蒙城船闸上闸首弧形闸门振动分析及更新改造设计

黄丽玲

（安徽省水利水电勘测设计院，安徽 合肥　230088）

蒙城船闸上闸首弧形闸门振动分析及更新改造设计

黄丽玲

（安徽省水利水电勘测设计院，安徽 合肥230088）

摘 要：蒙城船闸上闸首采用的是下沉式弧形钢闸门，2006年闸门经过第1次加固处理后出现强烈的振动现象，引起有关部门的高度重视。经过多次召开专家会议以及深入细致的研究，分析了该闸门振动的原因，并在此基础上设计出新的闸门。

关键词：下沉式弧形闸门；导流板；流激振动；自振频率；空间网架结构；迷宫式止水

1　工程布置概况

蒙城船闸始建于1969年3月，为涡河蒙城段水利枢纽的重要组成部分，除了满足通航条件外，还需要考虑参与分洪和冲淤的功能。当上游水位过高、节制闸和分洪闸泄洪流量不足以排洪或者引航道淤积需要冲刷时，船闸开始停航泄洪，此时闸门需要在动水条件下运行，因此上闸首闸门选择了水力条件较好的弧形钢闸门。

船闸上闸首孔口净宽10 m，闸室有效长度105 m，闸室入口处设消能室。上闸首采用弧形钢闸门正向挡水，弧门底部设导流板，在充水过程中将通过闸门底部的紊流导入消能室，使水流相对平顺地流入闸室，不会对闸室内停泊的船只造成冲击。闸室充水时闸门先渐升1.5 m，待闸室水位与上游平齐时再将闸门下沉落入消能平台以下位置，船只通航。泄洪冲淤时，闸门提出水面，以免水流激荡门体造成破坏。

老闸门设计采用直支臂主横梁弧形钢闸门，纵、横向撑架及支臂均为桁架结构，门体支臂支撑于两侧墙内壁。启闭桥面两侧为空箱墙墩，墙内设平衡陀，可以减少启闭机容量，启闭机为2×15 t弧形门卷扬式启闭机。下闸首两侧设短廊道输水，输水洞门采用平面直升式钢闸门，工作闸门采用人字形钢闸门。

经过几十年的运行，工程设施、机电设备等老化，已不能满足运行要求。2006年，对蒙城船闸进行了第1次加固处理，更换了闸门及启闭机。其中，上闸首闸门更换为实腹式双主梁弧形钢闸门，门体重量增大；启闭机更换为2×25 t弧形门卷扬式启闭机，平衡陀弃用。

2　第1次加固更换后的闸门使用状况

2006年加固后的闸门投入使用后出现了强烈的振动，具体情况记述如下。

2.1放水过程中的振动

2.1.1上游充水

小开度开启弧形门充水之初，闸门不振动。当闸室水位上升至将要淹没导流板时，弧形门开始振动并逐步加强，在淹没下部主横梁时最为强烈，同时主横梁的开孔处开始往上喷水柱。随着开启高度进一步加大，振动缓慢减弱并逐步消失。

2.1.2下游泄水

在下游输水洞门开启泄水过程中，当闸室水位降至弧形门上部主横梁位置时出现异常振动，当水位降至消力平台以下时，振动逐步消失。

2.2挡水过程中的振动

据管理单位反映，2007年9月10日，弧形门在关闭挡水的情况下突然出现剧烈振动，并引发岸墙、公路桥发生振动，岸边数户居民甚至误以为是地震。随后，开启闸门向闸室充水，振动逐步消失。

现场观察发现，闸门底止水漏水严重，弧门顶缘可见少量倾斜。随后，对开启行程作了适度调整，漏水量有所减少。现场人员又重新调整了启闭机双吊点钢丝绳的长度，将闸门调平，然后在挡水的情况下进行测试，闸门仍振动。

