大跨度对拉式闸门水力学及流激振动特性研究

孙国荣

湖北省水利水电规划勘测设计院，武汉 519000

别大鹏

湖北省水利水电规划勘测设计院，武汉 519000

严根华

南京水利科学研究院，南京 210029

1 研究背景

本文以南水北调中线一期引江济汉工程拾桥河枢纽为依托，研究大型对拉式闸门的水力学、静动力特性及流激振动响应特性。该枢纽工程由拾桥河上、下游泄洪闸，拾桥河倒虹吸，拾桥河左岸节制闸组成。其中上下游泄洪闸、倒虹吸横穿引江干渠，担负拾桥河河水泄洪任务；节制闸担负着分段节制水位的作用，还应满足通航要求。渠道设计引水流量350m³/s，最大引水流量500m³/s。闸室按双向挡水要求设计。节制闸（兼通航孔）孔口净宽60.0m，采用平面弧形双开工作闸门挡水，弧门各自绕支铰在水平面内转动。单扇弧门面板外缘半径为45m，弧门外侧面板总弧长40m，门高8.9m。门库为扇形，对称布置在闸室两端。通航时闸门转动至门库内，防洪或河道检修时才启用闸门挡水。采用绳鼓式卷扬启闭机操作闸门。根据本工程闸门启闭的特点，平面弧门启闭采用固定卷扬式启闭机，启闭机的启闭容量为800kN。

平面弧形双开门结构是一种新门型。本工程设计特点有：①闸门结构需要进行双向挡水，支臂、支铰结构双向受力；②针对不同防洪/退洪工况启用闭门/启门工况，运行条件复杂；③联合考虑设备舱布置且针对舱内充排水时水流运动平稳性设计了调节水舱；④采用大容量卷扬机对闸门进行启闭操作。该门跨度达60.0 m，系大型对开式门型，结构刚度相对较弱，支臂的动力稳定值得关注。各种运行工况下结构受力条件复杂，特别是该闸门开启及局部开启运行状态水力参数变化较大，水流流态复杂，水流对闸门结构动力作用复杂多变，闸门振动和支臂动力稳定性问题突出。因此需要通过闸门水力学、水弹性振动模型试验研究，论证闸门作局部开启运行及启闭过程中的安全性和可靠性，并提出闸门优化布置及合理的闸门运行操作调度方案。此外，通过水力学试验，研究论证闸下消能防冲的安全性，完善水闸工程设计。

2 闸门水动力特性

对拉式闸门的泄流特征有别于常规平面闸门或上翻式弧形闸门的闸下出流，属于中间缺口溢流，其水动力特性有其自身特点。

2.1 水流流态特征

当水流通过闸门口门时，因端部侧缘断面存在折角，端部面板处形成的侧收缩对流态有一定影响，水流收缩并聚中，主流上部直接射入下游。闸门全开、两孔闸门位于门库内，过流流量500m³/s时，流经闸室段的水流表面较平静；闸门关闭过程中流经闸室段的水流表面波动逐渐加大。当闸门关闭至较小开度、下游水位较高时出流水股形成一定的横向扩散，易产生偏流和折冲水流；若下游水流较低时，则水流直接冲过消力池流向下游。当闸门内液位降低而发生振动状态时，闸门门体及支臂在水体中发生上下方向扭转振动，对上、下游流态造成较大影响，水面波动加剧。发生强振时的水面波动又反作用到闸门门体，这种流场与结构的相互作用易进一步加剧闸门振动现象。

2.2 流速分布

闸门全开、泄流量Q为350m³/s和500m³/s不同流量条件下的下游侧流速分布具特征为：①闸门下游流速分布与流态关系紧密，闸门全开时渠道过流水面存在一定的波动，沿程变化较缓。②随着流量的增大流速加大。流量一定，流速随着下游水深减小而增大。③下游河道底流速大小和分布的均匀性不仅与设计采用的消能措施有关，且与泄流量和下游水位有关。若在下游水位尚未壅高的情况下开始启门泄流，此时水体较浅，如果泄量大，流速也随之增大，泄水建筑物亦遭受冲刷失稳；若下游河道未加保护，将遭受冲刷。因此闸门开启运行需与下游水位相匹配，在满足泄流量要求的同时需兼顾下游河道的涨、落水位。④离口门较远断面流速中部略大，左右两侧分布较为匀称；离口门区最近的下游断面，流速左右两侧分布略欠匀称，其原因与进出口地形有关，但闸后水流仍能顺应下游河道地形顺畅地流入下游。

