超大型浮箱门选型设计及流激振动模型试验研究

徐 强，李月伟

(1.中铁水利水电规划设计集团有限公司，江西 南昌 330029；2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010)

赣江尾闾综合整治工程主支枢纽大孔泄水闸孔宽75m，设计挡水头9.5m，孔宽×水头值为国内水闸前列，属超大型闸门。闸门的型式是关系水利水电工程长久发挥社会效益的关键，本文以主支枢纽大孔泄水闸为例对超大孔口闸门型式比选和浮箱门技术进行分析研究。

1 工程概况

赣江下游尾闾综合整治工程主支枢纽距南昌市约35km，由泄水闸、船闸、鱼道和连接挡水建筑物组成。为了维护江湖的生态环境，满足主汛期通航要求，设置大孔泄水闸2孔，孔口宽度75m。大孔闸两侧设常规孔泄水闸，一区设8孔，三区设7孔，孔口宽度30m，泄水闸段总长752.8m。大孔泄水闸在汛期除泄洪要求外还作为汛期辅助通航闸，按二级航道要求确定孔口净宽为75m。底板高程6.0m，挡水位按控制水位15.50m。根据工程“调枯不控洪”调度特点，为了实现生态保护的工程任务，大孔闸的布置既要满足工程运行调度的要求，同时考虑汛期过鱼生态通道要求，以及在可能的情况下，尽量满足景观协调要求等，确定大孔闸的布置及运行要求。

2 大孔闸工作闸门选型

本工程大孔闸不仅孔口超宽，闸门结构尺寸超大，同时运行工况复杂，需要动水启闭且调节流量。为合理选择闸门形式，对国内已建成大孔闸门型进行了调研，结合本工程孔口宽75m以及设计挡水水头9.5m的主要特点，分析国内水利工程单孔宽60m及以上的闸门型式及布置见表1。

表1 国内单孔净宽60m及以上门型特性表

底轴驱动翻板闸门按本工程的特性参数计算，静水压力荷载达37762.5kN，据此所需底轴扭矩管直径非常大(D≥3400mm)，底轴及启闭机型号尺寸已经超出现有类似工程规模，制安难度大，且底部扭矩横轴钢管布置部位的淤积问题也难以解决，这种门型不适合本工程。

综合本工程大孔闸特性参数及受力情况分析，浮箱式闸门、对开弧形闸门这2种门型对大跨度高水头差的大孔闸是可行的，再加上常规的平面直升闸门方案，结合主支大闸孔的设计条件，进一步研究闸门结构布置及启闭设备机构装置。

2.1 闸门及启闭机布置方案

根据门型特点拟定了以下3种闸门及启闭机方案见表2。

表2 大孔闸闸门及启闭机方案

2.1.1浮箱式闸门

常州新闸工程浮箱门不仅孔口尺寸、挡水水头小，且运行工况和本工程完全不同，故从总图布置到闸门、铰柱、锁定等结构型式都需进行深入研究。浮箱式平面闸门主要由底部浮箱和顶部翻板闸门两部分组成。浮箱外形尺寸为78m×9.7m×10.0m(宽×高×厚)，顶部翻板闸门完全升起后门高1.0m。闸门汛期置于闸墩前端门库内锁定，调控期需要关闭时利用绞车钢丝绳牵引至闸孔就位，然后利用充水设施向水舱内充水，使之下沉到位后将顶部平板闸门升起挡水。

浮箱门一端设转动中枢，转动中枢由固定在门体上的固定环与埋件上的定位柱构成。顶部翻板闸门由双吊点液压启闭机操作。在调控期，可根据来水量分跨调度翻板闸门以调节泄量。

浮箱门在两侧闸墩各设一台绞车，一拉一放。闸门在启闭时，闸门浮箱排水而悬浮于水中，再通过布置在两侧岸边的绞车拉动闸门绕中枢轴转动。在全开(关)位浮箱充水闸门下沉。闸门与启闭机总体布置示意如图1所示。

图1 浮箱式闸门方案布置图

2.1.2平面直升式闸门方案

本方案为传统的平面直升式钢闸门方案，采用整扇平面闸门作为挡水体结构。闸门的门背梁系支撑体系为管桁双曲拱形结构，主支承采用定轮。

启闭机械为双吊点液压启闭机，安装在启闭排架上，活塞杆端部与闸门吊耳相连接。闸门动水启闭，非调控期闸门门底不仅要高于校核水位20.80m约0.5～2.0m，且要保持二级航道通航的净空要求。平面桁架式钢闸门及启闭机布置如2所示。

