平面閘門流激振動(dòng)分析及防振措施

鄧淇 沈春穎 馬江霞

摘 要：在水利樞紐的泄水、引水和通航系統(tǒng)等各種過水孔道上，平面閘門用于調(diào)節(jié)上下游水位、控制流量、攔截水流、排放泥沙、放運(yùn)船只等作用。閘門流激振動(dòng)往往會(huì)危及閘門結(jié)構(gòu)安全，危害人民生命財(cái)產(chǎn)安全。因此閘門結(jié)構(gòu)振動(dòng)成為水利工程中亟待解決的問題，本文從平面閘門流激振動(dòng)研究進(jìn)展、閘門振動(dòng)破壞事例和閘門振動(dòng)機(jī)理等方面分析，重點(diǎn)討論閘門振動(dòng)原因及解決措施，以盡可能避免閘門振動(dòng)造成的危害。

關(guān)鍵詞：平面閘門;振動(dòng);措施;流激振動(dòng)

中圖分類號(hào)：TV34? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）12-0112-03

平面閘門在水利工程中得到十分廣泛的應(yīng)用，可用于調(diào)節(jié)上下游水位、控制流量、攔截水流、排放泥沙等作用。近年來我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，其中水利行業(yè)也在快速發(fā)展，以往高壩發(fā)展緩慢，如今高壩發(fā)展迅速。平面閘門承壓水頭、單寬流量不斷增大，孔口和閘門尺寸等也隨之增大，加之大量閘門需要滿足部分開啟要求所帶來的運(yùn)行條件的復(fù)雜化，閘門結(jié)構(gòu)的流激振動(dòng)及安全可靠性等問題凸顯。

1平面閘門流激振動(dòng)研究進(jìn)展

1.1國(guó)外研究進(jìn)展

目前，許多學(xué)者對(duì)閘門流激振動(dòng)進(jìn)行一系列研究。穆勒[1]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)平面閘門振動(dòng)現(xiàn)象，并把振動(dòng)命名為渦激振動(dòng)，振動(dòng)發(fā)生要滿足兩個(gè)條件：閘門開度較小、上下游水位差較小。Hardwike[2-3]通過實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證穆勒的研究發(fā)現(xiàn)，同時(shí)測(cè)量作用在閘門底緣的渦激力，是為了更好敘述閘門的自激過程，并且采用無(wú)量綱的折算速度和閘門的自振頻率與阻尼比等相應(yīng)參數(shù)預(yù)測(cè)閘門的振動(dòng)形式。Kolkman[4]和Vrijer[5]描述直升閘門振動(dòng)的流體慣性模式，認(rèn)為閘門振動(dòng)過程中，閘孔的有效過水面積變化導(dǎo)致流量的脈動(dòng)，其流量的脈動(dòng)與慣性效應(yīng)在孔口局部產(chǎn)生壓力差的變化加速閘門的振動(dòng)。Jongeling[6]等研究閘門流激振動(dòng)條件，發(fā)現(xiàn)閘門流激振動(dòng)與閘門開度、底部?jī)A角有關(guān)，給出閘門傾角在45°或 60°有利于避免閘門振動(dòng)發(fā)生。

1.2國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

王桂青[7]對(duì)陡河水庫(kù)輸水洞工作閘門振動(dòng)，進(jìn)行觀測(cè)分析，提出閘門各種工作條件下應(yīng)采取的措施;趙欣[8]對(duì)閘門流激振動(dòng)破壞事例研究，分析閘門振動(dòng)原理及特點(diǎn)，提出避免閘門振動(dòng)措施;嚴(yán)根華[9]通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)閘門流激振動(dòng)參數(shù)檢測(cè)，尋找閘門振動(dòng)的原因，提出預(yù)防措施保證閘門安全穩(wěn)定分析;肖興斌[10]等結(jié)合三峽水電站排沙孔工作平板閘門，分析高水頭閘門水力特性，研究分析閘門底緣后漩渦水流剪切空化引起的閘門振動(dòng)，提出相關(guān)措施防止閘門空蝕及振動(dòng)措施，確保閘門正常進(jìn)行運(yùn)行。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在流固耦合產(chǎn)生的平面閘門振動(dòng)問題上取得許多成果，但目前對(duì)誘發(fā)平面閘門振動(dòng)機(jī)理尚無(wú)清楚的理論解釋，迄今仍沒能提出有效分析和處理這種復(fù)雜振動(dòng)現(xiàn)象的理論和方法，有待進(jìn)一步探索。而平面閘門的研究基于理論與數(shù)值模擬較多，根據(jù)實(shí)際工程結(jié)合較少。然而模擬與數(shù)值分析難與實(shí)際工況相吻合，因此想要精準(zhǔn)研究分析，需要根據(jù)實(shí)際工程來進(jìn)行[11] 。

