大跨度對拉式閘門水力學及流激振動特性研究

孫國榮

湖北省水利水電規劃勘測設計院，武漢 519000

別大鵬

湖北省水利水電規劃勘測設計院，武漢 519000

嚴根華

南京水利科學研究院，南京 210029

1 研究背景

本文以南水北調中線一期引江濟漢工程拾橋河樞紐為依托，研究大型對拉式閘門的水力學、靜動力特性及流激振動響應特性。該樞紐工程由拾橋河上、下游泄洪閘，拾橋河倒虹吸，拾橋河左岸節制閘組成。其中上下游泄洪閘、倒虹吸橫穿引江干渠，擔負拾橋河河水泄洪任務；節制閘擔負著分段節制水位的作用，還應滿足通航要求。渠道設計引水流量350m³/s，最大引水流量500m³/s。閘室按雙向擋水要求設計。節制閘（兼通航孔）孔口凈寬60.0m，采用平面弧形雙開工作閘門擋水，弧門各自繞支鉸在水平面內轉動。單扇弧門面板外緣半徑為45m，弧門外側面板總弧長40m，門高8.9m。門庫為扇形，對稱布置在閘室兩端。通航時閘門轉動至門庫內，防洪或河道檢修時才啟用閘門擋水。采用繩鼓式卷揚啟閉機操作閘門。根據本工程閘門啟閉的特點，平面弧門啟閉采用固定卷揚式啟閉機，啟閉機的啟閉容量為800kN。

平面弧形雙開門結構是一種新門型。本工程設計特點有：①閘門結構需要進行雙向擋水，支臂、支鉸結構雙向受力；②針對不同防洪/退洪工況啟用閉門/啟門工況，運行條件復雜；③聯合考慮設備艙布置且針對艙內充排水時水流運動平穩性設計了調節水艙；④采用大容量卷揚機對閘門進行啟閉操作。該門跨度達60.0 m，系大型對開式門型，結構剛度相對較弱，支臂的動力穩定值得關注。各種運行工況下結構受力條件復雜，特別是該閘門開啟及局部開啟運行狀態水力參數變化較大，水流流態復雜，水流對閘門結構動力作用復雜多變，閘門振動和支臂動力穩定性問題突出。因此需要通過閘門水力學、水彈性振動模型試驗研究，論證閘門作局部開啟運行及啟閉過程中的安全性和可靠性，并提出閘門優化布置及合理的閘門運行操作調度方案。此外，通過水力學試驗，研究論證閘下消能防沖的安全性，完善水閘工程設計。

2 閘門水動力特性

對拉式閘門的泄流特征有別于常規平面閘門或上翻式弧形閘門的閘下出流，屬于中間缺口溢流，其水動力特性有其自身特點。

2.1 水流流態特征

當水流通過閘門口門時，因端部側緣斷面存在折角，端部面板處形成的側收縮對流態有一定影響，水流收縮并聚中，主流上部直接射入下游。閘門全開、兩孔閘門位于門庫內，過流流量500m³/s時，流經閘室段的水流表面較平靜；閘門關閉過程中流經閘室段的水流表面波動逐漸加大。當閘門關閉至較小開度、下游水位較高時出流水股形成一定的橫向擴散，易產生偏流和折沖水流；若下游水流較低時，則水流直接沖過消力池流向下游。當閘門內液位降低而發生振動狀態時，閘門門體及支臂在水體中發生上下方向扭轉振動，對上、下游流態造成較大影響，水面波動加劇。發生強振時的水面波動又反作用到閘門門體，這種流場與結構的相互作用易進一步加劇閘門振動現象。

2.2 流速分布

閘門全開、泄流量Q為350m³/s和500m³/s不同流量條件下的下游側流速分布具特征為：①閘門下游流速分布與流態關系緊密，閘門全開時渠道過流水面存在一定的波動，沿程變化較緩。②隨著流量的增大流速加大。流量一定，流速隨著下游水深減小而增大。③下游河道底流速大小和分布的均勻性不僅與設計采用的消能措施有關，且與泄流量和下游水位有關。若在下游水位尚未壅高的情況下開始啟門泄流，此時水體較淺，如果泄量大，流速也隨之增大，泄水建筑物亦遭受沖刷失穩；若下游河道未加保護，將遭受沖刷。因此閘門開啟運行需與下游水位相匹配，在滿足泄流量要求的同時需兼顧下游河道的漲、落水位。④離口門較遠斷面流速中部略大，左右兩側分布較為勻稱；離口門區最近的下游斷面，流速左右兩側分布略欠勻稱，其原因與進出口地形有關，但閘后水流仍能順應下游河道地形順暢地流入下游。

