調(diào)水工程弧形閘門(mén)振動(dòng)測(cè)試分析及除振措施

朱俊杰，劉圣凡，董玉增，楊康華

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

0 引言

弧形閘門(mén)作為常用閘門(mén)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(lèi)型泄水孔道需要的優(yōu)點(diǎn)。在我國(guó)已經(jīng)建成的鋼閘門(mén)中，弧形閘門(mén)數(shù)量占很大的比例［1］。在高壩泄洪運(yùn)行過(guò)程中閘門(mén)常出現(xiàn)異常振動(dòng)問(wèn)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(guò)閘水流流速大，水流沖擊導(dǎo)致閘門(mén)強(qiáng)迫振動(dòng)；閘前漩渦等不良流態(tài)導(dǎo)致閘門(mén)振動(dòng)；在閘門(mén)開(kāi)啟或關(guān)閉過(guò)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(mén)強(qiáng)烈振動(dòng)；閘門(mén)止水漏水在縫隙高速射流誘因下導(dǎo)致閘門(mén)自激振動(dòng)。

調(diào)水工程中的弧形閘門(mén)相較于高壩閘門(mén)過(guò)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(mén)振動(dòng)問(wèn)題且振動(dòng)原因較復(fù)雜。與高壩弧形閘門(mén)相比調(diào)水工程弧形閘門(mén)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(mén)板材較薄。雖然作用水頭減小，但水的作用力對(duì)閘門(mén)的影響占比并未減小。②調(diào)水工程閘門(mén)一般在淹沒(méi)流中控泄運(yùn)行，淹沒(méi)流是引起閘門(mén)振動(dòng)的重要因素。③由于閘門(mén)體型較小，輕微地基沉陷導(dǎo)致的閘門(mén)變形錯(cuò)位或油缸錯(cuò)位不同步都可能成為誘發(fā)閘門(mén)振動(dòng)的因素。④閘門(mén)常年運(yùn)行且部分門(mén)體始終在水下運(yùn)行，閘門(mén)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(mén)振動(dòng)的因素。通過(guò)調(diào)水工程弧形閘門(mén)的振動(dòng)原因分析發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生閘門(mén)振動(dòng)的可能性并不比高壩弧形閘門(mén)低。因此，在調(diào)水工程越來(lái)越受到重視的今天，對(duì)調(diào)水工程中弧形閘門(mén)的特性認(rèn)識(shí)及除振措施探索很有必要。

針對(duì)閘門(mén)振動(dòng)的研究主要分原型觀測(cè)、模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬三類(lèi)。原型觀測(cè)通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)閘門(mén)上布置傳感器進(jìn)行應(yīng)力、加速度、位移等參數(shù)的觀測(cè)及分析評(píng)價(jià)。隨著硬件、軟件設(shè)備的升級(jí)，近年來(lái)在線監(jiān)測(cè)閘門(mén)振動(dòng)開(kāi)始應(yīng)用［10，11］，做到了長(zhǎng)時(shí)域觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析，更有利于對(duì)振動(dòng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。三維攝影測(cè)量技術(shù)也開(kāi)始應(yīng)用于閘門(mén)流激振動(dòng)觀測(cè)，創(chuàng)新了弧形閘門(mén)位移變形觀測(cè)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(guó)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(mén)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(duì)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(mén)流激振動(dòng)中的流固耦合問(wèn)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(jiǎn)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(guò)3種手段對(duì)比可以看出，原型觀測(cè)手段依然是閘門(mén)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(mén)振動(dòng)為例，通過(guò)原型觀測(cè)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(duì)調(diào)水工程弧形閘門(mén)振動(dòng)特性的認(rèn)識(shí)，同時(shí)提出的解決措施可為同類(lèi)型閘門(mén)提供除振思路。

1 原型觀測(cè)實(shí)例

1.1 觀測(cè)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(zhǎng)540 m。槽身跨徑布置為6 m×40 m，渡槽單槽凈寬13 m，最大過(guò)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(zhǎng)26 m，節(jié)制閘共2 孔，順?biāo)飨虿贾? 套弧形工作閘門(mén)，節(jié)制閘孔口尺寸13 m×7.742 m，門(mén)頁(yè)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(rùn)滑材料。

