系列研究。穆勒[1]通過實驗發(fā)現(xiàn)平面閘門振動現(xiàn)象，并把振動命名為渦激振動，振動發(fā)生要滿足兩個條件：閘門開度較小、上下游水位差較小。Hardwike[2-3]通過實驗分析驗證穆勒的研究發(fā)現(xiàn)，同時測量作用在閘門底緣的渦激力，是為了更好敘述閘門的自激過程，并且采用無量綱的折算速度和閘門的自振頻率與阻尼比等相應參數(shù)預測閘門的振動形式。Kolkman[4]和Vrijer[5]描述直升閘門振動的流體慣性模式，認為閘門振動過程中，閘孔的有效過水面積變化導致流量的脈動，其流量的脈動與慣性效應在孔口局部產(chǎn)生壓力差的變化加速閘門的振動。Jongeling[6]等研究閘門流激振動條件，發(fā)現(xiàn)閘門流激振動與閘門開度、底部傾角有關，給出閘門傾角在45°或 60°有利于避免閘門振動發(fā)生。

1.2國內研究進展

王桂青[7]對陡河水庫輸水洞工作閘門振動，進行觀測分析，提出閘門各種工作條件下應采取的措施;趙欣[8]對閘門流激振動破壞事例研究，分析閘門振動原理及特點，提出避免閘門振動措施;嚴根華[9]通過對現(xiàn)場閘門流激振動參數(shù)檢測，尋找閘門振動的原因，提出預防措施保證閘門安全穩(wěn)定分析;肖興斌[10]等結合三峽水電站排沙孔工作平板閘門，分析高水頭閘門水力特性，研究分析閘門底緣后漩渦水流剪切空化引起的閘門振動，提出相關措施防止閘門空蝕及振動措施，確保閘門正常進行運行。

國內外學者在流固耦合產(chǎn)生的平面閘門振動問題上取得許多成果，但目前對誘發(fā)平面閘門振動機理尚無清楚的理論解釋，迄今仍沒能提出有效分析和處理這種復雜振動現(xiàn)象的理論和方法，有待進一步探索。而平面閘門的研究基于理論與數(shù)值模擬較多，根據(jù)實際工程結合較少。然而模擬與數(shù)值分析難與實際工況相吻合，因此想要精準研究分析，需要根據(jù)實際工程來進行[11] 。

2流激振動破壞閘門事例

我國劉家峽水電站，1969年由于閘門開度過大導致胸墻門體發(fā)生水錘，進一步發(fā)生劇烈的振動，由于劇烈振動泄水道閘門遭到破壞，第二年劉家峽水電站泄水道閘門正式投入使用后，工作人員發(fā)現(xiàn)閘門出現(xiàn)強烈振動情況，經(jīng)相關部門檢測，發(fā)現(xiàn)不僅整個門的振動很強，而且門體的結構應力也很大。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)對閘門結構造成極大危害，經(jīng)技術部門檢查，閘門振動原因是止水設施出現(xiàn)問題，進而引起閘門的流激振動[11-15]。

1995年，福爾瑟姆泄水道閘門開啟泄水時，泄水閘出現(xiàn)強烈振動，導致弧形閘門右支臂向內彎曲，鉸軸因出現(xiàn)剪應力而被斷裂，最終導致閘門破壞。幫捏·威爾溢流壩14米高的平板平面閘門開度較小時會引發(fā)劇烈的自激振動;巴克萊壩15.2m*16.8m弧形閘門開度較小情況下引起30HZ的劇烈振動開度較小時發(fā)生振幅[11-15]。

3平面閘門振動機理

閘門發(fā)生振動有較多因素造成，但專家們通過討論后一致認為，動水作用不平衡的主要原因是閘門與動水相互接觸的一剎那立即發(fā)生，振動現(xiàn)象也隨著出現(xiàn)。許多情況下，閘門的作用力等同于結構外力。另外一種情況，閘門自身結構與附近質點運動有著相互的作用，平面閘門上有多種作用力時，這些力會對閘門整個結構做功，輸入的能量使系統(tǒng)在滿足阻尼能量消耗后連續(xù)振動[9][16]。國內外學者建議把流激振動劃分為三種，見表1 [15-16]。

