陶小平，應(yīng)國華，嚴根華，董 家

(1.江西省贛撫尾閭整治有限公司，江西 南昌 330029；2.中鐵水利水電規(guī)劃設(shè)計集團有限公司，江西 南昌 330029)；3.水利部交通運輸部國家能源局 南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；4.水文水資源與水利工程國家重點實驗室， 江蘇 南京 210029)

江西贛撫下游尾閭綜合整治工程主支樞紐大閘孔采用巨型浮體門結(jié)構(gòu)(見圖1)，閘門底部浮箱體寬10 m、高5 m、長79 m，設(shè)計上游擋水位 15.50 m，閘門靜水壓力18 005 kN。閘門由下部浮箱、中間段及頂部翻板閘門組成。中間段為擋水體由浮箱門鋼底板、鋼閘墩組成。頂部液壓翻板平面鋼閘門由門底支鉸座、門葉、門背支撐桿、液壓啟閉機組成。每扇閘門寬4.8 m，高1.0 m。由設(shè)在門底的兩個支鉸作為轉(zhuǎn)動中心，面板設(shè)在迎水面，梁系設(shè)在背水面。每扇浮箱門設(shè)13扇翻板閘門，12個中間隔墩(0.8 m)，2側(cè)各一個邊墩(3.5 m)。翻板閘門直立擋水，臥倒行洪，閘門臥倒后面板與底板齊平。門后設(shè)支撐桿和液壓啟閉機，

閘門在擋水位置靠支撐桿支撐。浮箱式閘門采用絞車啟閉，兩側(cè)閘墩各1臺，啟閉時用不同的設(shè)備拉動閘門。鋼閘門的沉浮與啟閉過程中的穩(wěn)定至關(guān)重要，采用加壓載、增加分艙、控制各分艙水位、上下游設(shè)置空艙、調(diào)整上部荷載位置等方法。浮箱式閘門門庫底高程按閘門的吃水深度、啟門時最低水位控制，浮起轉(zhuǎn)動后在門庫內(nèi)可充水下沉保持穩(wěn)定后鎖定，門庫底高程7.5 m。浮箱式閘門在下游面設(shè)防沖撞裝置，防止沖撞破壞。除靠鋼絲繩拉緊外，在門頂設(shè)鎖定裝置。翻板閘門的運行方式為動水啟閉。液壓啟閉機型號為QPPYII-2×63 kN，揚程約0.8 m，啟閉機油缸可繞鉸座擺動，支撐桿設(shè)在油缸內(nèi)側(cè)。翻板閘門門頂高程16.00 m，門底高程15.00 m，擋水為直立狀態(tài)，可以局部開啟調(diào)節(jié)流量形成瀑布景觀效果。

浮箱式閘門通常要求靜水啟閉，而本工程大孔閘因為下游敞泄直接流入鄱陽湖，即便通過常規(guī)孔泄水閘調(diào)控也不可能實現(xiàn)靜水啟閉，動水啟閉帶來的一系列問題，需通過模型試驗研究閘門啟閉水位差、水位雍高、泄流流態(tài)解決閘門流激振動及運行穩(wěn)定等問題[1-3]。

圖1 浮動門門庫安裝近景

1 浮體門結(jié)構(gòu)的流激振動響應(yīng)特征

本工程大閘孔浮體門屬于大尺寸單鉸浮動巨型箱式閘門，有別于常規(guī)門型。本次模型試驗根據(jù)泄水閘運行工況，分別進行了不同流量和不同閘門啟閉速度條件下的閘門振動特性測試，獲得了浮體門運行安全性評估數(shù)據(jù)[4-5]。

1.1 閘室水流流態(tài)特征

本工程浮體門的運行特征與常規(guī)直升式或上翻式閘門不同，系采用單側(cè)立軸平面旋轉(zhuǎn)型門型，且閘門運行過程中采用浮運的方式進行，閘門開啟或關(guān)閉到位后再充水下沉進行擋水。閘門由全開進行關(guān)閉操作的流態(tài)變化情況見圖2。水流流態(tài)觀測顯示，在閘門開度大于n0=0.5開度范圍內(nèi)閘室水流平順，未見不利流態(tài)產(chǎn)生；開度小于n0=0.3后，閘門頭部與閘墩之間的缺口溢流出現(xiàn)水面波動現(xiàn)象，此時除閘門底部出流外，缺口部分流量減小，水面略有雍高，門端部繞流現(xiàn)象加劇，缺口后出現(xiàn)漩渦，這時對閘門結(jié)構(gòu)形成一定的激勵力[6-7]。