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

圖2 閘門(mén)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行圖Fig.2 Gate site operation diagram

在輸水流量150～320 m3/s，1號(hào)、2號(hào)弧形工作門(mén)在局部開(kāi)啟運(yùn)行工況下，發(fā)生了單側(cè)閘門(mén)或兩閘門(mén)不同程度的異常振動(dòng)現(xiàn)象?，F(xiàn)場(chǎng)不得不進(jìn)行非對(duì)稱(chēng)運(yùn)行或重復(fù)調(diào)整閘門(mén)，但仍不能完全解決閘門(mén)異常振動(dòng)現(xiàn)象。選取1 號(hào)閘門(mén)進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)觀測(cè)，主要觀測(cè)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(cè)方法

采用在現(xiàn)場(chǎng)閘門(mén)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(mén)振動(dòng)特點(diǎn)并借鑒以往類(lèi)似工程測(cè)點(diǎn)布置經(jīng)驗(yàn)，測(cè)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(cè)儀器具體測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 閘門(mén)傳感器測(cè)點(diǎn)布置Fig.3 Layout of measuring points of gate sensor

1.3 評(píng)價(jià)依據(jù)

弧形閘門(mén)流激振動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的流固耦合問(wèn)題，閘門(mén)振動(dòng)特性測(cè)量出來(lái)后，如何判斷結(jié)構(gòu)的危害程度，即關(guān)于閘門(mén)振動(dòng)的安全性評(píng)價(jià)問(wèn)題，目前還沒(méi)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(píng)判方法，保證評(píng)價(jià)結(jié)果安全可靠。

（1）振動(dòng)位移。《水利水電工程鋼閘門(mén)設(shè)計(jì)規(guī)范（SL74-2019）》［16］引入美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)在阿肯色河弧形閘門(mén)振動(dòng)測(cè)試中的評(píng)判方法，以平均振動(dòng)位移來(lái)劃分閘門(mén)振動(dòng)的危害程度，如表1。

表1 水工鋼閘門(mén)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(guó)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(mén)振動(dòng)應(yīng)力。我國(guó)《水利水電工程鋼閘門(mén)設(shè)計(jì)規(guī)范（SL74-2019）》［16］建議，對(duì)于經(jīng)常局部開(kāi)啟的工作閘門(mén)，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(guò)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(mén)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(cè)工況

進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)閘門(mén)啟閉觀測(cè)，兩個(gè)工作閘門(mén)協(xié)調(diào)運(yùn)行確保渡槽流量不變，1號(hào)閘門(mén)由6 m開(kāi)度按照1 m一調(diào)節(jié)關(guān)至1 m開(kāi)度，出于渡槽安全運(yùn)行考慮，最低調(diào)整至0.75 m 開(kāi)度。再由0.75 m開(kāi)度開(kāi)啟閘門(mén)，先開(kāi)至1 m，再由開(kāi)度1 m 調(diào)整至2.2 m，再按照1 m一調(diào)節(jié)開(kāi)至4.2 m。

1.5 觀測(cè)成果分析

閘門(mén)試驗(yàn)過(guò)程中，在由0.75 m 開(kāi)至1 m 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行后閘門(mén)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(cè)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(mén)下行至1 m 開(kāi)度穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況（正常）和閘門(mén)上行至1 m開(kāi)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(duì)比分析表明，閘門(mén)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(mén)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下無(wú)論有無(wú)異常振動(dòng)，閘門(mén)各主要構(gòu)件的振動(dòng)應(yīng)力均在5 MPa 以?xún)?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(mén)不同開(kāi)度穩(wěn)態(tài)運(yùn)行無(wú)異常振動(dòng)時(shí)，測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度最大值約0.2 m/s2；在閘門(mén)上行至1 m 開(kāi)度穩(wěn)態(tài)運(yùn)行出現(xiàn)異常振動(dòng)時(shí)，測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度最大值約0.5 m/s2。無(wú)論閘門(mén)是否出現(xiàn)異常振動(dòng)，各測(cè)點(diǎn)的加速度均方根值均未超過(guò)1 m/s2。