根据设计要求，当水位高于30.5m后闸门将进行启闭操作，上下游水位差较小（&lt；0.5m）。由于门缝输水，下游水位对下泄水流流态影响较大，出流在下游河道存在聚中现象且不稳定性；下游易形成偏流和回流，这不仅与端口型式有关，也与上游进流边界条件有关。发生偏流和回流一般被视为不利流态，可能引起河岸岸堤、闸室段底板、闸门等不利动水作用。试验采用如下几个主要指标评判整流防冲效果的优劣：①能反映最大冲刷深度的过流断面最大底流速；②近岸最大底流速，该指标与二岸抗冲稳定关系密切；③底流速大于河床抗冲流速的测点数百分比，预示冲坑范围大小；④表示底流速分布均匀性的标准差；⑤满足抗冲流速的最大闸门开度或泄流量等。由于本工程具有门缝过流的特点，流速在下游沿河道宽度方向存在不均匀性，同时由于回流作用会引起流速、流向的变化，因此模型试验并未局限在水位差&lt；0.5m范围内，主要选取了以下参数进行比较：①过流断面底流速最大值；②近岸侧的底流速最大值；③表示底流速分布均匀性的标准差等。以上几个指标中核心内容是底流速分布的均匀性，主要考虑底流速分布标准差以及最大底流速值。均匀程度指标用方差表示，最大值、平均值、方差的计算表达式见公式（1）。流速均匀性好也表明该方案消能防冲的效果较好，在此基础上结合其他指标共同比较与判断。

为考查水闸下游流速分布，在桩号28+394m和28+371m处测量了河道中部的流速值。重点考察了上游32.84～31.92m不同水位差、闸门开度分别为1～8m时下游典型断面处流速最大值及反映全断面流速分布均匀性的流速标准差。图1给出了典型断面处流速特征值。数据显示，在上下游水位一定的情况下，随着闸门开度的增大，桩号28+394m处断面上的流速最大值多数是随之变大。在上游水位、闸门开度一定的情况下，随着下游水位的减小，流速随之增大；在下游水位、闸门开度一定的情况下，随着上游水位的增大，流速也随之加大。

工程设计闸门上下游水位差控制值为0.5m，不同工况实测最大底流速为1.6m/s。闸室底板采用混凝土厚度1.5～2.5m，渠道部分采用8cm厚C20混凝土护砌、15cm砂石垫层。通常认为混凝土块护坡能抵抗较大流速的冲刷和波浪的冲击，其容许流速值一般在3～8m/s以上，因此从抗冲流速角度考查，水闸底板结构可以满足消能抗冲要求。

近岸侧流速值涉及岸坡稳定问题。试验结果显示，近岸侧流速值一般小于全断面上的最大值，但在偏流严重的情况下可能是全断面的最大值。本工程近岸侧岸坡闸室部分采用直立混凝土翼墙，渠道部分采用10cm厚C20混凝土护砌、15cm砂石垫层，其抗冲流速值一般较大，因此亦能满足抗冲要求。从水力学角度出发，由于偏流的存在将可能导致下游边坡的冲刷，因此闸门应对称、逐步分级开启，控制上下游水位差，保持一定下游水深。防止水位大起大落带来新的问题。严格控制始流条件下的运行区间，避免出现不稳定水流运动引起门体振动和冲刷。

关于消力池设置问题。从取消或设置消力池的流速分布显示，闸门局部开启运行条件下，设置消力池后，相应在横断面上的流速分布有一定程度的均化（见图2），最大值有所减小，尤其是在下游水位较低、水位差较大时较为有利。当闸门全开运行时，设与不设消力池对于下游流速的分布几乎没有差别。因此当流速值不超过抗冲流速条件时可不设消力池。

3 闸门结构静动力特性的三维有限元分析

闸门结构的静动力特性研究主要考查结构在水动力荷载作用下的静态和动力特性，为闸门结构的静动力设计合理性判断提供依据。

3.1 有限元分析模型

拾桥河枢纽工作闸门箱型面板、直支臂和球铰结构，其有限元结构模型绘于图3。模型包括2708个面元和5161条线元，共有14947个shell63单元，4664个beam189单元，211个beam4单元，5520个solid95单元，计32168个节点，模型总自由度数为149130个。