圖2 典型開度閘室水流流態(tài)

1.2 大孔閘浮體門啟閉特性

閘門開啟與閉門過程具有不同的受力和振動變化過程。閉門過程開始階段運行比較平穩(wěn)，當(dāng)閘門關(guān)閉至2/5開度時，閘門振動量達到最小值，隨后閘門振動量開始逐步增加，當(dāng)閘門接近全關(guān)位時振動量達到最大值，而且這個最大值出現(xiàn)在閘門閉門瞬間的沖擊值。這種閘門結(jié)構(gòu)振動現(xiàn)象與閉門過程水流流態(tài)和作用力演變過程特性完全一致，因為在接近閘門小開度時門體端部水流現(xiàn)象復(fù)雜，開始出現(xiàn)嚴重的水流繞流現(xiàn)象，水面雍高，此外門頭端部出現(xiàn)旋渦激勵力。另一方面，閘門在接近關(guān)閉位時，上游來流的流速由于受到閘門關(guān)閉的影響，其流速逐步由全開時的v0值，降低至v1值，門體部分部位的流速接近于零v1=0，這在閘門接近全關(guān)位更加突出。

1.3 閘門結(jié)構(gòu)的振動加速度特征

為了比較全面地研究考查閘門結(jié)構(gòu)運行過程中的運行平穩(wěn)性，在閘門門體上布置安裝了5個振動加速度傳感器，測點布置見圖3。

圖3 閘門振動測點布置圖

模型試驗按大流量(Q=920 m3/s)和小流量(489 m3/s)兩種不同流量條件進行了浮體門運行特征研究，考查了不同下泄流量對閘門振動和平穩(wěn)性影響的研究[8-9]。

典型大流量啟門過程振動加速度特征見圖4。試驗成果指出：在大流量(Q=920 m3/s)條件下，閘門啟閉過程中的振動量出現(xiàn)在順?biāo)鞣较颍]門過程略小。此外，不同閘門啟閉速度對閘門的振動量具有如下規(guī)律：變頻10 Hz～20 Hz，折合原型啟門時間40 min～90 min范圍內(nèi)時，閘門的振動量相對較??；隨著啟閉速度提高，變頻至30 Hz(折合原型啟門時間25 min)時，閘門振動量達到最大值，其中閘門啟門最大振動加速度值為11.63 m/s2(V3y)，出現(xiàn)在閘門端部的V3y方向(順?biāo)飨?。而在啟門鋼絲繩拉力作用下，閉門過程最大振動加速度值為4.77 m/s2，同樣出現(xiàn)在閘門端部的V3y方向(順?biāo)飨?；軸向略小，3.78 m/s2(V1x)。

圖4 變頻50 Hz啟門過程3#測點三向(XYZ)振動加速度特征

小流量(489 m3/s)條件下，閘門端部的振動量相對較大，近支鉸處門體結(jié)構(gòu)振動量減小，受到振動能量傳遞耗損等影響，緊靠立柱位置的支鉸振動量最小。

此外，不同閘門啟閉速度對閘門的振動量具有與大流量時相同的變化規(guī)律：變頻30 Hz，閘門啟門最大振動量出現(xiàn)在閘門端部位置，三向最大振動加速度值分別為1.46 m/s2～1.61 m/s2；閘門近支鉸處的振動量略小，三向振動加速度值分別為0.89 m/s2～1.02 m/s2；而閉門過程最大振動量同樣出現(xiàn)在閘門端部位置，三向最大振動加速度值分別為1.96 m/s2～2.48 m/s2；靠近支鉸處的門體振動量略小，三向振動加速度值分別為0.80 m/s2～1.02 m/s2。緊靠立柱的支鉸垂向振動量為1.33 m/s2(V4x)。

在當(dāng)閘室微小流量、啟閉速度90 min下，閘門啟門最大振動加速度值為1.25 m/s2(V4x)及0.83 m/s2(V3z)；而閉門過程最大振動加速度值為1.45 m/s2(V4x)及1.06 m/s2(V1z)。較大的振動量均出現(xiàn)在閘門近支鉸處的垂向。