图2 平面直升式闸门布置图

2.1.3平面对开弧形闸门方案

平面对开弧形闸门由两扇对开式的弧形挡水门体、两组格构杆式支臂、球铰支承结构组成。闸门单边弧面半径80m，支铰中心高程15.5m，闸门门顶高程16.5m，闸门下部根据尽可能减少运行时门体重量而设置浮箱，以减少启闭力；支臂采用2组钢管组成的格构杆。平面对开弧形闸门闸门及启闭机布置如图3所示。

图3 对开弧形闸门平面布置

在启闭时，闸门浮箱排水而悬浮于水中，再通过布置在两侧岸边的液压马达驱动齿轮装置，使闸门运行至相应的全开(关)位，此时闸门浮箱充水，闸门就位于相应的使用位置。检修时，闸门就位于门库内后，门库进口处的检修闸门关闭，抽干门库内的水后，可对闸门进行维护检修。液压马达驱动齿轮装置应适应闸门上下的浮动和应浮动而产生的前后位移。

2.2 方案比选

从金属结构设备设计制造难度、方案布置景观效果、通航条件、闸门运行维护及检修条件、投资造价经济性等方面对各方案进行针对性的分析研究。

(1)结构可行性

各方案的闸门结构型式较为常规，属于平面钢闸门或弧形闸门范畴，结构制造、安装难度相当，在结构设计与方案实施可行性好。平面对开弧形闸门的支铰结构尺寸大，承受的集中荷载约6800kN，且要适应闸门沉浮要求，制造难度大。

(2)调节水流能力及景观效果

根据本工程枢纽调度要求，调控期需根据上游来水量调节下泄流量，浮箱式闸门+翻板闸门方案可门顶溢流调节，无需频繁开启主体闸门挡水结构，通过顶部翻板闸门控制。浮箱式闸门利用浮力在静水条件下启闭，非调控期闸门移动至闸室门库内，孔口敞开，闸面景观效果良好。

平面直升闸门方案，闸门自重的启闭是制约因素，按目前的启闭方式和总体布置，起升机构很难布置。且汛期闸门全开期间，要满足通航净空要求，需要布置较高的启闭机排架。闸门下游侧即是主要跨江交通桥，闸门锁定时桥上视野很差。

对开弧形闸门需在两岸布置相应的门库，以便闸门的开启存放和维护需要，受制于调度调控要求，大孔闸两侧需布置常规孔泄水闸，缺乏门库布置条件，且布置门库也不利于跨江交通桥设计。

(3)闸门运行、维护及检修难度

各方案工作闸门均在静水条件下操作启闭。浮箱式闸门下部箱体检修不便，拟在工程区域范围内设置检修停靠码头，码头检修区设置活动支撑结构，非调控期利用较低水位区间对下部箱体外表面进行检修与防腐维护。作为大孔闸闸顶生态流量主要控制设备的翻板闸门可以在调控期分跨挡水检修。液压泵站及绞车布置在两侧闸墩顶高程上，检修条件良好。

平面直升闸门运行时全开全关，不具备局部开启的条件，在运行上受到一定的限制。闸门汛期全开在校核洪水位以上且要满足通航条件，对闸门结构及启闭机设备进行检修维护需在闸顶设置临时检修施工平台，施工较为不便，且桁架式结构检修维护工作量较大。

对开弧形闸门运行时亦为全开全关，不具备局部开启的条件。闸门在两岸需设置门库进行检修维护，但本工程无法放空库水的特点是检修不利的主因，门库处于水中淹没状态，即便设置门库也不便检修。闸门结构及启闭机布置方案的技术对比详见表3。

表3 闸门结构及启闭机布置方案技术对比

(4)经济性比较

经济性是方案选择的重要因素，本工程为超大型闸门。投资比较表明，从单孔或单宽角度来看，浮箱式闸门优势较为明显，各门型的经济性比较见表4。

表4 各方案金属结构单宽工程投资估算 单位：万元/m

综合各方案设备的投资造价、制造安装的难易性、检修维护的便利性、设备的美观性等多角度考虑，浮箱式闸门在投资造价，功能适用等方面优点较为突出，为大孔闸工作闸门推荐结构型式。

3 闸门布置及结构设计

大孔闸孔口净宽75.0m，2孔共设置2扇闸门。闸门在非调控期停靠并锁定在闸墙侧门库内，与靠船柱栓锚牢固。调控期需要关闭时，先通过两侧常规泄水闸全开调控闸址水位，在闸上与闸下水位基本齐平后，利用绞车钢丝绳牵引至闸孔就位后下沉挡水。调控期闸门挡水状态上游最高控制水位15.5m，非调控期设计湖洪水位20.80m(P=2%)，设计河洪水位18.95m(P=2%)。浮箱钢闸门主体高度9.7m，上部安装12扇翻板闸门，其挡水高度0.5m，由双吊点液压启闭机操作，工作闸门布置方案布置示意如图4所示，总体三维模型效果如图5所示。

