調水工程弧形閘門振動測試分析及除振措施

朱俊杰，劉圣凡，董玉增，楊康華

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

0 引言

弧形閘門作為常用閘門形式廣泛應用于水利工程中，具有啟閉省力、運轉可靠、泄流條件好并能滿足各種類型泄水孔道需要的優點。在我國已經建成的鋼閘門中，弧形閘門數量占很大的比例［1］。在高壩泄洪運行過程中閘門常出現異常振動問題，產生異常振動常由于以下幾種原因［2-4］：因閘前水頭高，過閘水流流速大，水流沖擊導致閘門強迫振動；閘前漩渦等不良流態導致閘門振動；在閘門開啟或關閉過程中會在閘后出現明滿流交替的惡劣水流現象，水流劇烈翻滾引起閘門強烈振動；閘門止水漏水在縫隙高速射流誘因下導致閘門自激振動。

調水工程中的弧形閘門相較于高壩閘門過流量小、水頭底，但是因設計或運行條件等限制也存在閘門振動問題且振動原因較復雜。與高壩弧形閘門相比調水工程弧形閘門振動原因如下［5-9］：①節省材料及滿足規范需要，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調水工程閘門一般在淹沒流中控泄運行，淹沒流是引起閘門振動的重要因素。③由于閘門體型較小，輕微地基沉陷導致的閘門變形錯位或油缸錯位不同步都可能成為誘發閘門振動的因素。④閘門常年運行且部分門體始終在水下運行，閘門止水及止水座板的縫隙較難發現，也成為了誘發閘門振動的因素。通過調水工程弧形閘門的振動原因分析發現，產生閘門振動的可能性并不比高壩弧形閘門低。因此，在調水工程越來越受到重視的今天，對調水工程中弧形閘門的特性認識及除振措施探索很有必要。

針對閘門振動的研究主要分原型觀測、模型試驗及數值模擬三類。原型觀測通過在現場閘門上布置傳感器進行應力、加速度、位移等參數的觀測及分析評價。隨著硬件、軟件設備的升級，近年來在線監測閘門振動開始應用［10，11］，做到了長時域觀測數據的分析，更有利于對振動進行評價。三維攝影測量技術也開始應用于閘門流激振動觀測，創新了弧形閘門位移變形觀測技術手段［12］。模型試驗重點在材料相似性上，20世紀80年代國際上采用變態水彈性模型研究流激振動；在21世紀初，吳杰芳等人研制出了全水彈性材料并應用到三峽等重大工程的閘門流激振動研究中，取得了良好效果［13，14］。但是模型試驗中對止水的模擬還不能與原型一致，需進一步研究。目前用數值模擬方法求解閘門流激振動中的流固耦合問題已普遍應用，但現有計算方法中建立模型經歷了一系列的簡化，計算假設與邊界條件設定偏差使計算結果與實際情況不相符［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研究最直接、最有效的手段。

本文以某渡槽節制閘出現的閘門振動為例，通過原型觀測數據采集、分析，提出解決措施、驗證解決措施效果。進一步加深對調水工程弧形閘門振動特性的認識，同時提出的解決措施可為同類型閘門提供除振思路。

1 原型觀測實例

1.1 觀測內容

某渡槽總干渠設計流量340 m3/s，加大流量410 m3/s。由退水閘段、進口變段、進口節制閘、進口連接段、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，最大過水斷面面積86.06 m2，設計水深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，兩槽間內部間距5 m。節制閘閘室長26 m，節制閘共2 孔，順水流向布置2 套弧形工作閘門，節制閘孔口尺寸13 m×7.742 m，門頁為主橫梁斜支臂結構，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 閘門現場運行圖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行工況下，發生了單側閘門或兩閘門不同程度的異常振動現象。現場不得不進行非對稱運行或重復調整閘門，但仍不能完全解決閘門異常振動現象。選取1 號閘門進行振動響應觀測，主要觀測的內容包括：振動應力、振動加速度、振動位移。

1.2 觀測方法

采用在現場閘門上布置傳感器進行數據采集的方法。根據水工弧形閘門振動特點并借鑒以往類似工程測點布置經驗，測點主要布置在結構受力和變形較大的區域。布置振動加速度儀器14支、應變片16片，同時布置脈動壓力傳感器2支，觀測儀器具體測點布置如圖3所示。

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

1.3 評價依據

弧形閘門流激振動是一個復雜的流固耦合問題，閘門振動特性測量出來后，如何判斷結構的危害程度，即關于閘門振動的安全性評價問題，目前還沒有統一的標準［15］。參照前人研究經驗采用多種參數綜合分析的評判方法，保證評價結果安全可靠。

（1）振動位移。《水利水電工程鋼閘門設計規范（SL74-2019）》［16］引入美國陸軍工程師兵團在阿肯色河弧形閘門振動測試中的評判方法，以平均振動位移來劃分閘門振動的危害程度，如表1。

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

（2）振動位移（振幅）與頻率關系［17］。德國工程師K.Petrikat認為振動的危害程度取決于振幅和頻率的綜合效應，給出安全臨界振幅A和其頻率f的函數表達式為：

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

（3）閘門振動應力。我國《水利水電工程鋼閘門設計規范（SL74-2019）》［16］建議，對于經常局部開啟的工作閘門，設計時應考慮動力荷載，其動力荷載設計的動力系數上限一般不超過1.2。另外，金屬構件的局部振動應力也要求不大于材料允許應力的20%。因此，可以認為鋼閘門的動應力應小于材料允許應力的20%，鋼材的允許應力通常在160 MPa左右，則其動應力應小于32 MPa。