3　闸门振动成因分析

3.1振动机理简介

总体来说，闸门振动是由于在动水作用力下的不平稳引起的。闸门由具有质量的弹塑性材料制成，在外力的作用下能表现出弹性力、滞阻力和惯性力。如果外力是稳定的、静止的，那么在闸门结构中只出现与之相平衡的弹性力；如果外力不是稳定的，那么在闸门结构中除了弹性力外，还将出现滞阻力和惯性力，它们都是时间的函数，结构的应力和变形也随之成为时间的函数，这样就出现了振动的现象。一般情况下，闸门在动水中出现的振动是轻微的，当外力的激荡频率接近闸门结构的自振频率时，无论激荡频率是外力固有的还是由于结构与水流间发生反馈作用衍生出来的，振幅将很快增大，产生振动。

水工钢闸门的振动类型主要是流激振动。流激振动的原因是流体流动的不稳定性，即由层流过渡到紊流时能量的转换过程。通过流体反馈控制作用，特别是流体弹性反馈控制作用，流体的波动就自动调整其波长和频率，使之与门体结构的振动频率相耦合，此时结构的振动就从流体获得源源不断的能量补给，从而使结构振动保持在很高的水平上。

3.2振动原因分析

3.2.1布置型式

该闸门为下沉式弧门，与一般的弧门不同的是，只有在船只通航时闸门下沉进入消能室，在挡水、充水和泄水过程中，闸门都是靠启闭机钢丝绳悬挂于某一开度位置。边界约束主要包括支铰、钢丝绳和侧轮，门体可以绕着支铰轴自由转动，因侧向留有一定的间隙，门体在垂直水流方向也可以有一定的位移。在水流冲击下，门体具有一定的能量，就可能发生持续的振动。

这种布置型式是由该船闸的功能决定的。近些年，新建的船闸基本上功能单一，无需参与泄洪，工作闸门均考虑在静水条件下启闭，采用的是人字门或者三角门的结构型式，门体约束力较强，也无需局部开启，这样就能从根源上杜绝这种布置型式的弊端。

在新闸门设计时，采取尽可能地减小侧向间隙、钢丝绳与吊点使用刚性连接等措施，可以减轻该布置型式本身造成的振动问题。

3.2.2自振频率改变

老的弧形闸门为桁架式结构，支臂及纵、横向撑架均采用由槽钢或角钢组成的桁架，主梁与支臂构成的主框架刚度比较大，闸门重量较轻，老闸门的自振频率相对较高。更换后的闸门主横梁与纵向连接系及支臂全部采用实腹式结构，主梁与支臂构成的主框架刚度比较小，闸门重量加重，闸门的自振频率相对降低，容易与闸门局部调节流量时产生的低频状态振动频率相近，从而引发振动。

3.2.3实腹式结构

加固更换的闸门主、纵梁及支臂均为工字形断面。由于多边形结构对水的阻力大，当闸门处于水中，水的激振会引起闸门振动。特别是在充水过程中，闸门底部过水，下游回水冲击底梁腹板，容易引起闸门振动。

3.2.4止水橡皮

止水橡皮产生的振动可以细分为以下3个方面:

（1）闸门侧、底止水均布置在面板上，由于闸门制造加工工艺问题或者在水压作用下导致门叶变形等原因，止水橡皮安装座面并非是理想的圆弧面，止水安装质量不高。闸门在启闭过程中，面板与止水橡皮间产生不均匀的强烈摩擦，可能引起闸门振动。

（2）止水座板安装不平直，或者止水选型不当、材料柔性不够，导致止水和止水座板之间呈不连续接触而不能完全密封，在上游水压力作用下，水就从止水与座板间隙中射出，射流在止水头部形成负压，使止水橡胶带被吸向止水座，封闭了间隙，负压消失，而止水由于本身的弹性被弹回，故又出现间隙，如此循环往复，使止水以一定的频率产生振动。当止水的自激振动频率与门体自振频率接近时，就会引起闸门强烈的振动。

（3）闸门底部止水橡皮磨损，漏水量较大，从闸门底止水射出的水流直接拍打在门叶背后的梁格上，引起闸门振动。

3.2.5安装误差

闸门支铰采用的是圆柱铰，经过检测，左右两侧高程相差12 mm，现行规范要求两支铰同心度误差不得超过2 mm。支铰座作为弧形闸门的重要组成部分，安装质量的好坏直接影响着弧形闸门运行质量。如果支铰座的同心度、同轴度得不到保证，将影响闸门运行的平稳性，加快支铰座及轴的磨损以及止水橡皮的磨损，引发闸门的振动。

