调水工程弧形闸门振动测试分析及除振措施

朱俊杰，刘圣凡，董玉增，杨康华

（1.中国南水北调集团中线有限公司渠首分公司，河南 南阳 473000；2.长江科学院，湖北 武汉 430010）

0 引言

弧形闸门作为常用闸门形式广泛应用于水利工程中，具有启闭省力、运转可靠、泄流条件好并能满足各种类型泄水孔道需要的优点。在我国已经建成的钢闸门中，弧形闸门数量占很大的比例［1］。在高坝泄洪运行过程中闸门常出现异常振动问题，产生异常振动常由于以下几种原因［2-4］：因闸前水头高，过闸水流流速大，水流冲击导致闸门强迫振动；闸前漩涡等不良流态导致闸门振动；在闸门开启或关闭过程中会在闸后出现明满流交替的恶劣水流现象，水流剧烈翻滚引起闸门强烈振动；闸门止水漏水在缝隙高速射流诱因下导致闸门自激振动。

调水工程中的弧形闸门相较于高坝闸门过流量小、水头底，但是因设计或运行条件等限制也存在闸门振动问题且振动原因较复杂。与高坝弧形闸门相比调水工程弧形闸门振动原因如下［5-9］：①节省材料及满足规范需要，一般闸门板材较薄。虽然作用水头减小，但水的作用力对闸门的影响占比并未减小。②调水工程闸门一般在淹没流中控泄运行，淹没流是引起闸门振动的重要因素。③由于闸门体型较小，轻微地基沉陷导致的闸门变形错位或油缸错位不同步都可能成为诱发闸门振动的因素。④闸门常年运行且部分门体始终在水下运行，闸门止水及止水座板的缝隙较难发现，也成为了诱发闸门振动的因素。通过调水工程弧形闸门的振动原因分析发现，产生闸门振动的可能性并不比高坝弧形闸门低。因此，在调水工程越来越受到重视的今天，对调水工程中弧形闸门的特性认识及除振措施探索很有必要。

针对闸门振动的研究主要分原型观测、模型试验及数值模拟三类。原型观测通过在现场闸门上布置传感器进行应力、加速度、位移等参数的观测及分析评价。随着硬件、软件设备的升级，近年来在线监测闸门振动开始应用［10，11］，做到了长时域观测数据的分析，更有利于对振动进行评价。三维摄影测量技术也开始应用于闸门流激振动观测，创新了弧形闸门位移变形观测技术手段［12］。模型试验重点在材料相似性上，20世纪80年代国际上采用变态水弹性模型研究流激振动；在21世纪初，吴杰芳等人研制出了全水弹性材料并应用到三峡等重大工程的闸门流激振动研究中，取得了良好效果［13，14］。但是模型试验中对止水的模拟还不能与原型一致，需进一步研究。目前用数值模拟方法求解闸门流激振动中的流固耦合问题已普遍应用，但现有计算方法中建立模型经历了一系列的简化，计算假设与边界条件设定偏差使计算结果与实际情况不相符［12］。通过3种手段对比可以看出，原型观测手段依然是闸门流激振动研究最直接、最有效的手段。

本文以某渡槽节制闸出现的闸门振动为例，通过原型观测数据采集、分析，提出解决措施、验证解决措施效果。进一步加深对调水工程弧形闸门振动特性的认识，同时提出的解决措施可为同类型闸门提供除振思路。

1 原型观测实例

1.1 观测内容

某渡槽总干渠设计流量340 m³/s，加大流量410 m³/s。由退水闸段、进口变段、进口节制闸、进口连接段、渡槽段、出口连接段、出口检修闸室、出口渐变段和出口明渠段组成，总长540 m。槽身跨径布置为6 m×40 m，渡槽单槽净宽13 m，最大过水断面面积86.06 m2，设计水深5.91 m，加大水深6.62 m。渡槽单槽顶部全宽15 m，底部全宽15.1 m，两槽间内部间距5 m。节制闸闸室长26 m，节制闸共2 孔，顺水流向布置2 套弧形工作闸门，节制闸孔口尺寸13 m×7.742 m，门页为主横梁斜支臂结构，支承型式为球铰，球铰材料为自润滑材料。