3.2 闸门结构的静力特征

该水闸具有双向受力特征。通过考虑支铰闸墩部位的闸门结构应力与位移分析，取得了闸门在正向和反向挡水状态的静态特征，几种最不利工况的分析结果如下。

（1）考虑上游校核洪水位33.45m、下游水位26.17m（按无水考虑）、水头差7.28m工况，该工况为正向挡水最恶劣的工况。闸门上总支反力合力F=10218113N。该工况下，闸门最大变形值为48.997mm，位于近河岸端闸门上游面板底部；最大应力值为204.503MPa，仍然位于闸门底甲板下方各纵隔板（腹板）与上游面板交接之处。支臂三向综合挠度26.3mm，垂向单向挠度位移20.3mm，为向上弯曲变形。闸墩最大变形值为0.1722mm；最大应力值为8.285MPa（为压应力）。闸墩向里深度为500mm处，变形值为0.1093mm，应力值为2.537MPa。

（2）当考虑反向挡水最不利工况（闸上水位（拾桥河）26.17m，闸下水位（引江济汉干渠）31.92m，水头差-5.75m），此时闸门上总支反力合力F=5774042N。该工况下闸门最大变形值28.23mm，位于近河岸端闸门上游面板底部；最大应力值为132.769MPa，为拉应力，位于闸门截面纵隔板（腹板）底甲板下方腹板与上游面板交接之处。支臂三向综合挠度14.86mm，垂向单向挠度位移11.31mm，为向下弯曲变形。闸墩最大变形值为0.0949mm；最大应力值为4.511MPa；闸墩向内深度为500mm处，变形值为0.0605mm，应力值为1.393MPa。

计算结果指出，闸门在正向挡水状态下的最不利工况的结构应力达到200MPa，出现在闸门底甲板下方底缘部位的各纵隔板截面腹板与上游面板交接处。建议适当增加上游斜面板厚度或增设纵隔板翼板，以降低应力集中现象。

4 闸门结构的流激振动特性

由于该闸门结构布置特殊，运行方式与常规闸门有较大区别，除平面内启闭外，还有门缝过水，下游流态复杂，既要关注起控制性作用的水力学参数，又要关注上下游水位、闸门开度及门内液位多组变化的水力学参数下，闸门运行过程中可能出现的强烈振动问题。

从本质上讲，闸门流激振动属于水弹性振动范畴，在动水作用下的运行符合如下动力方程：

式中：[M]、[C]、[K]分别为质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；、{D}分别为结点的加速度向量、速度向量和位移向量；{F}为作用在流固接触界面结点上的动水压力向量，一般包括{F1}是闸门为静止状态时作用在闸门上的水流脉动压力向量，{F2}是由于闸门振动引起的扰动流场作用在流固界面上的附加荷载。

根据上述结构运动方程，考虑到振动试验一般在水介质中进行，因此闸门的水弹性模型应当同时满足几何尺寸、质量密度、阻尼、弹性模量、水流动力等参数的相似性。根据相似原理，经推导可得如下闸门结构各参数的比尺要求：几何比尺L_r；质量密度比尺ρ_r=1；弹性模量比尺E_r=L_r；泊松比比尺μ_r=1；阻尼比尺或ξ_r=1。本次试验采用重金属粉、高分子材料等进行多组分特种材料研制，并对研制材料进行测试。测试结果表明：选用的水弹性材料的特性基本达到材料密度ρ_m=ρ_p，结构弹模比尺E_r=L_r的要求，此时可以满足弹性模量和密度需要满足的条件：C_E/C_gC_ρ=C_l（其中C_E为弹性模量相似常数，C_g为重力相似常数，C_ρ为密度相似常数，C_l为几何形状相似常数，其中C_g=1）。

本项试验的闸门门体及支臂结构采用完全水弹性模型进行制作，并展开动水作用下闸门流激振动特性研究。该模型既满足水动力学相似，同时满足结构动力学相似及其流固耦合振动相似，能够较好的预报闸门结构的流激振动特性。

为了获取闸门运行过程中的振动特性，在工作闸门的门叶结构和支臂上布置了振动测点，以测量闸门主要部位ρ向（径向）、θ向（切向）、Z向（竖向）3个方向的振动量，振动数据的处理利用随机振动理论及其谱分析相结合的方法进行，获得闸门体振动过程的均方根值和谱特征，揭示闸门振动的振动量级及其频域能量分布。