應(yīng)當(dāng)指出，閘門閉門過程中由于啟門鋼絲繩發(fā)揮了反向拉力作用，減緩了閉門速度，有效解決了閉門瞬間的強大沖擊力，因此促使閉門振動量得到大大緩解。尤其是即將關(guān)閉的瞬間，若沒有啟門卷揚機的拉力作用，閘門將在動水流速的作用下出現(xiàn)強烈沖擊閘墩的現(xiàn)象，可能導(dǎo)致閘門結(jié)構(gòu)和閘墩土建結(jié)構(gòu)的損壞[10-12]。

考慮到本工程大閘孔閘門結(jié)構(gòu)尺寸大，因此大閘孔浮體門的啟閉操作盡可能以慢速啟閉為宜。

1.4 閘門結(jié)構(gòu)的振動位移特征

閘門振動位移測試成果顯示，在大流量條件下，除門體剛體晃動出現(xiàn)的大位移外，由流激振動誘發(fā)的浮體門彈性振動位移量從閘門端部開始向支鉸處方向逐漸增大，近支鉸處門體結(jié)構(gòu)振動位移量達到最大。這是支鉸和立柱的剛度相比于門體結(jié)構(gòu)而言要小得多的緣故，符合結(jié)構(gòu)動力變化一般規(guī)律。

此外不同閘門啟閉速度對閘門的振動位移量同樣具有如下變化規(guī)律：在目前的試驗條件下，變頻10 Hz～20 Hz(折合原型啟門時間90 min～40 min)，范圍內(nèi)時，閘門的振動位移量相對較小，隨著啟閉速度提高，變頻至30 Hz(折合原型啟門時間25 min)時，閘門振動位移量達到較大值；再進一步提高啟閉速度，閘門的振動位移量呈現(xiàn)減小趨勢。

圖5 變頻50 Hz閉門過程4#測點XY二向振動位移特征

2 閘門結(jié)構(gòu)的低頻晃動特性

大孔閘浮體門啟閉運行中，在動水作用下表現(xiàn)出振動和低頻晃動兩種振動形態(tài)，其中閘門箱體結(jié)構(gòu)的低頻晃動屬于整體剛體位移性質(zhì)，圖6繪出了閘門剛體位移測點方向示意圖。閘門低頻晃動量測試結(jié)果顯示，在大流量(920 m3/s)條件下，閘門在啟閉門過程中，受到水流動力和啟閉機牽引系統(tǒng)的影響，閘門出現(xiàn)豎向(Y向)和垂直門軸向的方向(X向)的低頻晃動剛體位移現(xiàn)象。調(diào)頻10 Hz啟閉速度下，閉門時最大垂直門軸向的方向(X向)最大晃動值為186.35 mm，豎向(Y向)最大晃動值為94.97 mm；啟門時最大垂直門軸向的方向(X向)最大晃動值為154.6 mm，豎向(Y向)最大晃動值為182.05 mm。當(dāng)啟閉速度由調(diào)頻20 Hz～50 Hz啟閉速度時，閉門時最大垂直門軸向的方向(X向)最大晃動值為127.65 mm～199.97 mm，豎向(Y向)最大晃動值為60.42 mm～139.57 mm；啟門時最大垂直門軸向的方向(X向)最大晃動值為97.44 mm～369.92 mm，豎向(Y向)最大晃動值為55.49 mm～69.65 mm。從閘門剛體晃動位移的頻譜曲線(見圖7)可知，門體在啟閉過程中的剛體晃動位移的主能量集中在1 Hz左右，具有低頻晃動特征。

圖6 閘門剛體位移測點方向示意圖

隨著閘室下泄流量的減小，閘門的晃動量也明顯下降，這是水流動力減弱，對門體作用力下降的緣故。

圖7 10 Hz閉門工況下閘門Y向晃動位移頻譜曲線

3 閘門結(jié)構(gòu)支鉸動力特征試驗

閘門支鉸動力測量將集中在支鉸力和支鉸立柱的動力響應(yīng)測量兩個方面。支鉸力重點考查閘門運行過程中支鉸部位順?biāo)鞣较?Fx)、閘門垂向(Fy)和門體的軸向(Fz)的三個方向的受力變化情況。針對浮體門啟閉過程中的支鉸力作用特征，設(shè)計了可以同時測量閘門支鉸Fx、Fy、Fz三向受力荷載的測試裝置(見圖8)。