图1 渡槽平面布置图Fig.1 Layout plan of aqueduct

图2 闸门现场运行图Fig.2 Gate site operation diagram

在输水流量150～320 m³/s，1号、2号弧形工作门在局部开启运行工况下，发生了单侧闸门或两闸门不同程度的异常振动现象。现场不得不进行非对称运行或重复调整闸门，但仍不能完全解决闸门异常振动现象。选取1 号闸门进行振动响应观测，主要观测的内容包括：振动应力、振动加速度、振动位移。

1.2 观测方法

采用在现场闸门上布置传感器进行数据采集的方法。根据水工弧形闸门振动特点并借鉴以往类似工程测点布置经验，测点主要布置在结构受力和变形较大的区域。布置振动加速度仪器14支、应变片16片，同时布置脉动压力传感器2支，观测仪器具体测点布置如图3所示。

图3 闸门传感器测点布置Fig.3 Layout of measuring points of gate sensor

1.3 评价依据

弧形闸门流激振动是一个复杂的流固耦合问题，闸门振动特性测量出来后，如何判断结构的危害程度，即关于闸门振动的安全性评价问题，目前还没有统一的标准［15］。参照前人研究经验采用多种参数综合分析的评判方法，保证评价结果安全可靠。

（1）振动位移。《水利水电工程钢闸门设计规范（SL74-2019）》［16］引入美国陆军工程师兵团在阿肯色河弧形闸门振动测试中的评判方法，以平均振动位移来划分闸门振动的危害程度，如表1。

表1 水工钢闸门允许幅值Tab.1 Allowable amplitude of hydraulic steel gate

（2）振动位移（振幅）与频率关系［17］。德国工程师K.Petrikat认为振动的危害程度取决于振幅和频率的综合效应，给出安全临界振幅A和其频率f的函数表达式为：

式中：A为安全临界振幅，μm；f为频率，Hz。振动频率越高，相应的安全临界振幅就越小。

（3）闸门振动应力。我国《水利水电工程钢闸门设计规范（SL74-2019）》［16］建议，对于经常局部开启的工作闸门，设计时应考虑动力荷载，其动力荷载设计的动力系数上限一般不超过1.2。另外，金属构件的局部振动应力也要求不大于材料允许应力的20%。因此，可以认为钢闸门的动应力应小于材料允许应力的20%，钢材的允许应力通常在160 MPa左右，则其动应力应小于32 MPa。

1.4 观测工况

进行了现场闸门启闭观测，两个工作闸门协调运行确保渡槽流量不变，1号闸门由6 m开度按照1 m一调节关至1 m开度，出于渡槽安全运行考虑，最低调整至0.75 m 开度。再由0.75 m开度开启闸门，先开至1 m，再由开度1 m 调整至2.2 m，再按照1 m一调节开至4.2 m。

1.5 观测成果分析

闸门试验过程中，在由0.75 m 开至1 m 稳态运行后闸门产生异常振动，其余工况未发现异常振动，将各组工况观测数据进行振动应力、振动加速度、振动位移综合分析。

（1）振动应力。闸门下行至1 m 开度稳态运行工况（正常）和闸门上行至1 m开度稳态运行工况（异常振动）振动应力特征值的对比分析表明，闸门有异常振动时的振动应力较正常运行有所提升。但是闸门在稳态运行条件下无论有无异常振动，闸门各主要构件的振动应力均在5 MPa 以内，远小于32 MPa 的动应力允许值。

（2）振动加速度。在闸门不同开度稳态运行无异常振动时，测点振动加速度最大值约0.2 m/s2；在闸门上行至1 m 开度稳态运行出现异常振动时，测点振动加速度最大值约0.5 m/s2。无论闸门是否出现异常振动，各测点的加速度均方根值均未超过1 m/s2。

（3）振动位移。通过振动加速度数据积分求得测点振动位移，稳态运行闸门有无异常振动工况下，各测点的振动位移值：闸门支臂最大值为30 μm，弧门面板最大值为10 μm，其他各部位均在10 μm以下。均小于弧形闸门振动位移安全允许值。