4.1 闸门结构振动加速度特征

4.1.1 闸门稳定状态下的结构振动特征

上游设计水位32.1m，调整门内液位略高于下游水位，此时闸门处于稳定的状态，其振动加速度均方根值在0.002～0.009m/s²范围，振动应力均方根值在3～5.6MPa范围变化，闸门河道侧端部脉动压力均方根值约在0.063～0.077kPa。图4和图5分别绘出门内液位下降闸门振动加速度增大趋势和水流脉动压力及振动应力时域过程与分析图。

4.1.2 闸门不稳定状态下的结构振动特征

闸门流激振动模型试验结果显示，随着闸门轨道处的垂向下压力下降到某一临界值时，闸门结构首先出现低频小幅度的垂向振动。当门内水体进一步减小时，闸门出现低频大幅度的振荡，由于门体尾部在门槽内，因此闸门振动时呈现扭转振动振型。闸门在泄流条件下，随门内水位的变化闸门结构出现平稳、逐渐起振、较强振动、恢复平稳等过程。

将发生闸门较强振动时段信号作时频域分析后显示，闸门较强振动的主能量集中在0.25～0.53Hz低频区。频率分布随时间的变化与峰值出现位置关系密切，一般在峰值前后分布较宽，尤其出现较强振动峰值时频率分布最宽；以同一低频段的曲线来看，门体产生较强振动时，闸门振幅随时间变化而变化。

闸门出现大幅度振动时，一方面对上下游水流造成较大影响，上下游水面波动加剧；另一方面，从振动响应来看，闸门发生强振后，对金属结构部分如闸门结构、轨道、侧止水处必将造成严重破坏，从而影响工程安全。因此这种振动状态必须予以避免。

4.2 闸门结构振动量与箱体液位关系

箱体液位与门体导轨处的下压力、闸门启闭力和流激振动等参数密切相关，必须兼顾启闭力控制和闸门振动的相互关系。为获取闸门结构在不同上下游水位、闸门开度、门内液位条件下的门体振动特征，结合振动位移幅值、均方根值和频谱参数分析，确定合适的运行区间以及下压力（门内液位）控制范围，从而控制闸门结构的振动量。试验结果指出：若不考虑闸门浮运，水位差控制在0.5m以内时，在上游水位大于30.5m的情况下，尾部振动位移峰峰值范围：0.111～0.565mm，闸门在导轨处的下压力为1000kN左右可确保平稳运行；若考虑水位差可能加大，则需适当加大下压力，比如水位差达到1.0m时，则下压力需考虑为2000kN；若水位差进一步增加到1.5m及以上时，振动位移量值迅速加大，则下压力应考虑增加至3000kN或更大。

下压力200～500kN条件下，按照实际运行条件水位差小于0.6m的情况考虑，闸门端部振动位移均方根较大值0.045mm，尾部振动位移均方根较大值0.278mm；闸门端部振动位移峰峰值较大值0.274mm，尾部振动位移峰峰值较大值1.619mm。

下压力0～200kN条件下，按照实际运行条件水位差小于0.6m的情况来看，闸门端部振动位移均方根较大值0.074mm，峰峰值0.676mm；尾部振动位移均方根值0.211mm，峰峰值2.004mm。表明在计算下压力0～200kN时已经有较多工况下发生较强烈振动，在多个水位差条件下并不稳定，且已不是线性变化。图8和图9分别绘出了典型振动位移时域过程与谱密度图以及下压力变化与闸门振动的关系。

此外闭门过程中上下游水位差可能会逐渐增大，门内液位需要考虑随上下游水位变化进行实时增加。开门过程中上下游水位差通常逐渐减小，对门内液位不需要特殊考虑，但若水位上涨过快，浮力可能会随之过大，此时仍需对门内液位进行实时调整增加。

试验结果显示：若下压力控制不当，则会诱发闸门出现较强振动；此外在大水位差情况下也会出现较大振动量。其中出现第一种情况时振动危害最大，易引起闸门强烈振动导致结构破坏。图10绘出了不同下压力条件下的闸门振动量随水位差的变化关系。显然水位愈大，下压力愈小，闸门振动量就愈大。