根據設計要求，當水位高于30.5m后閘門將進行啟閉操作，上下游水位差較小（&lt；0.5m）。由于門縫輸水，下游水位對下泄水流流態影響較大，出流在下游河道存在聚中現象且不穩定性；下游易形成偏流和回流，這不僅與端口型式有關，也與上游進流邊界條件有關。發生偏流和回流一般被視為不利流態，可能引起河岸岸堤、閘室段底板、閘門等不利動水作用。試驗采用如下幾個主要指標評判整流防沖效果的優劣：①能反映最大沖刷深度的過流斷面最大底流速；②近岸最大底流速，該指標與二岸抗沖穩定關系密切；③底流速大于河床抗沖流速的測點數百分比，預示沖坑范圍大??；④表示底流速分布均勻性的標準差；⑤滿足抗沖流速的最大閘門開度或泄流量等。由于本工程具有門縫過流的特點，流速在下游沿河道寬度方向存在不均勻性，同時由于回流作用會引起流速、流向的變化，因此模型試驗并未局限在水位差&lt；0.5m范圍內，主要選取了以下參數進行比較：①過流斷面底流速最大值；②近岸側的底流速最大值；③表示底流速分布均勻性的標準差等。以上幾個指標中核心內容是底流速分布的均勻性，主要考慮底流速分布標準差以及最大底流速值。均勻程度指標用方差表示，最大值、平均值、方差的計算表達式見公式（1）。流速均勻性好也表明該方案消能防沖的效果較好，在此基礎上結合其他指標共同比較與判斷。

為考查水閘下游流速分布，在樁號28+394m和28+371m處測量了河道中部的流速值。重點考察了上游32.84～31.92m不同水位差、閘門開度分別為1～8m時下游典型斷面處流速最大值及反映全斷面流速分布均勻性的流速標準差。圖1給出了典型斷面處流速特征值。數據顯示，在上下游水位一定的情況下，隨著閘門開度的增大，樁號28+394m處斷面上的流速最大值多數是隨之變大。在上游水位、閘門開度一定的情況下，隨著下游水位的減小，流速隨之增大；在下游水位、閘門開度一定的情況下，隨著上游水位的增大，流速也隨之加大。

工程設計閘門上下游水位差控制值為0.5m，不同工況實測最大底流速為1.6m/s。閘室底板采用混凝土厚度1.5～2.5m，渠道部分采用8cm厚C20混凝土護砌、15cm砂石墊層。通常認為混凝土塊護坡能抵抗較大流速的沖刷和波浪的沖擊，其容許流速值一般在3～8m/s以上，因此從抗沖流速角度考查，水閘底板結構可以滿足消能抗沖要求。

近岸側流速值涉及岸坡穩定問題。試驗結果顯示，近岸側流速值一般小于全斷面上的最大值，但在偏流嚴重的情況下可能是全斷面的最大值。本工程近岸側岸坡閘室部分采用直立混凝土翼墻，渠道部分采用10cm厚C20混凝土護砌、15cm砂石墊層，其抗沖流速值一般較大，因此亦能滿足抗沖要求。從水力學角度出發，由于偏流的存在將可能導致下游邊坡的沖刷，因此閘門應對稱、逐步分級開啟，控制上下游水位差，保持一定下游水深。防止水位大起大落帶來新的問題。嚴格控制始流條件下的運行區間，避免出現不穩定水流運動引起門體振動和沖刷。

關于消力池設置問題。從取消或設置消力池的流速分布顯示，閘門局部開啟運行條件下，設置消力池后，相應在橫斷面上的流速分布有一定程度的均化（見圖2），最大值有所減小，尤其是在下游水位較低、水位差較大時較為有利。當閘門全開運行時，設與不設消力池對于下游流速的分布幾乎沒有差別。因此當流速值不超過抗沖流速條件時可不設消力池。

3 閘門結構靜動力特性的三維有限元分析

閘門結構的靜動力特性研究主要考查結構在水動力荷載作用下的靜態和動力特性，為閘門結構的靜動力設計合理性判斷提供依據。

3.1 有限元分析模型

拾橋河樞紐工作閘門箱型面板、直支臂和球鉸結構，其有限元結構模型繪于圖3。模型包括2708個面元和5161條線元，共有14947個shell63單元，4664個beam189單元，211個beam4單元，5520個solid95單元，計32168個節點，模型總自由度數為149130個。

