大跨度特型闸门流激振动及控振措施研究

严 根 华

(1.水利部 交通运输部 国家能源局 南京水利科学研究院，江苏 南京 210029； 2.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室， 江苏 南京 210029)

大跨度特型闸门是我国水利工程界开始逐步采用的新型、特种门型，不断诞生出现的新型闸门包括上翻式护镜门(或上翻式拱形门)、平面有轨弧形双开门、拱形桁架式平面闸门、底轴驱动式翻板门、立轴旋转式钢闸门、旋转式下卧门等，这些闸门广泛应用于城市河道的水环境整治，沿海挡潮闸以及内河航道挡洪等功能建设，取得了重大环境效益、社会效益和经济效益。鉴于大跨度特型闸门跨度大、结构刚度小、基频低，在动水作用下容易导致闸门结构强烈振动，甚至出现共振破坏。因此通过闸门振动模型试验、理论分析、数值计算以及工程建成后的运行观测等方法对大跨度特型闸门进行结构振动专项研究，揭示振动机理，发现存在问题，提出振动控制措施，从而确保工程安全。

1 大跨度特型闸门应用和发展现状

近年来，我国城市水环境水生态建设有了长足进展，尤其是大跨度特型闸门工程不断涌现，闸门结构形式新颖，跨度不断加大；功能也由单一防洪，开始向生态环境提升转化。迄今为止，单孔跨度大于40 m的大跨度特型闸门已经建成的水闸已超过10座以上。不断诞生的新门型大大提高了我国城市水利工程建设的能力和水平：

(1) 上翻式护镜门。该型闸门的成功案例为南京三汊河河口水闸，单孔净宽40 m，门高7.00 m，内河水位在5.15 m～6.65 m范围内可以按需调节，闸门主体采用半径为22.00 m的半圆形三铰拱结构。闸门在全关状态时挡水，或通过设置在闸门上的6扇活动小门升降以调节水位门顶过流的水位和流量(见图1、图2)。该水利工程的成功建成可有效控制秦淮河水位，确保了城市水环境功能，大大提升了南京城区的生态环境和人文居住环境，取得良好的社会和经济效益。

图1 闸门全关挡水状态

图2小门开启调节水位溢流状态

(2) 平面有轨弧形双开门。平面有轨弧形双开门已有跨度50 m～90 m宽度不等的工程建成，并投入运行。典型工程为常州钟楼水闸，孔口尺寸90.0 m，门高7.5 m，单扇闸门弧面半径60.0 m，外侧面板弧长58.32 m，支臂采用钢管组成的钢构架体系，支铰采用球关节轴承。图3为水闸效果图，建成后的闸门结构见图4、图5。

图3 水闸效果图

图4 闸门全开位于门库情景

图5闸门关门过程

(3) 大型拱形桁架式闸门结构。大型拱形桁架式闸门结构的典型案例为浙江曹娥江大闸工程，该工程位于浙江绍兴钱塘江支流曹娥江河口。大闸具有防洪、挡潮、治涝、改善水环境条件等多项功能。水闸共设二十八孔，单孔宽度20 m，净宽560 m。工作闸门采用潜孔拱形桁架式平面滑动闸门，孔口尺寸20.0 m×5.0 m(见图6、图7)。是迄今为止国内第一座采用拱形桁架式平面闸门结构布置的水闸工程。

(4) 底轴驱动式翻板门。底轴驱动式翻板门目前已在国内得到较为广泛的应用，其典型代表是上海苏州河口水闸工程。该水闸采用单门设计，闸门宽度102 m，可双向挡水，是我国跨度最大的底轴驱动式挡潮蓄水结构(见图8和图9)。水闸承担最大外江高潮位、内河低水位的反向挡潮以及外江最低潮位、内河正常水位时挡水工况的运行操作，以确保苏州河正常的水景观和水环境水位。但该工程的泥沙淤积严重，对运行管理带来较大不利影响。