圖8 閘門支鉸力測量儀及其布置情況

大閘孔浮體門支鉸力特征數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)下泄大流量時，支鉸門體軸向作用力(Fz)2 626.52 kN，1 731.01 kN(順?biāo)鞣较騀x)，此時的矢量合力約3 200 kN，典型支鉸三向受力變化過程線見圖9。下泄小流量時，支鉸門體軸向作用力(Fz)733.35 kN，支鉸順?biāo)鞣较?Fx)作用力214.84 kN，相應(yīng)的矢量合力約764.17 kN，支鉸力出現(xiàn)明顯下降趨勢。說明隨著下泄流量的逐漸減小，閘門支鉸力將會有進一步的下降(見圖10)。

圖9 大流量變頻10 Hz閉門時閘門三向(XYZ)支鉸力隨時間變化過程

圖10 小流量變頻10 Hz閉門時閘門三向(XYZ)支鉸力隨時間變化過程

從總體上看，浮體門立柱振動位移同樣表現(xiàn)出立柱沿著閘門的軸線方向振動位移最大，順?biāo)鞣较虼沃?，垂向最?垂向無約束)的變化規(guī)律，這符合閘門結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特征。

4 閘門結(jié)構(gòu)門頂溢流特征

當(dāng)閘門全關(guān)、門頂溢流時，水流在小門位置跌落，溢流水舌下方可以通氣；脫離小門時的跌落水流表現(xiàn)出脈動式的出流水舌現(xiàn)象，對應(yīng)下游底板跌落水流的沖擊位置存在變化，試驗測量得到的跌落水流沖擊位置距下游底板起始位置的距離在17.5 cm～19.5 cm之間變化(見圖11(a))。

由跌落水流落入下游底板形成沖擊脈動壓力跌落點處沖擊脈動壓力的時域過程及頻譜曲線(見圖11(b))可以看出，跌落處的沖擊壓力最大值約4.5 kPa，水流沖擊壓力的主能量集中在1.5 Hz頻率范圍以內(nèi)。從總體上看，閘門全關(guān)位、門頂出現(xiàn)溢流工況時，水舌沖擊壓力量級不大。

圖11 門頂溢流流態(tài)與水舌底板沖擊壓力特征

5 閘門結(jié)構(gòu)的啟閉力特征

大閘孔浮體門的啟閉力試驗表明：若按設(shè)計給定工況(上游水位為14.68 m、下游水位14.5 m)，啟閉速度按90 min(變頻10 Hz)控制考慮，閘門閉門過程中的部分時段存在閉門拉力傳感器與啟門拉力傳感器同時受力，其它時間段由于水流流速的動力作用，閉門鋼絲繩不受力，而啟門側(cè)卷揚機鋼絲繩始終需要拉力作用。由閉門曲線(見圖12)可知，大約在300 s～670 s這個范圍內(nèi)閉門拉力傳感器與啟門拉力傳感器同時受力，測到的最大和最小閉門力分別為233.3 kN和-1 804.0 kN，這個現(xiàn)象說明只要河道存在動水流速，這就要求閘門閉門過程啟門側(cè)鋼絲繩應(yīng)始終處于受拉狀態(tài)，以免產(chǎn)生閘門與閘墩結(jié)構(gòu)的碰撞問題。此外在閘門某個閉門開度出現(xiàn)啟門和閉門卷揚機不協(xié)調(diào)性現(xiàn)象，因此需妥善解決好啟閉門鋼絲繩的協(xié)調(diào)問題，其閉門最大值可以消除。

圖12 閉門速度10 Hz(原型90 min)運行工況閉門、啟門受力變化過程

試微小流量閘門啟閉力驗結(jié)果顯示，在啟閉速度10 Hz(90 min)條件下，閉門過程中，浮體門閉門傳感器受力84.0 kN，啟門傳感器最大受力值為158.0 kN；啟門過程中，閘門啟門傳感器的最大受力值85.7 kN。啟閉過程的閘門閉門力值比啟門力要大些。

隨著閘門啟閉速度的進一步減小，閘門啟閉力值呈現(xiàn)出下降趨勢。在啟閉速度7 Hz(130 min)條件下，閉門過程中時，浮體門閉門傳感器受力116.4 kN，啟門傳感器最大受力值為99.5 kN；啟門過程中，閘門啟門傳感器的最大受力值90.2 kN。

不同啟閉速度的啟閉機受力數(shù)據(jù)表明：該項試驗獲得如下二點主要結(jié)論：(1)無論浮體門處于閉門狀態(tài)，還是啟門狀態(tài)，啟門側(cè)卷揚機始終處于受拉狀態(tài)；(2)隨著閘室水位差減小，流速降低，以及啟閉時間延長，浮體門兩側(cè)啟閉機的受力會進一步減小，出現(xiàn)啟閉力下降趨勢。