图4 大孔闸浮箱门布置图

图5 总体三维模型效果图

3.1 闸门结构

浮箱门由门体结构、止水装置、支承装置、充排水系统、翻板闸门、配重等组成。门体内设有压载舱、中央水舱、压载水舱及机舱，通过布置在舱体内的泵组对水舱进行充、排水，利用门体浮力与结构自重的差值实现闸门的上浮与下沉。压载舱布置在浮门底层甲板以降低闸门重心，配重块材质为铸铁块。浮门中部从上至下布置有交通楼梯，上、下游两侧还布置有人行通道、系缆桩和靠把等。顶部人行桥墩柱侧墙面兼做翻板闸门门槽，翻板闸门全开卧倒后与浮门上甲板齐平，全关状态挡水时门顶高程16.00m。在调控期，蓄水至15.5m后可根据来水量分跨、分开度开启翻板闸门以调节泄量，亦可门顶溢流形成瀑布景观效果。

闸门埋件由主轨、底坎、中枢轴及系缆柱等装置组成，转动中枢轴材质为40Cr锻钢，采用可移动结构形式，移出后可借助托轮将浮箱式闸门浮运至其他地方进行检修维护。

3.2 启闭设备

浮箱门在调控期开始时关门，调控期结束时启门。每孔大孔闸闸门布置2台容量为1000kN绞车启闭，启门绞车布置在闸室边墩，闭门绞车布置在2孔大孔闸中墩。在闸门启闭过程中，2台绞车同时启动辅助操作，必要时通过临时推轮辅助牵引就位。绞车卷筒容绳长度150.0m，3层缠绕布置。

闸门的沉浮与启闭过程中的稳定至关重要，采用加压载、增加分舱、控制各分舱水位、上下游设置空舱、调整上部荷载位置等方法使闸门始终保持正浮状态。在非调控期，闸门存放于门库中，除靠钢丝绳拉紧外，另设锁定保持稳定。门库侧墙设防冲撞装置。浮箱式闸门设沉浮稳定监测系统，绞车钢丝绳实时监测系统，原型观测系统等。

顶部翻板闸门动水启闭，通过2×63kN液压启闭机操作，启闭机工作行程1.4m。液压启闭机控制系统能实现现地和远方控制，泵站布置在闸墩上的启闭机房内，每孔大孔闸在边墩设置1座泵站，集中为12孔翻板闸门液压启闭机提供液压动力，每扇翻板闸门均可单独启闭控制，也可整体启闭。

3.3 冲淤设计

赣江属于少沙河流，其泥沙主要来源于雨洪对表土的侵蚀。工程位置处在工程完建后随着河道断面增加，泥沙淤积问题不可避免。为减少泥沙淤积影响，保证闸门安全运行，需在闸门转动区域、闸门底坎以及门库底部设置冲淤设备。

水下冲沙防淤的装置安装在闸门的挡水侧，与闸门宽度方向平行的横向主管上设置有阀门，横向主管顺水流方向间隔布置若干支管，各支管的出口端接近并指向闸门的下端处。主管进口端引至挡水水位以上，并与压力水泵连接。阀门泵组包括立式自吸泵、流量计、压力表、止回阀，手电两用蝶阀等。

主管与支管采用不锈钢材质，主管直径约150mm，支管直径约50mm，管道耐压能力大于1.5MPa，满足承受高压空气、水流输送要求。闸门挡水后，定期启动压力设备并开启阀门，压力设备输出的高速水流依次通过主管、横向管及支管定期向闸门底部冲刷，实现闸门底缘处的水下冲砂防淤。

3.4 大孔闸闸门结构计算

3.4.1有限元模型

用有限元计算软件ABAQUS对闸门结构进行计算分析，建立计算模型时将闸门离散为板单元，在空间直角坐标系下对闸门进行计算。浮箱门有限元网格模型如图6所示。

图6 浮箱门门有限元模型

闸门为板梁与桁架结合的空间结构，各部件的应力分布情况较为复杂，应力大小、方向都在变化，一般按第四强度理论验算闸门强度。第四强度理论为：

(1)

式中，σ1、σ2、σ3—计算点的3个主应力；[σ]—允许应力。ABAQUS程序定义Mises应力与第四强度理论直接对应，主要给出各点的Mises应力，方便判断闸门的强度。

3.4.2约束与荷载

闸门挡水时，门槽对闸门滑块形成x方向(水流反方向)约束，底坎约束闸门底部z方向位移。最不利的工况组合为上游侧15.50m(最高控制水位)，下游侧无水。闸门约束与荷载如图7所示。

图7 闸门约束与荷载

3.4.3计算结果

闸门有限元计算结果图如下，闸门Mises应力如图8所示，闸门顺水流方向变形如图9所示。

图8 闸门Mises应力(单位：MPa)