（3）振動(dòng)位移。通過(guò)振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)積分求得測(cè)點(diǎn)振動(dòng)位移，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行閘門(mén)有無(wú)異常振動(dòng)工況下，各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)位移值：閘門(mén)支臂最大值為30 μm，弧門(mén)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(mén)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(mén)各運(yùn)行工況下，各測(cè)點(diǎn)的振幅和對(duì)應(yīng)的振動(dòng)主頻率均滿足lgA＜3.14-1.16 lgf的安全評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

通過(guò)對(duì)閘門(mén)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(píng)判，某渡槽節(jié)制閘閘門(mén)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(mén)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行出現(xiàn)異常振動(dòng)時(shí)整體振動(dòng)量級(jí)較小，但長(zhǎng)期異常振動(dòng)會(huì)給現(xiàn)場(chǎng)工作人員帶來(lái)不舒適感，同時(shí)也會(huì)給閘門(mén)帶來(lái)疲勞損傷，縮短閘門(mén)正常運(yùn)行壽命。因此找到閘門(mén)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(duì)閘門(mén)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(mén)產(chǎn)生異常振動(dòng)時(shí)的測(cè)點(diǎn)頻譜分析Fig.4 Frequency spectrum analysis of measuring points when the gate is abnormal

閘門(mén)產(chǎn)生異常振動(dòng)后，各加速度測(cè)點(diǎn)優(yōu)勢(shì)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(shuō)明閘下淹沒(méi)水躍形成的周期性反向沖擊水流不是引發(fā)閘門(mén)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(mén)在局部開(kāi)啟運(yùn)行時(shí)兩閘門(mén)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(mén)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(mén)頁(yè)兩側(cè)的約束減弱，也成為閘門(mén)振動(dòng)的誘因。

綜合分析水流激振不是誘發(fā)閘門(mén)振動(dòng)的直接原因。但由于閘門(mén)止水、止水座板變形，閘門(mén)在不同開(kāi)度時(shí)門(mén)頁(yè)兩側(cè)約束條件變化很大，加之來(lái)流量增大，水流激勵(lì)增強(qiáng)可能就會(huì)引起閘門(mén)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(mén)控泄，更換止水不便，考慮改變約束條件消除閘門(mén)異常振動(dòng)。由于現(xiàn)場(chǎng)閘門(mén)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(guò)微調(diào)閘門(mén)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(mén)恢復(fù)至正常運(yùn)行狀態(tài)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工作人員嘗試，微調(diào)閘門(mén)單側(cè)油缸行程幾毫米有效且操作簡(jiǎn)便，通過(guò)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比振動(dòng)明顯減小。如：在閘門(mén)右側(cè)油缸行程由3 807 mm 微調(diào)至3 800 mm 后閘門(mén)異常振動(dòng)消失。閘門(mén)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(mén)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(duì)比如圖5。

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

通過(guò)微調(diào)閘門(mén)單側(cè)油缸幾毫米除振，過(guò)閘流量偏差未超過(guò)0.1%，閘下流態(tài)及作用在閘門(mén)上的水流荷載均沒(méi)有變化。但是閘門(mén)微調(diào)后的異常振動(dòng)卻消失，閘門(mén)局部構(gòu)件的振動(dòng)加速度也明顯減??；驗(yàn)證了閘門(mén)產(chǎn)生異常振動(dòng)應(yīng)該是門(mén)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(mén)體結(jié)構(gòu)的約束條件恢復(fù)至正常狀態(tài)時(shí)，閘門(mén)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(mén)發(fā)生振動(dòng)的可能性并不比高壩弧形閘門(mén)低。

（2）依托實(shí)際工程閘門(mén)振動(dòng)進(jìn)行了原型觀測(cè)，通過(guò)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(duì)閘門(mén)振動(dòng)安全進(jìn)行了評(píng)估。

（3）對(duì)閘門(mén)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(chǎng)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(mén)一側(cè)油缸行程幾毫米是有效的應(yīng)急除振手段，為類(lèi)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(mén)由于常年運(yùn)行，需進(jìn)行定期檢查，尤其是對(duì)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(mén)變形及鉸支座、啟閉機(jī)糾偏，預(yù)防閘門(mén)異常振動(dòng)問(wèn)題。