图6 曹娥江大闸下游实景

图7 曹娥江大闸闸门结构实景

图8 闸门直立全关挡潮或挡水状态

图9闸门全开卧倒情景

此外，安徽黄山市湖边水利枢纽采用5孔、每孔宽度40 m的底轴驱动式翻板闸门(钢板闸)(见图10、图11)。 但工程初期运行时出现闸门振动和底板消力池上翘失事事故，以及部分开度发生强烈振动问题，这需要引起工程设计部门的高度重视。

(5) 立柱旋转式闸门。立柱旋转式闸门是一种可以满足双向挡水的工程结构。其典型代表是安徽省合肥市塘西河水闸。控制闸特性数据：一孔净宽30 m，底槛高程4.4 m，门槛高程5.0 m，门顶高程14.0 m，一孔工作闸门采用立柱式双向旋转钢闸门，旋转闸门直径50 m，支臂采用行架式结构；在大门的上下游各设置12孔小门，且在上游面设置了宣泄微小流量的溢流堰。水闸共分上下二层。上层为旋转平台，可用于观光、旋转餐厅，具有生态、景观和水位调节等功能(见图12、图13)。实现了水利工程人与自然和谐共处的现代应用目标。

图10 闸门直立门顶溢流状态

图11 钢坝闸工程现场

图12 水闸效果图

图13室内桁架结构

(6) 下卧式旋转弧形闸门。下卧式旋转弧形闸门最早应用于英国泰晤士河上游流域，主要用于挡潮。该型闸门全开状态为全卧，其优点是除闸墩外露外河面通透，无遮挡，适合于通航比较频繁的河道。但该型闸门对泥沙淤积也比较敏感，尤其是强感潮河段容易淤积，因此比较适合于泥沙较少的河道上建闸。

2 闸门结构的流激振动特征

大跨度特型闸门一般具有跨度大、水头低、结构整体刚度小的特点，闸门结构在某些运行工况下常常会产生结构的强烈振动，有的甚至出现结构共振现象，威胁水闸工程安全。已有工程的研究成果指出，不同类型的闸门结构具有各异的水动力荷载形式，其诱发的结构强烈振动也表现出不同的振型和性质。认识各型闸门的流激振动特点，对闸门结构的抗振优化设计具有重要意义。

2.1 上翻式护镜门的流激振动特点

某工程上翻式护镜门(或称作上翻式拱形门)为月牙形孔口出流，排水和引水时流态不同，沿门宽方向的动水荷载具有非均匀特征，尤其是闸孔中部和闸门边部差异较大，具有明显的三维空间特征。图14(b)绘出了正常运行工况和闸门结构出现共振状态下的水流脉动压力波形曲线，显然闸门结构出现大幅度共振现象时其脉动压力波幅大幅度增加，脉动压力的主频率接近或与闸门结构的一阶基频(或二阶低频相重合)。由此导致的闸门结构强烈振动表现出与水动力荷载类似的共振特点，图14(c)为相应工况下闸门结构的振动响应时域过程。

原布置方案闸门水弹性模型在共振状态下被破坏，模型实测最大振幅达到50 cm～100 cm。这种振动现象对工程安全构成严重威胁，必须采取有效措施予以解决。

2.2 平面有轨弧形双开门

平面有轨弧形双开门是一种比较适合于通航频繁、河面通透、无障碍门型。平时闸门位于河道两侧的门库，该型闸门实现了真正意义上的河道无障碍、视觉全通透的效果。但闸门关闭过程中其流场始终处于缺口溢流状态，闸门结构在动水作用下产生强烈振动主要表现出整体扭转振动振型。

常州钟楼水闸在京杭运河上采用双开门结构布置。模型试验显示，闸门运行过程中出现的强烈振动与闸门头部体型和门体箱体液位密切相关，部分典型水位时门体箱内液位与强振状态具有如下规律：(1)上游水位5.98 m、下游水位4.7 m时，闸门出现强烈振动情况的门内液位高度大致在3.56 m～3.60 m状态；(2)H上=5.98 m、H下=4.3 m时门内水位大致在3.22 m～3.24 m左右；(3)H上=5.38 m、H下=3.7 m时，闸门出现强烈振动情况的门内水位大致在2.38 m～2.44 m状态；(4)H上=5.38 m、H下=4.3 m时门内水位大致在2.88 m～2.96 m左右。图15～图17绘出了闸门结构出现强烈震动的时域过程和功率谱密度曲线。出现强烈振动的后果是导致闸门底轨冲击而破坏，闸门结构的强烈振动的形式表现为结构系统的整体扭转共振，这是必须严格控制和避免的。