2流激振動(dòng)破壞閘門事例

我國(guó)劉家峽水電站，1969年由于閘門開度過大導(dǎo)致胸墻門體發(fā)生水錘，進(jìn)一步發(fā)生劇烈的振動(dòng)，由于劇烈振動(dòng)泄水道閘門遭到破壞，第二年劉家峽水電站泄水道閘門正式投入使用后，工作人員發(fā)現(xiàn)閘門出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)情況，經(jīng)相關(guān)部門檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)不僅整個(gè)門的振動(dòng)很強(qiáng)，而且門體的結(jié)構(gòu)應(yīng)力也很大。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)對(duì)閘門結(jié)構(gòu)造成極大危害，經(jīng)技術(shù)部門檢查，閘門振動(dòng)原因是止水設(shè)施出現(xiàn)問題，進(jìn)而引起閘門的流激振動(dòng)[11-15]。

1995年，福爾瑟姆泄水道閘門開啟泄水時(shí)，泄水閘出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)，導(dǎo)致弧形閘門右支臂向內(nèi)彎曲，鉸軸因出現(xiàn)剪應(yīng)力而被斷裂，最終導(dǎo)致閘門破壞。幫捏·威爾溢流壩14米高的平板平面閘門開度較小時(shí)會(huì)引發(fā)劇烈的自激振動(dòng);巴克萊壩15.2m*16.8m弧形閘門開度較小情況下引起30HZ的劇烈振動(dòng)開度較小時(shí)發(fā)生振幅[11-15]。

3平面閘門振動(dòng)機(jī)理

閘門發(fā)生振動(dòng)有較多因素造成，但專家們通過討論后一致認(rèn)為，動(dòng)水作用不平衡的主要原因是閘門與動(dòng)水相互接觸的一剎那立即發(fā)生，振動(dòng)現(xiàn)象也隨著出現(xiàn)。許多情況下，閘門的作用力等同于結(jié)構(gòu)外力。另外一種情況，閘門自身結(jié)構(gòu)與附近質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)有著相互的作用，平面閘門上有多種作用力時(shí)，這些力會(huì)對(duì)閘門整個(gè)結(jié)構(gòu)做功，輸入的能量使系統(tǒng)在滿足阻尼能量消耗后連續(xù)振動(dòng)[9][16]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者建議把流激振動(dòng)劃分為三種，見表1 [15-16]。

加拿大 Weaver[17]根據(jù)振動(dòng)特征將流激振動(dòng)分為水流誘發(fā)的強(qiáng)迫、自控、自激振動(dòng);美國(guó)學(xué)者 Blevins[18]根據(jù)流體引發(fā)振動(dòng)類型分成兩類，一類是穩(wěn)定流動(dòng)，一類是非恒定流動(dòng);德國(guó) Naudascher·E[19]根據(jù)流體引發(fā)結(jié)構(gòu)振動(dòng)機(jī)理分為外部激發(fā)振動(dòng)、不穩(wěn)定激發(fā)振動(dòng)、運(yùn)動(dòng)激發(fā)振動(dòng)、共振流體振動(dòng)。

目前，許多專家學(xué)者對(duì)閘門流激振動(dòng)進(jìn)行大量研究，但平面閘門振動(dòng)是一特殊的流體力學(xué)問題，涉及到水流條件、閘門結(jié)構(gòu)及其相互作用，屬于流體激發(fā)振動(dòng)，其平面閘門結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、振動(dòng)現(xiàn)象多變性以及振動(dòng)機(jī)理尚未完全掌握，因此，平面閘門振動(dòng)研究探索道路依然十分艱辛[20-21]。

4 閘門振動(dòng)原因及解決措施

振動(dòng)破壞的閘門總是和某些水力條件所形成的振源有著密切的關(guān)聯(lián)，當(dāng)采取相關(guān)的措施后，振源得到有效的控制，振動(dòng)會(huì)伴隨著消失。為避免振動(dòng)的發(fā)生，所以必須弄清振動(dòng)發(fā)生的原因，找到合理有效的措施進(jìn)行治理，根據(jù)水力條件可將振源分為以下幾類[22-25]：

