蒙城船閘上閘首弧形閘門振動分析及更新改造設計

黃麗玲

（安徽省水利水電勘測設計院，安徽 合肥　230088）

蒙城船閘上閘首弧形閘門振動分析及更新改造設計

黃麗玲

（安徽省水利水電勘測設計院，安徽 合肥230088）

摘 要：蒙城船閘上閘首采用的是下沉式弧形鋼閘門，2006年閘門經過第1次加固處理后出現強烈的振動現象，引起有關部門的高度重視。經過多次召開專家會議以及深入細致的研究，分析了該閘門振動的原因，并在此基礎上設計出新的閘門。

關鍵詞：下沉式弧形閘門；導流板；流激振動；自振頻率；空間網架結構；迷宮式止水

1　工程布置概況

蒙城船閘始建于1969年3月，為渦河蒙城段水利樞紐的重要組成部分，除了滿足通航條件外，還需要考慮參與分洪和沖淤的功能。當上游水位過高、節制閘和分洪閘泄洪流量不足以排洪或者引航道淤積需要沖刷時，船閘開始停航泄洪，此時閘門需要在動水條件下運行，因此上閘首閘門選擇了水力條件較好的弧形鋼閘門。

船閘上閘首孔口凈寬10 m，閘室有效長度105 m，閘室入口處設消能室。上閘首采用弧形鋼閘門正向擋水，弧門底部設導流板，在充水過程中將通過閘門底部的紊流導入消能室，使水流相對平順地流入閘室，不會對閘室內停泊的船只造成沖擊。閘室充水時閘門先漸升1.5 m，待閘室水位與上游平齊時再將閘門下沉落入消能平臺以下位置，船只通航。泄洪沖淤時，閘門提出水面，以免水流激蕩門體造成破壞。

老閘門設計采用直支臂主橫梁弧形鋼閘門，縱、橫向撐架及支臂均為桁架結構，門體支臂支撐于兩側墻內壁。啟閉橋面兩側為空箱墻墩，墻內設平衡陀，可以減少啟閉機容量，啟閉機為2×15 t弧形門卷揚式啟閉機。下閘首兩側設短廊道輸水，輸水洞門采用平面直升式鋼閘門，工作閘門采用人字形鋼閘門。

經過幾十年的運行，工程設施、機電設備等老化，已不能滿足運行要求。2006年，對蒙城船閘進行了第1次加固處理，更換了閘門及啟閉機。其中，上閘首閘門更換為實腹式雙主梁弧形鋼閘門，門體重量增大；啟閉機更換為2×25 t弧形門卷揚式啟閉機，平衡陀棄用。

2　第1次加固更換后的閘門使用狀況

2006年加固后的閘門投入使用后出現了強烈的振動，具體情況記述如下。

2.1放水過程中的振動

2.1.1上游充水

小開度開啟弧形門充水之初，閘門不振動。當閘室水位上升至將要淹沒導流板時，弧形門開始振動并逐步加強，在淹沒下部主橫梁時最為強烈，同時主橫梁的開孔處開始往上噴水柱。隨著開啟高度進一步加大，振動緩慢減弱并逐步消失。

2.1.2下游泄水

在下游輸水洞門開啟泄水過程中，當閘室水位降至弧形門上部主橫梁位置時出現異常振動，當水位降至消力平臺以下時，振動逐步消失。

2.2擋水過程中的振動

據管理單位反映，2007年9月10日，弧形門在關閉擋水的情況下突然出現劇烈振動，并引發岸墻、公路橋發生振動，岸邊數戶居民甚至誤以為是地震。隨后，開啟閘門向閘室充水，振動逐步消失。

現場觀察發現，閘門底止水漏水嚴重，弧門頂緣可見少量傾斜。隨后，對開啟行程作了適度調整，漏水量有所減少。現場人員又重新調整了啟閉機雙吊點鋼絲繩的長度，將閘門調平，然后在擋水的情況下進行測試，閘門仍振動。