图14排水发生共振工况典型测点脉动振动时域过程

图15 典型闸门振动加速度时域过程图

图16 闸门发生强烈振动时振动功率谱密度

图17闸门发生强烈振动时闸门振动加速度时频分析

2.3 拱形桁架式结构的流激振动特征

该型闸门适合于闸门受到双向水流动力作用的情况，尤其适合于涌潮等冲击荷载作用的恶劣环境。曹娥江大闸采用该类门型，具有正向挡水泄流、反向挡潮的特点。闸门流激振动试验成果指出，闸门结构在钱塘江涌潮冲击产生较大振动响应，这是由于涌潮对胸墙和闸门结构产生冲击作用的缘故。当钱塘江水位0.7 m、涌潮最大高度6.04 m时，涌潮最大速度达到6.25 m/s时，实测胸墙的涌潮冲击压力最大值约127.76 kPa，闸门冲击压力最大值为82.24 kPa，这比一般水动力荷载要大得多，这为工程结构的动力设计给出了动荷载取值依据。

涌潮冲击荷载随钱塘江水位升高和流速增加表现出增长趋势，闸门振动量也随之增加。而且斜向冲击的涌潮荷载比水平冲击为大。比如，当闸门受到的潮高3.5 m和潮速6.4 m/s的涌潮打击时，闸门顺流向、垂向及横向三个方向的最大振动量分别达到11.62 m/s2、8.52 m/s2及5.97 m/s2。若涌潮高度和速度进一步加大至3.75 m和7.86 m/s时，闸门顺流向振动量增加至13.89 m/s2。涌潮冲击时作用于闸室底板的动水压力、闸门结构振动加速度以及振动位移过程线见图18～图20，反映了涌潮对闸门结构的冲击振动特征。

2.4 大型底轴驱动式翻板门的流激振动特征

该型闸门流激振动具有如下特征：

(1) 若门顶溢流时水舌掺气不畅引发闸门的强烈振动。

(2) 闸室底板布置不当导致水动力荷载作用下的动力失稳(见图21)。此外还存在泥沙淤积问题。

图18 涌潮高度5.0 m潮头流速6.08 m/s情况下

图19 典型涌潮荷载作用下闸门振动加速度时域过程

图20 涌潮高度5.0 m、潮头流速6.08 m/s情况下

图21闸室底板消力池失稳

2.5 大型立柱式旋转闸门的流激振动特征

该型闸门在调节小门开启泄流时，闸室内水流较乱，紊动性较大(见图22)。模型试验中曾出现立柱动力失稳断裂的现象。这是在工程设计初期立柱结构仅考虑静水荷载没有考虑动水脉动荷载作用的缘故。此外模型试验还获得了小门全关、开启大门泄流比小门全开、开启大门所引起的闸门结构振动量要大得多的重要规律，典型振动特征见图23。

3 闸门结构的振动控制研究

闸门结构的振动控制是水闸工程的重要安全目标之一。根据工程重要性和建设规模，一般重要工程均需通过闸门水力学和水弹性振动模型试验进行科学试验和论证，寻找存在问题，提出抗振优化措施。

图22 柱式旋转闸门闸室流态

图23立柱式旋转闸门振动特征图

3.1 闸门水弹性振动试验基本理论与方法

大跨度特型闸门一般结构布置区别于常规设计，出流方式也有所不同，由此产生的水动力荷载特征也各不相同，诱发的闸门振动类型也各异。因此必须在遵循水弹性振动相似率基础上进行闸门结构的水弹性模型的专项设计和制作，使之符合模型对原型闸门的振动预测要求。