6 閘門結(jié)構(gòu)靜動力特性三維有限元分析

6.1 閘門流固耦合動力特性

流固耦合模態(tài)分析主要研究閘門在考慮水體的附加質(zhì)量影響時閘門自振頻率及振型[14-15]，圖13繪出了閘門流固耦合計算模型。

圖13 閘門結(jié)構(gòu)計算模型與約束狀態(tài)

在閘門固定鉸和吊耳約束條件下，閘門變形的3階頻率為4.73 Hz，為閘門整體側(cè)向變形；閘門4階頻率為7.25 Hz，為閘門整體二階彎曲變形；支臂第一階彎曲振型的頻率為10.99 Hz；閘門典型振型繪于圖14。

圖14 典型閘門結(jié)構(gòu)振型圖

6.2 閘門結(jié)構(gòu)的靜力特性

在調(diào)控水位工況下(水位15.5 m)，閘門計算水頭為10.2 m(底板高程5.3 m)，閘門門體受到自重荷載。閘門約束狀態(tài)采用支鉸柱鉸，底部采用無摩擦支撐約束，下游水封位置也采用無摩擦支撐約束。閘門結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力計算結(jié)果繪于圖15。

圖15 閘門整體位移與應(yīng)力分布

計算結(jié)果顯示，閘門結(jié)構(gòu)的最大變形為3 mm左右，發(fā)生在門體頂部。門體整體變形很小，能夠滿足閘門對撓度的基本要求。閘門最大應(yīng)力56.4 MPa，應(yīng)力較大的區(qū)域分布在閘門兩端。整體來講，閘門應(yīng)力能夠滿足要求[13]。

7 結(jié) 語

本工程大閘孔浮體門的運行特征與常規(guī)直升式或上翻式閘門不同，系采用浮動單側(cè)立軸平面旋轉(zhuǎn)型門型。本項成果通過大尺度水彈性振動模型，考查測試了大閘孔浮體閘門不同下泄流量及不同啟閉速度條件下啟閉運行過程中的振動和穩(wěn)定性特征，系統(tǒng)取得了閘門振動安全性評價數(shù)據(jù)和資料。獲得了水流動力作用、閘門結(jié)構(gòu)啟閉力、閘門結(jié)構(gòu)低頻晃動以及振動加速度、振動位移，以及支鉸立柱的振動特性等動力參數(shù)，取得如下安全性評估結(jié)論：

(1) 浮體門結(jié)構(gòu)的水流流態(tài)觀測指出，下泄流量越大，該型閘門在關(guān)閉過程，尤其接近全關(guān)位時缺口溢流的繞流現(xiàn)象更為明顯，反之隨著出閘流量的減少而趨于平順。

(2) 浮體門流激振動試驗結(jié)果顯示，下泄流量對閘門結(jié)構(gòu)的動力穩(wěn)定產(chǎn)生重要影響。大流量時閘門啟門最大振動加速度值為11.63 m/s2(V3y)，出現(xiàn)在閘門端部的的順?biāo)飨?；而小流量時閘門振動量顯著減小，測到的啟門最大振動加速度值為1.61 m/s2。顯然，在小流量條件下閘門振動量比大流量時明顯減小。

(3) 不同閘門啟閉速度對閘門的振動量具有較大影響。原型啟門時間40 min～90 min范圍內(nèi)時，閘門的振動量相對較小；隨著啟閉速度提高，啟門時間25 min時，閘門振動量達到最大值。鑒于本工程大閘孔閘門結(jié)構(gòu)尺寸巨大，浮體門的啟閉操作應(yīng)盡可能以慢速啟閉為宜。

(4) 試驗成果指出，閘門閉門過程中由于啟門側(cè)鋼絲繩發(fā)揮了反向拉力作用，減緩了水流動力推動的閉門速度，有效削弱了閉門瞬間的沖擊力。因此，在大型浮體門的啟閉機設(shè)計中，只要河道存在水流流速，則需要考慮閉門過程啟門側(cè)卷揚機鋼絲繩施加反向拉力作用，以策安全。

從總體上看，在妥善解決好門體晃動、閉門過程啟門側(cè)卷揚機鋼絲繩施加拉力防止關(guān)門瞬間動水自閉碰撞，以及支鉸與立軸扭別等問題后，大閘孔浮體門可以在工程中應(yīng)用。