3.2.6淹没水跃对导流板的作用

闸门开始提升放水时，门后水位还没有淹没闸门底部的导流板，此时无论闸门起始开度如何，闸门都不会振动。当闸门下游水位升高至将要淹没导流板时，闸门开始振动，并逐步加强。

此时闸门下游的淹没水跃能量不能完全被消耗，回水跃产生的脉动压力反复冲击导流板，引起闸门振动。

通过现场观察并结合对闸门导流板在不同开度下的角度进行分析发现，闸门在0～1.2 m开度时，随着开度的增加，闸门导流板与底槛之间的角度没有太大的变化，泄流量增加不大，增加了回水跃产生的脉动冲击导流板的时间，从而增加了闸门振动的可能。

4　解决方法

为了避免闸门发生振动，应该使水流和结构之间不产生反馈控制作用，使闸门的自振频率远离水流的脉动频率。针对上述闸门振动原因，采取了如下相对应的措施。

4.1闸门结构的改变

闸门振动往往是由于个别构件薄弱发生振动表现出来的。因此，若把结构的刚度设计大一些、自振频率设计高一些，就可能避免强烈的振动。

新闸门设计上注意增加闸门的结构刚度，减少结构对水流的阻力。门叶改为由桁架梁组成的空间管网架结构，主、纵梁采用方钢，支臂采用圆管，在支臂上部和下部分别增加空间网架支承，均由圆管焊接而成。这种结构型式增加了门体的自振频率，封闭圆滑截面的型钢减少了对水的阻力，可以有效降低闸门振动。

4.2止水的改变

侧止水橡皮采用带100°预压角的L形止水橡皮，可以有效改善止水座面不平整产生的漏水现象。通过止水橡皮自带的预压角，使止水橡皮球头与止水座板紧密贴合。为防止底止水漏水，采用迷宫式止水型式，由3道I8橡皮夹2道H5橡皮组合而成，止水预压5 mm。止水橡皮改用聚四氟复合止水材料，具有低摩阻高耐磨的性能。闸门面板厚度增加，在制作过程中注意控制门体焊接变形。通过上述方法，减少或消除止水与基面、止水与座板之间的间隙，保证止水的严密性，避免因止水漏水引发闸门振动。

4.3支铰的改变

圆柱铰和圆锥铰对铰轴偏斜或同心度误差要求较高，而球铰能够实现自动调心且便于安装，因此将闸门支铰改为球铰，并采用自润滑关节轴承。该轴承具有自动调心、对偏斜不敏感、受力均匀、承载能力高、可同时承受一定的径向和轴向荷载、自润滑等特性。如，某制造厂生产的关节铰允许倾斜角度为2°，该产品近年来在水利工程中大量推广应用。

4.4门底导流板角度的改变

根据水工模型试验并结合现场情况分析，增大门底导流板与门体弧面切线的夹角，加快门后水位的上升速度，可以减少回水跃产生的脉冲压力冲击导流板的历时。

4.5调整输水时闸门开度

管理人员在开门输水过程中应密切关注门后水流流态是否正常，根据水流状态随时调整闸门开度，规避振动位置。尤其是上下游水位差较大的情况下，管理人员更需要严密关注，谨慎操作，防止闸门出现振动。

5　结语

新闸门较原闸门重量增加了10余t，原来2×25 t启闭机启门容量稍显不足，若更换启闭机势必造成现有启闭机房的破坏，加固成本增加较多。为此，考虑重新启用2块重达10 t的平衡陀，平衡陀通过钢丝绳绕过闸门底部，可以有效地减少启闭机容量。

新闸门已经投入使用数年，每天过船多达20余次，闸门启闭频繁。实践证明，上闸首弧形闸门在挡水、充水、泄水过程中的振动现象得到了有效的控制。

参考文献

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中图分类号：TV698.2+2

文献标识码：B

文章编号：1004-7328（2016）02-0066-03

DOI:10.3969/j.issn.1004-7328.2016.02.022

收稿日期：2015—11—23

作者简介：黄丽玲（1976—），女，高级工程师，主要从事水工金属结构设计工作。