动水作用下闸门结构的振动满足如下运动方程：

{F}={F1}+{F2}

(1)

鉴于闸门流激振动模型试验通常在水介质中进行，闸门水弹性模型的制作需要同时满足以下参数的相似性要求：几何尺寸、质量密度、阻尼、弹性模量、水流动力等参数。根据相似原理可获得如下参数的相似比尺：几何尺寸：Lr，应工程流体和模型流体均为水，则流固两相的质量密度比尺：ρr=1，由此推得材料弹模：Er=Lr，泊松比：μr=1，阻尼：Cr=Lr2.5或阻尼系数ξr=1。根据相似比尺要求，无法从市场上配置相关模型的型材，必须专门研制。该特种模型材料通过重金属粉、高分子材料等进行专门配置，并进行力学性能测试，通过反复调整最终得到实现模型相似率要求的特种水弹性振动材料，并精密制作闸门水弹性振动试验模型，该模型可实现对未来闸门运行时流激振动响应特性的正确预报。

3.2 闸门结构振动特性的数值模拟

闸门结构振动的数值模拟是结构流激振动研究的一种辅助手段，可以对振动模型试验成果起到完善补充的作用。振动特性数值模拟分析包括结构固有特性分析和流激振动响应两个组成部分，其中结构的动力特性包含固有频率、振型等参数，是结构动力分析的基础数据，流固耦合对结构动力特性的的影响是不可忽视的重要内容，对水体对闸门的影响进行研究，以掌握其动力性态，为结构共振分析提供依据。

3.2.1 闸门结构的流固耦合自振特性分析

实际工程运行时，闸门结构始终处于动水作用之中，其动力性态受到较大改变，直接影响结构的固有频率和振型等自振特性参数，这种流固耦合自振特性可用下式计算：

(2)

式中：[Mp]=[S][D][T]为流体附加质量矩阵。计算分析时可简化为如下特征值问题：

[K]{Φi}=λi[Mp]{Φi}

(3)

对上式进行分析计算可获的结构自振频率及相应阶次的振型。

3.2.2 闸门结构的动力响应特性分析

闸门运行过程中的振动形态、性质与水动力荷载作用型式密切相关，主要受控于水流作用荷载在频域的分布特征和量级。作用力一般有水流脉动压力荷载、水汽两相冲击性荷载、空化空蚀冲击荷载、水封漏水产生的自激振动荷载以及涌潮冲击荷载等等。在通过模型试验完整取得水动力荷载和结构振动模态参数后，可通过数值模拟分析考查结构的振动响应。

结构振动响应与外动力作用荷载的关系可用下式表示：

(4)

经推导运算可得闸门结构上任意一点k的位移响应随时间的变化过程：

(5)

式中：q为模态阶次，n为结构自由度数，则相应点的振动位移自相关函数Ruk为：

(6)

相应的位移谱密度在对上式进行付氏变换后获得：

(7)

(8)

3.3 闸门结构的抗振优化方法

鉴于闸门结构振动响应受控于水动力荷载作用特征以及结构的固有特性，调整泄水道体型、改善闸门结构的过流边界、控制水动力荷载量级是抑制产生强烈闸门振动的主动措施，但在水动力荷载特性无法改变时,对闸门结构的动力特性进行调整和优化，使之避开水流脉动压力的高能区，也能起到重要的控振或减振作用。

工程运行实践表明，闸门结构发生强烈振动的根本原因与泄水运行时作用于门体的水动力荷载与结构固有特性紧密相关。因此有效控制闸门振动的措施应当围绕降低水流作用荷载和调整结构动力特征参数两个方面进行。若工程布置无法改变流道体型和作用于闸门的水动力状况，则调整结构模态动力参数成为重要选择因素。

闸门结构振动模态参数包括固有频率、结构振型、阻尼及其刚度质量等。这些参数由系统传递函数(式(9))确定，并由式(8)分析计算水动力荷载作用下的动力响应。

(9)