3.2 閘門結構的靜力特征

該水閘具有雙向受力特征。通過考慮支鉸閘墩部位的閘門結構應力與位移分析，取得了閘門在正向和反向擋水狀態的靜態特征，幾種最不利工況的分析結果如下。

（1）考慮上游校核洪水位33.45m、下游水位26.17m（按無水考慮）、水頭差7.28m工況，該工況為正向擋水最惡劣的工況。閘門上總支反力合力F=10218113N。該工況下，閘門最大變形值為48.997mm，位于近河岸端閘門上游面板底部；最大應力值為204.503MPa，仍然位于閘門底甲板下方各縱隔板（腹板）與上游面板交接之處。支臂三向綜合撓度26.3mm，垂向單向撓度位移20.3mm，為向上彎曲變形。閘墩最大變形值為0.1722mm；最大應力值為8.285MPa（為壓應力）。閘墩向里深度為500mm處，變形值為0.1093mm，應力值為2.537MPa。

（2）當考慮反向擋水最不利工況（閘上水位（拾橋河）26.17m，閘下水位（引江濟漢干渠）31.92m，水頭差-5.75m），此時閘門上總支反力合力F=5774042N。該工況下閘門最大變形值28.23mm，位于近河岸端閘門上游面板底部；最大應力值為132.769MPa，為拉應力，位于閘門截面縱隔板（腹板）底甲板下方腹板與上游面板交接之處。支臂三向綜合撓度14.86mm，垂向單向撓度位移11.31mm，為向下彎曲變形。閘墩最大變形值為0.0949mm；最大應力值為4.511MPa；閘墩向內深度為500mm處，變形值為0.0605mm，應力值為1.393MPa。

計算結果指出，閘門在正向擋水狀態下的最不利工況的結構應力達到200MPa，出現在閘門底甲板下方底緣部位的各縱隔板截面腹板與上游面板交接處。建議適當增加上游斜面板厚度或增設縱隔板翼板，以降低應力集中現象。

4 閘門結構的流激振動特性

由于該閘門結構布置特殊，運行方式與常規閘門有較大區別，除平面內啟閉外，還有門縫過水，下游流態復雜，既要關注起控制性作用的水力學參數，又要關注上下游水位、閘門開度及門內液位多組變化的水力學參數下，閘門運行過程中可能出現的強烈振動問題。

從本質上講，閘門流激振動屬于水彈性振動范疇，在動水作用下的運行符合如下動力方程：

式中：[M]、[C]、[K]分別為質量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；、{D}分別為結點的加速度向量、速度向量和位移向量；{F}為作用在流固接觸界面結點上的動水壓力向量，一般包括{F1}是閘門為靜止狀態時作用在閘門上的水流脈動壓力向量，{F2}是由于閘門振動引起的擾動流場作用在流固界面上的附加荷載。

根據上述結構運動方程，考慮到振動試驗一般在水介質中進行，因此閘門的水彈性模型應當同時滿足幾何尺寸、質量密度、阻尼、彈性模量、水流動力等參數的相似性。根據相似原理，經推導可得如下閘門結構各參數的比尺要求：幾何比尺L_r；質量密度比尺ρ_r=1；彈性模量比尺E_r=L_r；泊松比比尺μ_r=1；阻尼比尺或ξ_r=1。本次試驗采用重金屬粉、高分子材料等進行多組分特種材料研制，并對研制材料進行測試。測試結果表明：選用的水彈性材料的特性基本達到材料密度ρ_m=ρ_p，結構彈模比尺E_r=L_r的要求，此時可以滿足彈性模量和密度需要滿足的條件：C_E/C_gC_ρ=C_l（其中C_E為彈性模量相似常數，C_g為重力相似常數，C_ρ為密度相似常數，C_l為幾何形狀相似常數，其中C_g=1）。

本項試驗的閘門門體及支臂結構采用完全水彈性模型進行制作，并展開動水作用下閘門流激振動特性研究。該模型既滿足水動力學相似，同時滿足結構動力學相似及其流固耦合振動相似，能夠較好的預報閘門結構的流激振動特性。

為了獲取閘門運行過程中的振動特性，在工作閘門的門葉結構和支臂上布置了振動測點，以測量閘門主要部位ρ向（徑向）、θ向（切向）、Z向（豎向）3個方向的振動量，振動數據的處理利用隨機振動理論及其譜分析相結合的方法進行，獲得閘門體振動過程的均方根值和譜特征，揭示閘門振動的振動量級及其頻域能量分布。