图9 闸门顺水流方向变形(单位：mm)

由结果可知：

(1)闸门应力普遍较小，最大Mises应力发生在闸门底部跨中位置，正应力为169MPa，[σ]=225MPa，强度满足规范要求。

(2)闸门顺水流方向最大变形发生在中部，挠度变形为41.6mm，按跨距的1/750控制考虑，容许挠度变形值为102.7mm，刚度满足规范要求。

4 闸门流激振动模型试验研究

大闸孔浮箱门流激振动模型模型按重力相似准则设计，闸门结构按水弹性相似要求进行制作。采用模型比尺1∶25进行研究，建模范围包括两孔完整的闸孔，两侧闸墩采用有机玻璃制作，其糙率满足相似性要求。

闸门流激振动属于水弹性振动范畴，在动水作用下的运行符合如下动力方程：

(2)

浮箱门模型及门顶溢流试验图详如图10—11所示。

图10 浮箱门模型

图11 浮箱门门顶溢流

浮箱门水弹性振动模型通过不同下泄流量及不同启闭速度，考查测试了浮箱门浮沉过程、门顶溢流、门库锁定以及启闭运行过程中的振动和稳定性特征，系统取得了闸门振动安全性评价数据和资料，主要结果如下：

(1)不同运行工况下闸门支铰力作用具有如下变化规律：①闭门过程的支铰力要大于启门过程的支铰力，门体支铰对立柱的轴向拉压力要大于平面剪切力，垂向作用力最小。②闸门启闭速度对支铰力产生一定影响。在20～90min(模型变频范围10～40Hz)范围内支铰力逐渐增加。③下泄流量对闸门支铰作用力产生影响。下泄流量大，支铰作用力增大，这是水流动力作用增大产生附加振动动能增加的缘故。

(2)浮箱门立柱振动位移同样表现出立柱沿着闸门的轴线方向振动位移最大，顺水流方向次之，垂向最小的变化规律，这符合闸门结构的构造特征，也与浮体门整体无垂向约束情况下的水流激励产生的晃动特性有关。测试结果指出，闸门的启闭速度对门体的刚体晃动量密切相关，启闭速度越小，闸门刚体晃动量也随之减小，反之亦然。这与结构的振动量变化具有类似的变化规律。

(3)闸门全关位、门顶出现溢流工况时，水舌冲击压力量级不大，冲击压力的脉动主能量处于1.5Hz以内的低频区。

(4)浮箱门启闭时间越长闸门运行时的振动量就越小，启闭过程速度越慢，闸门结构的运行就越平稳。从总体上看，当启闭时间大于90min，闸门结构的运行平稳性就可得到保障。

(5)浮箱门位于门库并向门体充水下沉过程中，浮体门的振动加速度均方根值随河道流量的增加而加大，门体振动功率谱密度曲线显示，振动能量主要集中在0.5～2.0Hz范围，个别测点的振动能量在0.5～3.0属于低频振动范畴。此时，不同下泄流量相应振动位移均方根值由0.087mm增加至0.193mm，振动量增加1.2倍。从振动位移绝对量考查，浮体门的振动位移量不大。

(6)浮箱门挡水工况上浮过程闸门结构的振动位移特征值数据显示，浮体门上浮过程中，闸门的振动位移量出现增加趋势。但从总体上看，振动位移均方根值不大。闸门上浮过程是平稳、安全的。

(7)浮箱门处于全开位于门库时，其振动量及刚体晃动量均较闸门启闭过程要小些。但闸门在门库的约束条件相对较弱，仅依靠倾斜柔性的启门钢丝绳固定，因此只要泄洪时出现水流波动，位于门库的浮体门就会出现相应的晃动现象。一旦闸门与水流波动的频率出现共振，就有可能出现强烈振动问题，并有可能出现钢丝绳断裂引发工程事故。因此，当闸门结构位于门库时，应考虑采用类似船闸船舶停靠系缆的方式，可适应河道水位上下波动的浮动式系缆结构进行浮体门的定位固定，以策安全。

5 结论与建议

(1)将超大型平开浮箱门与其他型式的闸门进行了分析比较，根据工程特点进行了技术经济比选，确定该闸门具有景观效果好、投资小、检修维护方便以及制造安装难度不高的优点。

(2)结合工程实例对超大型浮箱门进行了空间结构体系有限元分析，可知闸门结构的强度、刚度设计安全。

(3)通过水力学流激振动模型试验考查测试了浮箱门的振动和稳定性特征，在设计条件下是平稳、安全的。

(4)该浮箱门跨度超大、又需在动水中进行启闭操作，无类似工程可借鉴，建议工程建设期和完工后开展水力学及流激振动原型观测工作，以便积累运行经验，并为制定合理运行操作规程提供科学依据。