对于弧形闸门而言，动态优化的方向是要有效避免结构共振以及支臂的动力失稳。可以采取的措施包括调整结构的动力特性，减小振动量，避免结构应疲劳损伤而破坏；增强支臂抗弯刚度，避免支臂动力失稳；选择合理的止水体型、提高材料性能，确保安装精度，严防止水发生有害自激振动等。采用灵敏度分析技术可以改变结构修改的盲目性，正确获得结构动态薄弱环节，明确修改方向。模态参数灵敏度可以给出结构参数改变对振动模态参数的影响程度，参数间的影响关系由下式表示：

(10)

(11)

由此可对原结构进行动态修改，调整后的结构运动方程如下：

(12)

式中：M、C、K为原结构质量、阻尼、刚度矩阵；ΔM,ΔC,ΔK为质量、阻尼及刚度的修改量。对式(12)作坐标和傅氏变换并进行系列运算可得：

(13)

其中

(14)

式中:W为结构系统的特征向量；A、B、D为修改调整后结构的振动模态参数。

3.4 结构控振措施及其效果

闸门结构的流激振动强度取决于水动力荷载作用量级和频域的能量分布以及闸门结构的动力特性，以及两者的耦合作用。因此，闸门结构的振动控制首先需要从水动力荷载振源作为主要控制手段进行源头上的体型调整，以削弱强烈振动荷载的量级，其次对闸门结构的动力特性进行针对性优化，使之避免产生结构共振。

3.4.1 泄水道和闸门结构体型的修改优化

某工程水闸采用上翻式拱形闸门，结构在部分运行工况下出现强烈共振现象，最大振幅达到50 cm以上，严重威胁工程运行安全。模型试验发现原设计闸门底缘虽然满足规范倾角要求，但底缘下方出现不稳定贴附的低频大尺度漩涡，是造成闸门产生强烈震动的基本振源。鉴此，对闸门结构的底缘体型进行系列优化调整(见图24(a))，最终取得优化推荐方案(见图24(b))。该布置方案在任何运行工况下均未发现闸门出现强烈振动现象；说明闸门的体型修改对不同上下游水位和运行开度具有良好的适应性，有效消除了闸门的共振源。

3.4.2 大跨度底轴驱动旋转式翻板门的流激振动控制措施

工程运行经验和模型试验结果表明，底轴驱动旋转式卧倒门的水动力荷载主要源于门后负压空腔的不稳定动力作用和下泄水流的波动荷载，而在闸门溢流工况下，当门顶破水器不能正常工作时，水流由于门后存在密闭空腔，易形成振荡水流，一方面引起闸后流态紊乱，另一方面对闸门产生不利的强烈动力作用。因此修改优化工作主要从破除密闭空腔和掺气的角度出发，使下泄水流下部空腔与大气连通，消除负压，从而使闸下出流稳定，减少水流对闸门的不利动力作用。根据上述修改方向，同时兼顾施工简便、造价、结构等方面的要求，除了在门顶增设破水器外，在侧壁还应当增加通气孔。

图24闸门结构底缘修改布置方案

当门顶高度较高，门顶水头较低的时候，设计合理的门顶破水器能够起到掺气作用。而在闸门下卧、进行局部开度下泄流运行时，门顶溢流水舌厚度增大，导致门顶破水器常常失效，因此需要在闸墩侧墙上沿水舌轨迹线下缘可设置多道通气孔进行接力补气，可起到较好的掺气和稳定水流运动的作用，起到良好的振动控制效果。对于大型工程通气孔的个数、位置和尺寸可通过模型试验确定。

另外，水闸底板设计时需要注意其整体性，结构分缝力求避免门顶溢流水舌轨迹线的水动力荷载直接冲砸，从而导致动水压力进入消力池底板，形成远大于稳定设计的底板上举力，造成消力池底板的动力失稳破坏。