加拿大 Weaver[17]根據(jù)振動特征將流激振動分為水流誘發(fā)的強迫、自控、自激振動;美國學者 Blevins[18]根據(jù)流體引發(fā)振動類型分成兩類，一類是穩(wěn)定流動，一類是非恒定流動;德國 Naudascher·E[19]根據(jù)流體引發(fā)結構振動機理分為外部激發(fā)振動、不穩(wěn)定激發(fā)振動、運動激發(fā)振動、共振流體振動。

目前，許多專家學者對閘門流激振動進行大量研究，但平面閘門振動是一特殊的流體力學問題，涉及到水流條件、閘門結構及其相互作用，屬于流體激發(fā)振動，其平面閘門結構復雜性、振動現(xiàn)象多變性以及振動機理尚未完全掌握，因此，平面閘門振動研究探索道路依然十分艱辛[20-21]。

4 閘門振動原因及解決措施

振動破壞的閘門總是和某些水力條件所形成的振源有著密切的關聯(lián)，當采取相關的措施后，振源得到有效的控制，振動會伴隨著消失。為避免振動的發(fā)生，所以必須弄清振動發(fā)生的原因，找到合理有效的措施進行治理，根據(jù)水力條件可將振源分為以下幾類[22-25]：

（1） 閘門止水漏水因素。由于閘門止水剛度與柔韌度不足，選取的止水類型與閘門不恰當?shù)绕渌颍l門發(fā)生振動[26]。當漏水量達到一定量時，閘門頂止水射出作用于止水部件上，閘門振動發(fā)生[27]。對于上述這種情況，應提高施工質量，保障止水設施具有非常好的氣密性。根據(jù)材料質量、止水位置及尺寸進行一個有效的規(guī)劃和安排，將座板和止水緊密接觸，盡可能地減少或不發(fā)生因閘門漏水，導致閘門不能繼續(xù)正常的工作而發(fā)生閘門振動。

（2） 波浪沖擊閘門因素。水閘前水位靠近胸墻周圍，上游產(chǎn)生較大風浪、涌潮時會作用胸墻底部與閘門露出水面的部位形成封閉氣囊，此時空氣會由于形成的壓力差而被壓縮，會出現(xiàn)較大的氣囊沖擊力，引發(fā)閘門振動。為避免這種情況的發(fā)生，在閘門上游因采取恰當?shù)拇胧貉b配浪排、防浪柵等，來降低波浪對閘門造成巨大沖擊。同時也可在胸墻底部設置通氣孔，目的是在閘門正常泄水起到排氣的作用，這樣能夠有效地降低風浪、涌潮對閘門的沖擊，從而避免引發(fā)閘門振動。

（3）平面閘門的底緣型式因素。平面閘門底部設計不合理，則會造成水力條件不能得到滿足，進而會導致閘門啟閉難度加大，尤其是會引起水流脈動壓力增加。若要避免上述情況發(fā)生，要注意刀刃形底緣和挑出的角度，根據(jù)相應閘門設計規(guī)范要求，上游傾角不得小于45°，下游傾角不得小于30°，使得閘門底緣流線平順，有效降低閘門發(fā)生振動頻率;實際操作時底部主梁寬度大小要小于閘門在實際操作時開度大小，目的是阻礙開度較小的強振區(qū)。

（4）閘后淹沒水流引起振動因素。平面閘門開度在適當?shù)姆秶鷥龋l門泄水時閘后會出現(xiàn)淹沒水躍，水躍對閘門產(chǎn)生劇烈沖擊，其原因是水流產(chǎn)生劇烈的脈動壓力引發(fā)閘門振動，該振動為受迫振動，是在隨機荷載下發(fā)生。此時應改變運行工況，盡可能使閘孔水流為一個自由出流狀態(tài)，這樣可避免閘門振動現(xiàn)象發(fā)生。如果不可避免出現(xiàn)淹沒水躍，則盡可能增加閘門懸架結構的支撐結構剛度。

5 結語

國內外因平面閘門振動破壞事故較多，但由于水流流態(tài)、閘門結構復雜性成為流激振動中較難分析的重難點?，F(xiàn)有理論和經(jīng)驗很難解決由于流激振動造成閘門破壞的各種情況，因此閘門設計時應嚴格按照相應閘門設計規(guī)范，加強施工質量。當閘門發(fā)生振動破壞時，及時進行分析，對其破壞原因做出準確的判斷進而采取相應的措施，防止閘門振動產(chǎn)生的危害。

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基金項目：云南省教育廳科學研究基金項目（編號：2020J0056）;昆明理工大學引進人才科研啟動基金項目（編號：KKSY201904008）。