（1） 閘門止水漏水因素。由于閘門止水剛度與柔韌度不足，選取的止水類型與閘門不恰當(dāng)?shù)绕渌颍l門發(fā)生振動(dòng)[26]。當(dāng)漏水量達(dá)到一定量時(shí)，閘門頂止水射出作用于止水部件上，閘門振動(dòng)發(fā)生[27]。對(duì)于上述這種情況，應(yīng)提高施工質(zhì)量，保障止水設(shè)施具有非常好的氣密性。根據(jù)材料質(zhì)量、止水位置及尺寸進(jìn)行一個(gè)有效的規(guī)劃和安排，將座板和止水緊密接觸，盡可能地減少或不發(fā)生因閘門漏水，導(dǎo)致閘門不能繼續(xù)正常的工作而發(fā)生閘門振動(dòng)。

（2） 波浪沖擊閘門因素。水閘前水位靠近胸墻周圍，上游產(chǎn)生較大風(fēng)浪、涌潮時(shí)會(huì)作用胸墻底部與閘門露出水面的部位形成封閉氣囊，此時(shí)空氣會(huì)由于形成的壓力差而被壓縮，會(huì)出現(xiàn)較大的氣囊沖擊力，引發(fā)閘門振動(dòng)。為避免這種情況的發(fā)生，在閘門上游因采取恰當(dāng)?shù)拇胧貉b配浪排、防浪柵等，來降低波浪對(duì)閘門造成巨大沖擊。同時(shí)也可在胸墻底部設(shè)置通氣孔，目的是在閘門正常泄水起到排氣的作用，這樣能夠有效地降低風(fēng)浪、涌潮對(duì)閘門的沖擊，從而避免引發(fā)閘門振動(dòng)。

（3）平面閘門的底緣型式因素。平面閘門底部設(shè)計(jì)不合理，則會(huì)造成水力條件不能得到滿足，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致閘門啟閉難度加大，尤其是會(huì)引起水流脈動(dòng)壓力增加。若要避免上述情況發(fā)生，要注意刀刃形底緣和挑出的角度，根據(jù)相應(yīng)閘門設(shè)計(jì)規(guī)范要求，上游傾角不得小于45°，下游傾角不得小于30°，使得閘門底緣流線平順，有效降低閘門發(fā)生振動(dòng)頻率;實(shí)際操作時(shí)底部主梁寬度大小要小于閘門在實(shí)際操作時(shí)開度大小，目的是阻礙開度較小的強(qiáng)振區(qū)。

（4）閘后淹沒水流引起振動(dòng)因素。平面閘門開度在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，閘門泄水時(shí)閘后會(huì)出現(xiàn)淹沒水躍，水躍對(duì)閘門產(chǎn)生劇烈沖擊，其原因是水流產(chǎn)生劇烈的脈動(dòng)壓力引發(fā)閘門振動(dòng)，該振動(dòng)為受迫振動(dòng)，是在隨機(jī)荷載下發(fā)生。此時(shí)應(yīng)改變運(yùn)行工況，盡可能使閘孔水流為一個(gè)自由出流狀態(tài)，這樣可避免閘門振動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生。如果不可避免出現(xiàn)淹沒水躍，則盡可能增加閘門懸架結(jié)構(gòu)的支撐結(jié)構(gòu)剛度。

5 結(jié)語(yǔ)

國(guó)內(nèi)外因平面閘門振動(dòng)破壞事故較多，但由于水流流態(tài)、閘門結(jié)構(gòu)復(fù)雜性成為流激振動(dòng)中較難分析的重難點(diǎn)。現(xiàn)有理論和經(jīng)驗(yàn)很難解決由于流激振動(dòng)造成閘門破壞的各種情況，因此閘門設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照相應(yīng)閘門設(shè)計(jì)規(guī)范，加強(qiáng)施工質(zhì)量。當(dāng)閘門發(fā)生振動(dòng)破壞時(shí)，及時(shí)進(jìn)行分析，對(duì)其破壞原因做出準(zhǔn)確的判斷進(jìn)而采取相應(yīng)的措施，防止閘門振動(dòng)產(chǎn)生的危害。

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基金項(xiàng)目：云南省教育廳科學(xué)研究基金項(xiàng)目（編號(hào)：2020J0056）;昆明理工大學(xué)引進(jìn)人才科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目（編號(hào)：KKSY201904008）。