3.4.3 涌潮冲击荷载作用下的闸门流激振动控制措施

鱼式平面桁架式闸门结构具有双向挡水功能，闸门的流激振动作用荷载也具有涌潮冲击和泄水压力脉动特点。闸门结构瞬态响应分析结果指出：在给定的涌潮荷载作用下，冲击作用20 ms时，在闸门拱形桁架结构末端出现最大应力值620 MPa，这是门体应力向拱端传递的结果；桁架拱形管外侧应力明显减小，约为160.0 MPa；门体中断面冲击振动位移最大值为20.37 mm。随着涌潮冲击时间的延长，振动应力和位移逐渐减小，当闸门经受涌潮冲击52 ms时，门体拱形圆管末端最大应力为455.0 MPa,但仍然严重超标；桁架弓形管外侧结点应力194.0 MPa，门体最大位移值22.4 mm。计算结果指出，在设计涌潮冲击荷载作用下，闸门局部区域存在集中应力问题，需要妥善处理，以免因疲劳损伤造成门体结构破坏。

根据闸门结构的上述存在问题，对结构进行如下针对性修改优化，以适应强涌潮冲击荷载的作用。将门体拱形桁架圆管末端联接板厚度由原来的25 mm调整为40 mm，在矩形管xb1和方管xb2的联接处增加加强斜板，增加弓形圆管未端斜肋板、立肋板、底肋板的厚度等。通过这些改善措施，闸门结构内力变化得到很大程度上的优化调整，最大涌潮冲击应力下降至156 MPa，进入容许应力范围之内，优化效果明显。

3.4.4 大跨度平面弧形双开门的流激振动控制措施

鉴于该型水闸体型设计的特殊性，水闸水力学及闸门流激振动试验采用非恒定流控制方法考查闸门开启或关闭条件下的振动情况，开发研制闸门结构几何尺寸、弹性模量、质量密度等参数符合全相似要求的闸门水弹性振动模型，为全面研究闸门结构的振动特性提供了完善的保障条件，并实现较好预报闸门结构流激振动特性的目标。

闸门结构流固耦合振动特性研究指出，在门叶箱体部分利用浮力作用，部分充水和支铰约束条件下，该闸门结构的固有振动频率较低，振动基频仅为0.161 Hz，表现为门叶上下抖动变形；前四阶振动频率均在5 Hz以内，其中二阶振动模态为闸门整体切向转动变形，对应模态频率为0.203 Hz；门叶整体扭转振动变形频率为0.241 Hz，反映三阶模态特征；闸门支臂的弯曲变形振动频率2.6 Hz；其它模态均表现为支臂对称、反对称弯曲变形振动；支臂与门叶箱体组合弯曲振动频率为4.72 Hz。整体上说该型闸门的振动频率偏低，结构抗振问题需要高度重视。

原布置方案闸门整体流激振动振动试验结果显示，水闸门叶箱体的浮力利用对闸门结构的运行平稳性有着显著影响，过小的下压力会导致闸门结构出现强烈振动。随着箱内液位的下降(降低下压力)，闸门将出现强烈振动。当门叶箱体下压力(导轨处)由100 t下降至60 t时闸门由平稳启闭向强烈振动转化。发生强振的形态为闸门整体出现扭转振动，并诱发上下游水面强烈波动，模型振动峰值频率集中在1.1 Hz～1.5 Hz范围内(原型值约为0.246 Hz～0.336 Hz)，造成模型底部导轨振毁、门体断裂现象。若处理不好，这种闸门结构的强烈振动现象必将对闸门结构、轨道系统等造成严重破坏，这是闸门结构动力安全设计需要解决的关键技术问题。

根据该型闸门的存在问题，在闸门水弹性振动模型上对原布置闸门结构的水流流态、水流脉动压力荷载特性、流激振动特性、门体液位与闸门强烈振动的关系等进行深入研究和分析，对支臂结构、闸门端部底缘布置体型等部位进行了调整修改，以优化水动力作用条件，改善闸门结构动力特性。试验结果指出，调整后的支臂振动基频为3.35 Hz，表现为弯曲振动变形，比闸门原设计方案的支臂基频提高28%，对减小结构振动量有利。此外调整优化后的闸门结构振动量较有明显下降趋势，约为原方案振动量的38%～63%；闸门端部的振动量值较原方案显著减小；出现强烈振动的门体箱内液也比原设计方案要低，说明推荐修改方案水动力、结构振动特性以及抗振性能等均比原方案优越，抗振优化效果明显。