（4）振动位移（振幅）和频率关系。在闸门各运行工况下，各测点的振幅和对应的振动主频率均满足lgA＜3.14-1.16 lgf的安全评判标准。

通过对闸门振动应力、振动加速度、振动位移、振动位移（振幅）与其振动频率关系式等的综合评判，某渡槽节制闸闸门在现有运行状况下是安全的。

2 振动成因分析及除振措施

虽然在闸门稳态运行出现异常振动时整体振动量级较小，但长期异常振动会给现场工作人员带来不舒适感，同时也会给闸门带来疲劳损伤，缩短闸门正常运行寿命。因此找到闸门振动原因并解决异常振动具有重要意义。

2.1 振动成因分析

（1）水流激振影响。对闸门产生异常振动时的振动加速度及闸后水流脉动进行频谱分析，具体如图4。

图4 闸门产生异常振动时的测点频谱分析Fig.4 Frequency spectrum analysis of measuring points when the gate is abnormal

闸门产生异常振动后，各加速度测点优势频率基本在20 Hz以上，而闸后水流脉动压力主频率在1 Hz左右。说明闸下淹没水跃形成的周期性反向冲击水流不是引发闸门异常振动的直接原因。

（2）止水、止水座板变形影响。从外观上，闸门在局部开启运行时两闸门均存在一定程度的止水漏水现象，虽然水头不高，但止水漏水是闸门振动的诱因之一。同时止水变形加之止水座板不平使门页两侧的约束减弱，也成为闸门振动的诱因。

综合分析水流激振不是诱发闸门振动的直接原因。但由于闸门止水、止水座板变形，闸门在不同开度时门页两侧约束条件变化很大，加之来流量增大，水流激励增强可能就会引起闸门振动。

2.2 除振措施及验证

由于工程运行期间还需闸门控泄，更换止水不便，考虑改变约束条件消除闸门异常振动。由于现场闸门两侧油缸运行时本身存在几毫米行程偏差，建议通过微调闸门单侧油缸行程几毫米改变止水与止水座板间隙，以使闸门恢复至正常运行状态。经过现场工作人员尝试，微调闸门单侧油缸行程几毫米有效且操作简便，通过观测数据对比振动明显减小。如：在闸门右侧油缸行程由3 807 mm 微调至3 800 mm 后闸门异常振动消失。闸门上主梁左侧加速度均方根值由0.075 m/s2减小至0.032 m/s2，减小134%。闸门下主梁右侧加速度均方根值由0.202 m/s2减小至0.028 m/s2，减小621%，微调前后加速度数据对比如图5。

图5 闸门微调前后主梁振动对比Fig.5 Comparison of main beam vibration before and after gate trimming

通过微调闸门单侧油缸几毫米除振，过闸流量偏差未超过0.1%，闸下流态及作用在闸门上的水流荷载均没有变化。但是闸门微调后的异常振动却消失，闸门局部构件的振动加速度也明显减小；验证了闸门产生异常振动应该是门体局部结构的约束条件发生了变化、在水动力荷载作用下引发的；当门体结构的约束条件恢复至正常状态时，闸门异常振动就会消失。

3 结论

（1）从结构设计到运行条件综合分析，调水工程弧形闸门发生振动的可能性并不比高坝弧形闸门低。

（2）依托实际工程闸门振动进行了原型观测，通过振动应力、振动位移、振动位移（振幅）和频率关系、振动加速度多参数对闸门振动安全进行了评估。

（3）对闸门振动产生的原因从水流激振、自身约束方面进行了分析，结合分析提出了相应除振措施并在现场进行了除振措施验证。验证了运行工况下微调闸门一侧油缸行程几毫米是有效的应急除振手段，为类似工程应急除振提供了方法及数据支撑。

（4）调水工程弧形闸门由于常年运行，需进行定期检查，尤其是对止水及止水座板的平整度要及时检查，同时要定期检查闸门变形及铰支座、启闭机纠偏，预防闸门异常振动问题。