5 结语

通过本项目试验研究，取得如下结论。

（1）这种大跨度特型闸门的泄流流态具有与其他泄水闸门不同的特点，当水流通过闸门口门时，由于侧缘断面存在折角，水流收缩并聚中，较大落差、下游低水位时闸下出现集中射流状态，对下游消能防冲不利。发生强振时水面波动又反作用到闸门门体。这种流场与结构的相互作用容易进一步加剧了闸门振动现象。当上下游水位差小于设计值时流态趋于稳定；由于下泄水流属于门缝输水，下游水位对下泄水流流态影响较大；由于中部缺口过流的不稳定性，下游容易形成偏流和回流，这不仅与下游布置、闸门端口型式有关，且与上游进流边界条件有关，而发生偏流和回流一般被视为不利流态，可能引起河岸岸堤、闸室段底板、闸门等不利动水作用。

（2）闸门局部开启情况下的流速分布显示，在上游水位、闸门开度一定的情况下，随着下游水位的减小，流速随之增大。在下游水位、闸门开度一定的情况下，随着上游水位的增大，流速一般也随之加大。本工程设计上下游水位差为0.5m，若干运行工况的实测最大底流速约1.6m/s，闸室底板采用混凝土厚度约1.5～2.5m，渠道部分采用8cm厚C20混凝土护砌、15cm砂石垫层，通常认为混凝土块护坡能抵抗较大流速的冲刷和波浪的冲击，其容许流速值多在3～8m/s以上，因此从流速分布考察，水闸底板可满足抗冲要求，也可不设消力池。

（3）闸门结构动力特性分析成果显示，闸门结构振动特性随约束边界条件不同而变化。其中闸门在自由状态下一阶振动基频为4.83Hz，考虑水体流固耦合条件下闸门结构模态分析2.43Hz，反映闸门整体弯曲变形振动；考虑支铰部位约束状态下闸门一阶振动基频为3.51Hz，反映闸门整体扭转变形振动。考虑水体流固耦合条件时振动基频下降为2.43Hz。流固耦合条件下闸门结构振动模态分析结果显示，与干模态振型相对应的湿模态值有较大幅度下降：与相同边界条件下的干模态分析结果相对比，扭转振型对应的频率值由3.51Hz下降为2.43Hz，下降幅度达到30%。

（4）闸门结构静力分析成果指出，正向挡水最不利工况状态下的结构应力达到200MPa，出现在闸门箱体底甲板下方底缘部位各纵隔板截面腹板与上游面板交接处。可通过适当增加上游斜面板厚度或增设纵隔板翼板，以降低应力集中现象。

（5）闸门流激振动试验结果指出，闸门运行过程中出现稳定和非稳定强烈振动两种状态。当闸门处于稳定的状态，其振动加速度均方根值范围0.002～0.009m/s²，振动应力均方根值范围约在3～5.6MPa，闸门河道侧端部脉动压力均方根值约在0.063～0.077kPa。

随着门体箱内水位逐渐下降，作用于闸门轨道处垂向压力降低，在水流动荷载作用下容易诱发闸门结构的振动。当闸门轨道处的垂向下压力下降到某一临界值时，闸门首先出现低频小幅度的上下方向的振动，当门内水体进一步略微减小时，闸门将出现低频大幅度的扭转振动。闸门发生较强振动的主能量集中在0.25～0.53Hz的低频区。

实验结果显示，若闸门下压力控制不当就会出现较强闸门振动；同时大水位差情况下也会出现较大振动量值。而第一种情况危害最大，易引起闸门强烈振动导致结构破坏。当闸门出现大幅度振动时，一方面对上下游水流造成较大影响，上下游水面波动加剧；另一方面，闸门强烈振动会对金属结构部分如闸门结构、轨道、侧止水处必将造成严重破坏，从而影响工程安全。因此这种振动状态必须通过门内液位的正确实时调整予以避免。

（6）闸门启闭力与门体下压力和闸门运行平稳性密切相关。闸门在局部开启运行或启闭过程中，需要合理控制和兼顾上下游水位、箱体液位及闸门运行平稳性。当不考虑浮运、水位差小于0.5m时，在上游水位大于30.5m的情况下，则导轨处门体下压力为1000kN左右下运行较宜；若水位差加大至1.0m，则下压力应调整为2000kN；若水位差可能加大到1.5m及以上时，则下压力应考虑为3000kN或更大，以策安全。此外闭门过程中，上下游水位差可能会逐渐增大，门内液位需要考虑适当增加。开门过程中，上下游水位差通常是逐渐减小的，对门内液位不需要特殊考虑，但如果上涨过快，可能存在浮力过大的情况，仍需对门内液位进行适时调整和增加。