3.4.5 大型立柱式旋转闸门的流激振动控制措施

立柱式旋转闸门的流动形态具有如下特征：上、下游小门全关，大闸门局部开启泄流时，水流经上游孔口进入，围绕闸门圆弧方向呈月牙状向下游孔口宣泄，闸室后半部横向流速较大，水流波动旋转态势增强。上游小门全开、下游小门局部开启，随着闸门开度的减小流量相应减小，闸室水位抬升，闸下落差增大，闸室水流平稳，闸门支臂及支铰承受的冲击力减弱；随着闸门开度的增大下泄流量增加，闸室水位降低，上游落差增大，闸室水流冲击增强，流态紊乱；特别是下游小门全开，上游小门局部开启运行时，闸室内水深减小，流速增大，水流冲击闸门支臂及立柱及支铰现象突出，对闸门安全运行不利。模型试验过程中曾经出现过立柱断裂现象。因此，对于该类立柱式旋转闸门的动力安全需要高度重视作用于立柱结构的水动力荷载，这不是一般设计规范的动力系数可以确定的，部分动荷载具有冲击荷载特征。

模型试验成果指出，对实测脉动压力的均方根值，再考虑三倍均方根值计算获得的最大值(即按均方根值计算3σ总荷载)作为立柱动力作用荷载的设计荷载，对确保立柱结构动力安全的是必要的，原型观测结果证明也是安全可靠的。另外制定合理的运行操作规程也可较好控制最大水动力荷载的作用能量，比如大门开启前首先开启小门；大门关闭、小门开启时可考虑上游小门全开、下游部分开启等方式均对减小水动力荷载作用，控制闸门振动量具有较好效果。

4 结 语

近年来我国大跨度特型闸门的开发和应用速度迅猛，但也存在各种各样的问题，特别是由于闸门跨度大，结构刚度和流激振动问题比较突出，需要认真对待。通过若干典型水闸工程的系统水弹性振动模型试验研究，取得如下结论：

(1) 为确保闸门结构不产生强振破坏，首先需要解决闸门结构的水动力荷载的控制，因为导致产生闸门强烈振动的基本诱因是作用于闸门结构的不利水动力荷载，而闸门结构的体型布置不当是引起特殊水动力作用荷载的重要原因。

(2) 闸门结构的强烈振动与结构动力特性密切相关。通过优化闸门结构的动力特性，避免闸门结构出现共振状态，有效控制振幅，避免结构出现大幅度共振现象，是重要控振手段之一。

(3) 妥善解决结构应力集中问题。由于闸门结构是水利水电工程泄流量调节的主要“动部件”，而大跨度特型闸门的结构强度和刚度相对较弱，且经常遭遇特殊动力荷载的作用，许多情况需要在局部开启条件下运行，结构重要受力部位的应力集中和超标会加速结构的疲劳损伤和破坏，需要通过结构的优化设计进行妥善处理。

(4) 在做好闸门结构的动力安全问题外，还需考虑水工结构的稳定和安全，包括与闸门布置有关的闸室消力池结构的稳定。

(5) 对于建于强感潮河段的挡潮闸工程，除还应认真对待挡潮闸泥沙淤积问题，不仅需要搞清泥沙输送规律，更需采取针对性的闸门防淤积措施，避免闸门由于闸区泥沙的过度淤积导致闸门无法有效启闭操作，确保闸门结构的运行安全。

鉴于不同门型所诱发的水动力荷载方式不同，闸门结构的动力特性有其各自的特殊性，最终引发的闸门强烈振动有其特定“个性”，因此需要针对具体工程结构体型设计和运行方式，开展系统的闸门水力学及流激振动与动态优化设计研究工作，并在此基础上，进行研究总结，积累经验，为今后类似大跨度闸门的动力安全设计及水闸工程的建设提供技术支撑。