4.1 閘門結構振動加速度特征

4.1.1 閘門穩定狀態下的結構振動特征

上游設計水位32.1m，調整門內液位略高于下游水位，此時閘門處于穩定的狀態，其振動加速度均方根值在0.002～0.009m/s²范圍，振動應力均方根值在3～5.6MPa范圍變化，閘門河道側端部脈動壓力均方根值約在0.063～0.077kPa。圖4和圖5分別繪出門內液位下降閘門振動加速度增大趨勢和水流脈動壓力及振動應力時域過程與分析圖。

4.1.2 閘門不穩定狀態下的結構振動特征

閘門流激振動模型試驗結果顯示，隨著閘門軌道處的垂向下壓力下降到某一臨界值時，閘門結構首先出現低頻小幅度的垂向振動。當門內水體進一步減小時，閘門出現低頻大幅度的振蕩，由于門體尾部在門槽內，因此閘門振動時呈現扭轉振動振型。閘門在泄流條件下，隨門內水位的變化閘門結構出現平穩、逐漸起振、較強振動、恢復平穩等過程。

將發生閘門較強振動時段信號作時頻域分析后顯示，閘門較強振動的主能量集中在0.25～0.53Hz低頻區。頻率分布隨時間的變化與峰值出現位置關系密切，一般在峰值前后分布較寬，尤其出現較強振動峰值時頻率分布最寬；以同一低頻段的曲線來看，門體產生較強振動時，閘門振幅隨時間變化而變化。

閘門出現大幅度振動時，一方面對上下游水流造成較大影響，上下游水面波動加??；另一方面，從振動響應來看，閘門發生強振后，對金屬結構部分如閘門結構、軌道、側止水處必將造成嚴重破壞，從而影響工程安全。因此這種振動狀態必須予以避免。

4.2 閘門結構振動量與箱體液位關系

箱體液位與門體導軌處的下壓力、閘門啟閉力和流激振動等參數密切相關，必須兼顧啟閉力控制和閘門振動的相互關系。為獲取閘門結構在不同上下游水位、閘門開度、門內液位條件下的門體振動特征，結合振動位移幅值、均方根值和頻譜參數分析，確定合適的運行區間以及下壓力（門內液位）控制范圍，從而控制閘門結構的振動量。試驗結果指出：若不考慮閘門浮運，水位差控制在0.5m以內時，在上游水位大于30.5m的情況下，尾部振動位移峰峰值范圍：0.111～0.565mm，閘門在導軌處的下壓力為1000kN左右可確保平穩運行；若考慮水位差可能加大，則需適當加大下壓力，比如水位差達到1.0m時，則下壓力需考慮為2000kN；若水位差進一步增加到1.5m及以上時，振動位移量值迅速加大，則下壓力應考慮增加至3000kN或更大。

下壓力200～500kN條件下，按照實際運行條件水位差小于0.6m的情況考慮，閘門端部振動位移均方根較大值0.045mm，尾部振動位移均方根較大值0.278mm；閘門端部振動位移峰峰值較大值0.274mm，尾部振動位移峰峰值較大值1.619mm。

下壓力0～200kN條件下，按照實際運行條件水位差小于0.6m的情況來看，閘門端部振動位移均方根較大值0.074mm，峰峰值0.676mm；尾部振動位移均方根值0.211mm，峰峰值2.004mm。表明在計算下壓力0～200kN時已經有較多工況下發生較強烈振動，在多個水位差條件下并不穩定，且已不是線性變化。圖8和圖9分別繪出了典型振動位移時域過程與譜密度圖以及下壓力變化與閘門振動的關系。

此外閉門過程中上下游水位差可能會逐漸增大，門內液位需要考慮隨上下游水位變化進行實時增加。開門過程中上下游水位差通常逐漸減小，對門內液位不需要特殊考慮，但若水位上漲過快，浮力可能會隨之過大，此時仍需對門內液位進行實時調整增加。

試驗結果顯示：若下壓力控制不當，則會誘發閘門出現較強振動；此外在大水位差情況下也會出現較大振動量。其中出現第一種情況時振動危害最大，易引起閘門強烈振動導致結構破壞。圖10繪出了不同下壓力條件下的閘門振動量隨水位差的變化關系。顯然水位愈大，下壓力愈小，閘門振動量就愈大。