1.4 觀測工況

進行了現場閘門啟閉觀測，兩個工作閘門協調運行確保渡槽流量不變，1號閘門由6 m開度按照1 m一調節關至1 m開度，出于渡槽安全運行考慮，最低調整至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 調整至2.2 m，再按照1 m一調節開至4.2 m。

1.5 觀測成果分析

閘門試驗過程中，在由0.75 m 開至1 m 穩態運行后閘門產生異常振動，其余工況未發現異常振動，將各組工況觀測數據進行振動應力、振動加速度、振動位移綜合分析。

（1）振動應力。閘門下行至1 m 開度穩態運行工況（正常）和閘門上行至1 m開度穩態運行工況（異常振動）振動應力特征值的對比分析表明，閘門有異常振動時的振動應力較正常運行有所提升。但是閘門在穩態運行條件下無論有無異常振動，閘門各主要構件的振動應力均在5 MPa 以內，遠小于32 MPa 的動應力允許值。

（2）振動加速度。在閘門不同開度穩態運行無異常振動時，測點振動加速度最大值約0.2 m/s2；在閘門上行至1 m 開度穩態運行出現異常振動時，測點振動加速度最大值約0.5 m/s2。無論閘門是否出現異常振動，各測點的加速度均方根值均未超過1 m/s2。

（3）振動位移。通過振動加速度數據積分求得測點振動位移，穩態運行閘門有無異常振動工況下，各測點的振動位移值：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位移安全允許值。

（4）振動位移（振幅）和頻率關系。在閘門各運行工況下，各測點的振幅和對應的振動主頻率均滿足lgA＜3.14-1.16 lgf的安全評判標準。

通過對閘門振動應力、振動加速度、振動位移、振動位移（振幅）與其振動頻率關系式等的綜合評判，某渡槽節制閘閘門在現有運行狀況下是安全的。

2 振動成因分析及除振措施

雖然在閘門穩態運行出現異常振動時整體振動量級較小，但長期異常振動會給現場工作人員帶來不舒適感，同時也會給閘門帶來疲勞損傷，縮短閘門正常運行壽命。因此找到閘門振動原因并解決異常振動具有重要意義。

2.1 振動成因分析

（1）水流激振影響。對閘門產生異常振動時的振動加速度及閘后水流脈動進行頻譜分析，具體如圖4。

圖4 閘門產生異常振動時的測點頻譜分析Fig.4 Frequency spectrum analysis of measuring points when the gate is abnormal

閘門產生異常振動后，各加速度測點優勢頻率基本在20 Hz以上，而閘后水流脈動壓力主頻率在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閘門異常振動的直接原因。

（2）止水、止水座板變形影響。從外觀上，閘門在局部開啟運行時兩閘門均存在一定程度的止水漏水現象，雖然水頭不高，但止水漏水是閘門振動的誘因之一。同時止水變形加之止水座板不平使門頁兩側的約束減弱，也成為閘門振動的誘因。

綜合分析水流激振不是誘發閘門振動的直接原因。但由于閘門止水、止水座板變形，閘門在不同開度時門頁兩側約束條件變化很大，加之來流量增大，水流激勵增強可能就會引起閘門振動。

2.2 除振措施及驗證

由于工程運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。由于現場閘門兩側油缸運行時本身存在幾毫米行程偏差，建議通過微調閘門單側油缸行程幾毫米改變止水與止水座板間隙，以使閘門恢復至正常運行狀態。經過現場工作人員嘗試，微調閘門單側油缸行程幾毫米有效且操作簡便，通過觀測數據對比振動明顯減小。如：在閘門右側油缸行程由3 807 mm 微調至3 800 mm 后閘門異常振動消失。閘門上主梁左側加速度均方根值由0.075 m/s2減小至0.032 m/s2，減小134%。閘門下主梁右側加速度均方根值由0.202 m/s2減小至0.028 m/s2，減小621%，微調前后加速度數據對比如圖5。

圖5 閘門微調前后主梁振動對比Fig.5 Comparison of main beam vibration before and after gate trimming

通過微調閘門單側油缸幾毫米除振，過閘流量偏差未超過0.1%，閘下流態及作用在閘門上的水流荷載均沒有變化。但是閘門微調后的異常振動卻消失，閘門局部構件的振動加速度也明顯減小；驗證了閘門產生異常振動應該是門體局部結構的約束條件發生了變化、在水動力荷載作用下引發的；當門體結構的約束條件恢復至正常狀態時，閘門異常振動就會消失。

3 結論

（1）從結構設計到運行條件綜合分析，調水工程弧形閘門發生振動的可能性并不比高壩弧形閘門低。

（2）依托實際工程閘門振動進行了原型觀測，通過振動應力、振動位移、振動位移（振幅）和頻率關系、振動加速度多參數對閘門振動安全進行了評估。

（3）對閘門振動產生的原因從水流激振、自身約束方面進行了分析，結合分析提出了相應除振措施并在現場進行了除振措施驗證。驗證了運行工況下微調閘門一側油缸行程幾毫米是有效的應急除振手段，為類似工程應急除振提供了方法及數據支撐。

（4）調水工程弧形閘門由于常年運行，需進行定期檢查，尤其是對止水及止水座板的平整度要及時檢查，同時要定期檢查閘門變形及鉸支座、啟閉機糾偏，預防閘門異常振動問題。