3　閘門振動成因分析

3.1振動機理簡介

總體來說，閘門振動是由于在動水作用力下的不平穩引起的。閘門由具有質量的彈塑性材料制成，在外力的作用下能表現出彈性力、滯阻力和慣性力。如果外力是穩定的、靜止的，那么在閘門結構中只出現與之相平衡的彈性力；如果外力不是穩定的，那么在閘門結構中除了彈性力外，還將出現滯阻力和慣性力，它們都是時間的函數，結構的應力和變形也隨之成為時間的函數，這樣就出現了振動的現象。一般情況下，閘門在動水中出現的振動是輕微的，當外力的激蕩頻率接近閘門結構的自振頻率時，無論激蕩頻率是外力固有的還是由于結構與水流間發生反饋作用衍生出來的，振幅將很快增大，產生振動。

水工鋼閘門的振動類型主要是流激振動。流激振動的原因是流體流動的不穩定性，即由層流過渡到紊流時能量的轉換過程。通過流體反饋控制作用，特別是流體彈性反饋控制作用，流體的波動就自動調整其波長和頻率，使之與門體結構的振動頻率相耦合，此時結構的振動就從流體獲得源源不斷的能量補給，從而使結構振動保持在很高的水平上。

3.2振動原因分析

3.2.1布置型式

該閘門為下沉式弧門，與一般的弧門不同的是，只有在船只通航時閘門下沉進入消能室，在擋水、充水和泄水過程中，閘門都是靠啟閉機鋼絲繩懸掛于某一開度位置。邊界約束主要包括支鉸、鋼絲繩和側輪，門體可以繞著支鉸軸自由轉動，因側向留有一定的間隙，門體在垂直水流方向也可以有一定的位移。在水流沖擊下，門體具有一定的能量，就可能發生持續的振動。

這種布置型式是由該船閘的功能決定的。近些年，新建的船閘基本上功能單一，無需參與泄洪，工作閘門均考慮在靜水條件下啟閉，采用的是人字門或者三角門的結構型式，門體約束力較強，也無需局部開啟，這樣就能從根源上杜絕這種布置型式的弊端。

在新閘門設計時，采取盡可能地減小側向間隙、鋼絲繩與吊點使用剛性連接等措施，可以減輕該布置型式本身造成的振動問題。

3.2.2自振頻率改變

老的弧形閘門為桁架式結構，支臂及縱、橫向撐架均采用由槽鋼或角鋼組成的桁架，主梁與支臂構成的主框架剛度比較大，閘門重量較輕，老閘門的自振頻率相對較高。更換后的閘門主橫梁與縱向連接系及支臂全部采用實腹式結構，主梁與支臂構成的主框架剛度比較小，閘門重量加重，閘門的自振頻率相對降低，容易與閘門局部調節流量時產生的低頻狀態振動頻率相近，從而引發振動。

3.2.3實腹式結構

加固更換的閘門主、縱梁及支臂均為工字形斷面。由于多邊形結構對水的阻力大，當閘門處于水中，水的激振會引起閘門振動。特別是在充水過程中，閘門底部過水，下游回水沖擊底梁腹板，容易引起閘門振動。

3.2.4止水橡皮

止水橡皮產生的振動可以細分為以下3個方面:

（1）閘門側、底止水均布置在面板上，由于閘門制造加工工藝問題或者在水壓作用下導致門葉變形等原因，止水橡皮安裝座面并非是理想的圓弧面，止水安裝質量不高。閘門在啟閉過程中，面板與止水橡皮間產生不均勻的強烈摩擦，可能引起閘門振動。

（2）止水座板安裝不平直，或者止水選型不當、材料柔性不夠，導致止水和止水座板之間呈不連續接觸而不能完全密封，在上游水壓力作用下，水就從止水與座板間隙中射出，射流在止水頭部形成負壓，使止水橡膠帶被吸向止水座，封閉了間隙，負壓消失，而止水由于本身的彈性被彈回，故又出現間隙，如此循環往復，使止水以一定的頻率產生振動。當止水的自激振動頻率與門體自振頻率接近時，就會引起閘門強烈的振動。

（3）閘門底部止水橡皮磨損，漏水量較大，從閘門底止水射出的水流直接拍打在門葉背后的梁格上，引起閘門振動。

3.2.5安裝誤差

閘門支鉸采用的是圓柱鉸，經過檢測，左右兩側高程相差12 mm，現行規范要求兩支鉸同心度誤差不得超過2 mm。支鉸座作為弧形閘門的重要組成部分，安裝質量的好壞直接影響著弧形閘門運行質量。如果支鉸座的同心度、同軸度得不到保證，將影響閘門運行的平穩性，加快支鉸座及軸的磨損以及止水橡皮的磨損，引發閘門的振動。