5 結語

通過本項目試驗研究，取得如下結論。

（1）這種大跨度特型閘門的泄流流態具有與其他泄水閘門不同的特點，當水流通過閘門口門時，由于側緣斷面存在折角，水流收縮并聚中，較大落差、下游低水位時閘下出現集中射流狀態，對下游消能防沖不利。發生強振時水面波動又反作用到閘門門體。這種流場與結構的相互作用容易進一步加劇了閘門振動現象。當上下游水位差小于設計值時流態趨于穩定；由于下泄水流屬于門縫輸水，下游水位對下泄水流流態影響較大；由于中部缺口過流的不穩定性，下游容易形成偏流和回流，這不僅與下游布置、閘門端口型式有關，且與上游進流邊界條件有關，而發生偏流和回流一般被視為不利流態，可能引起河岸岸堤、閘室段底板、閘門等不利動水作用。

（2）閘門局部開啟情況下的流速分布顯示，在上游水位、閘門開度一定的情況下，隨著下游水位的減小，流速隨之增大。在下游水位、閘門開度一定的情況下，隨著上游水位的增大，流速一般也隨之加大。本工程設計上下游水位差為0.5m，若干運行工況的實測最大底流速約1.6m/s，閘室底板采用混凝土厚度約1.5～2.5m，渠道部分采用8cm厚C20混凝土護砌、15cm砂石墊層，通常認為混凝土塊護坡能抵抗較大流速的沖刷和波浪的沖擊，其容許流速值多在3～8m/s以上，因此從流速分布考察，水閘底板可滿足抗沖要求，也可不設消力池。

（3）閘門結構動力特性分析成果顯示，閘門結構振動特性隨約束邊界條件不同而變化。其中閘門在自由狀態下一階振動基頻為4.83Hz，考慮水體流固耦合條件下閘門結構模態分析2.43Hz，反映閘門整體彎曲變形振動；考慮支鉸部位約束狀態下閘門一階振動基頻為3.51Hz，反映閘門整體扭轉變形振動?？紤]水體流固耦合條件時振動基頻下降為2.43Hz。流固耦合條件下閘門結構振動模態分析結果顯示，與干模態振型相對應的濕模態值有較大幅度下降：與相同邊界條件下的干模態分析結果相對比，扭轉振型對應的頻率值由3.51Hz下降為2.43Hz，下降幅度達到30%。

（4）閘門結構靜力分析成果指出，正向擋水最不利工況狀態下的結構應力達到200MPa，出現在閘門箱體底甲板下方底緣部位各縱隔板截面腹板與上游面板交接處?？赏ㄟ^適當增加上游斜面板厚度或增設縱隔板翼板，以降低應力集中現象。

（5）閘門流激振動試驗結果指出，閘門運行過程中出現穩定和非穩定強烈振動兩種狀態。當閘門處于穩定的狀態，其振動加速度均方根值范圍0.002～0.009m/s²，振動應力均方根值范圍約在3～5.6MPa，閘門河道側端部脈動壓力均方根值約在0.063～0.077kPa。

隨著門體箱內水位逐漸下降，作用于閘門軌道處垂向壓力降低，在水流動荷載作用下容易誘發閘門結構的振動。當閘門軌道處的垂向下壓力下降到某一臨界值時，閘門首先出現低頻小幅度的上下方向的振動，當門內水體進一步略微減小時，閘門將出現低頻大幅度的扭轉振動。閘門發生較強振動的主能量集中在0.25～0.53Hz的低頻區。

實驗結果顯示，若閘門下壓力控制不當就會出現較強閘門振動；同時大水位差情況下也會出現較大振動量值。而第一種情況危害最大，易引起閘門強烈振動導致結構破壞。當閘門出現大幅度振動時，一方面對上下游水流造成較大影響，上下游水面波動加??；另一方面，閘門強烈振動會對金屬結構部分如閘門結構、軌道、側止水處必將造成嚴重破壞，從而影響工程安全。因此這種振動狀態必須通過門內液位的正確實時調整予以避免。

（6）閘門啟閉力與門體下壓力和閘門運行平穩性密切相關。閘門在局部開啟運行或啟閉過程中，需要合理控制和兼顧上下游水位、箱體液位及閘門運行平穩性。當不考慮浮運、水位差小于0.5m時，在上游水位大于30.5m的情況下，則導軌處門體下壓力為1000kN左右下運行較宜；若水位差加大至1.0m，則下壓力應調整為2000kN；若水位差可能加大到1.5m及以上時，則下壓力應考慮為3000kN或更大，以策安全。此外閉門過程中，上下游水位差可能會逐漸增大，門內液位需要考慮適當增加。開門過程中，上下游水位差通常是逐漸減小的，對門內液位不需要特殊考慮，但如果上漲過快，可能存在浮力過大的情況，仍需對門內液位進行適時調整和增加。