3.2.6淹沒水躍對導流板的作用

閘門開始提升放水時，門后水位還沒有淹沒閘門底部的導流板，此時無論閘門起始開度如何，閘門都不會振動。當閘門下游水位升高至將要淹沒導流板時，閘門開始振動，并逐步加強。

此時閘門下游的淹沒水躍能量不能完全被消耗，回水躍產生的脈動壓力反復沖擊導流板，引起閘門振動。

通過現場觀察并結合對閘門導流板在不同開度下的角度進行分析發現，閘門在0～1.2 m開度時，隨著開度的增加，閘門導流板與底檻之間的角度沒有太大的變化，泄流量增加不大，增加了回水躍產生的脈動沖擊導流板的時間，從而增加了閘門振動的可能。

4　解決方法

為了避免閘門發生振動，應該使水流和結構之間不產生反饋控制作用，使閘門的自振頻率遠離水流的脈動頻率。針對上述閘門振動原因，采取了如下相對應的措施。

4.1閘門結構的改變

閘門振動往往是由于個別構件薄弱發生振動表現出來的。因此，若把結構的剛度設計大一些、自振頻率設計高一些，就可能避免強烈的振動。

新閘門設計上注意增加閘門的結構剛度，減少結構對水流的阻力。門葉改為由桁架梁組成的空間管網架結構，主、縱梁采用方鋼，支臂采用圓管，在支臂上部和下部分別增加空間網架支承，均由圓管焊接而成。這種結構型式增加了門體的自振頻率，封閉圓滑截面的型鋼減少了對水的阻力，可以有效降低閘門振動。

4.2止水的改變

側止水橡皮采用帶100°預壓角的L形止水橡皮，可以有效改善止水座面不平整產生的漏水現象。通過止水橡皮自帶的預壓角，使止水橡皮球頭與止水座板緊密貼合。為防止底止水漏水，采用迷宮式止水型式，由3道I8橡皮夾2道H5橡皮組合而成，止水預壓5 mm。止水橡皮改用聚四氟復合止水材料，具有低摩阻高耐磨的性能。閘門面板厚度增加，在制作過程中注意控制門體焊接變形。通過上述方法，減少或消除止水與基面、止水與座板之間的間隙，保證止水的嚴密性，避免因止水漏水引發閘門振動。

4.3支鉸的改變

圓柱鉸和圓錐鉸對鉸軸偏斜或同心度誤差要求較高，而球鉸能夠實現自動調心且便于安裝，因此將閘門支鉸改為球鉸，并采用自潤滑關節軸承。該軸承具有自動調心、對偏斜不敏感、受力均勻、承載能力高、可同時承受一定的徑向和軸向荷載、自潤滑等特性。如，某制造廠生產的關節鉸允許傾斜角度為2°，該產品近年來在水利工程中大量推廣應用。

4.4門底導流板角度的改變

根據水工模型試驗并結合現場情況分析，增大門底導流板與門體弧面切線的夾角，加快門后水位的上升速度，可以減少回水躍產生的脈沖壓力沖擊導流板的歷時。

4.5調整輸水時閘門開度

管理人員在開門輸水過程中應密切關注門后水流流態是否正常，根據水流狀態隨時調整閘門開度，規避振動位置。尤其是上下游水位差較大的情況下，管理人員更需要嚴密關注，謹慎操作，防止閘門出現振動。

5　結語

新閘門較原閘門重量增加了10余t，原來2×25 t啟閉機啟門容量稍顯不足，若更換啟閉機勢必造成現有啟閉機房的破壞，加固成本增加較多。為此，考慮重新啟用2塊重達10 t的平衡陀，平衡陀通過鋼絲繩繞過閘門底部，可以有效地減少啟閉機容量。

新閘門已經投入使用數年，每天過船多達20余次，閘門啟閉頻繁。實踐證明，上閘首弧形閘門在擋水、充水、泄水過程中的振動現象得到了有效的控制。

參考文獻

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中圖分類號：TV698.2+2

文獻標識碼：B

文章編號：1004-7328（2016）02-0066-03

DOI:10.3969/j.issn.1004-7328.2016.02.022

收稿日期：2015—11—23

作者簡介：黃麗玲（1976—），女，高級工程師，主要從事水工金屬結構設計工作。