水工闸门振动分析及防振措施

水工闸门振动分析及防振措施

周浩

湖南省水利水电勘测设计研究总院湖南省长沙市410007

摘要：闸门是水利水电工程建筑物的重要组成部分，担负着泄水、调流等重要任务。工程运行中闸门的振动，轻则影响工程使用效果，重则影响工程安全。本文浅析水工闸门振动分析及防振措施。

关键词：闸门；振动；流激振动；漏水；底缘型式

引言

水工闸门结构的振动极其复杂，属于水弹性力学问题。水动力荷载在激励方面有不同方式，而且由于闸门结构不同，闸门结构的振动性质具有多样性。伴随现代信息技术、计算机技术以及数据处理技术和动态信号测量技术的发展，水工闸门的流激振动问题也在一定程度上得到解决。

1振动现象

振动是当弹性体受到外部动力作用时的一种自然现象,它是一种周期运动。在振动理论中,振动现象可分成四种类型,即自由振动、强迫振动、参数振动和自激振动。自由振动是指结构系统受到一次外来冲击力后发生的振动,此后再无外力冲击干扰,其振动特性完全决定于本身构造特点,与外力无关。强迫振动是指结构在外界周期干扰力作用下的振动,其振动特性是由本身特点秘干扰力共同造成。参数振动是指结构中某一参数（如质量、弹性等）发生变化时所引起的振动。自激振动与强迫振动一样,是在外力作用下的振动,但这个外力不是周期性的,而是在结构系统本身的影响下变成周期性的外力,它反过来又引起结构发生振动,这种振动是结构自激产生的,因此称为自激振动。

2闸门振动常见原因

2.1弧形闸门止水漏水

因止水漏水造成的闸门振动，多是因为止水的底座不平或者是止水选型与闸门不适合，不够柔性，有水流在止水和底板座板之间流出。当脉动压力发生在止水上会使止水发生振动，如果漏水量太大，使得闸门顶的水流射出不断拍打门叶梁格，引发闸门振动。当这种情况发生时，应该改进优化工程，保障止水具备优良的密封性。对于材料、止水位置、尺寸进行合理规划和安排，将止水和座板紧密接触，防止闸门漏水之后停止工作而造成振动。

2.2波浪冲击闸门

闸前水位在靠近胸墙周围，较大风浪作用在上游时，会在胸墙底部和弧门露出水面处形成封闭气囊，空气受到压缩导致形成巨大的气囊压力，影响弧门安全，引发振动。为避免这种情况出现，建议在闸门上游装置浪排、防浪栅，安全防护。对于胸墙底部的防护建议安装装置通气管，保障正常泄流，能够有效防止振动。

2.3闸门部件松动产生的振动

当开启或者关闭闸门的时候，水流的惯性将会导致局部压力上升或者下降。如果闸门的开度保持不变，水流流速的改变将会给闸门带来激振，而激振频率会随着闸门开度的变化而变化。闸门的机械部件如液压机支铰、导向轮、弧门支铰及拉杆等，在这些机械部件上应尽量避免发生松动现象，否则机械件在动荷载的作用下极易发生破坏。某工程工作弧门运行时振动严重同时伴随较大噪音，后经检测，支铰轴与轴承未按设计图纸采用过盈配合，存在间隙，导致轴承在水压力变化作用下产生裂纹进而引发闸门运行时的振动和噪音。

2.4平面闸门的底缘型式

平面闸门经常会有水平底缘水力条件达不到要求的问题，加大开启闸门难度，如果出现空蚀更是造成闸门振动的不利因素。建议采取以下措施来弥补防范:在闸门底部注意刀刃形底缘，最佳状态是分别将上游和下游的倾斜角都控制在45°和30°以上，保障泄流底缘流线顺利有效进行的同时阻碍闸门振动形成。

2.5由于水封漏水产生的振动

水封漏水是导致闸门振动最常见原因。

2.5.1底水封

底水封漏水引起的轻微振动，通常引起闸门面板的振动和闸门上游侧小幅度涟漪。严重时将引起闸门大幅度振动并且伴随较大的声响。

2.5.2侧水封

布置在明渠中的闸门侧水封发生漏水，一般不会引起闸门的振动。潜孔闸门在水封连接的位置易产生问题，例如潜孔弧门的水封转角处及平面闸门底侧水封连接处封水效果不佳，常常由于连接处漏水，产生振动。潜孔弧门当门后为淹没或部分淹没状态，如遇水封漏水也易产生振动，特别是侧水封装置在高水头作用下的自激振动频率与闸门本身固有频率接近就会引起闸门较大的振动。

2.5.3顶水封

高速射流冲击顶部水封或者漏水冲击闸门顶部结构将会导致中高水头闸门产生振动。闸门操作过程中，当门楣处水封脱离门楣埋件座板，会产生过流，造成振动。对于潜孔事故闸门，当采用小开度充水平压时，在充水的开度范围内，宜保持顶水封与门楣埋件接触。当上游止水的闸门启门后产生与门楣水封间隙，较窄的漏水间隙会产生射流并造成闸门振动，顶水封装置（橡皮、座板、压板）突出闸门面板平面，受水流的冲击、碰撞产生振动。当顶水封不再与胸墙接触时，水流从门槽上部绕过顶水封流入到闸门下游侧，产生门顶过流，而这部分水流将直接冲击闸门结构，诱发闸门振动。所以闸门采用上游止水，闸门开启的时候应迅速的扩大闸门顶止水和胸墙之间的间隙，以减少射流的冲击。

2.6门槽空蚀引起的闸门振动

平面闸门在高速水流作用下，由于门槽段边界突变，将产生局部压力降，形成空化现象，导致门槽空蚀破坏。如果门槽几何形状（主要是宽深比）选择不合理，门槽内水流产生的负压作用在闸门上，将会引起闸门振动。

2.7补气不足导致闸门振动

在没有充足空气补给的情况下，水流的下面夹带空气流出并且在水流的下面会产生负压。水流的惯性作用将导致压力的变化、水流的波动，这是因为压力降低导致了流经闸门的流量增加，当压力恢复的时候流经闸门的流量又减少了，流量的增加与降低就产生了流量的波动。上述变化将导致闸门产生严重的振动，并且闸门的振动将会传递给与闸门接触的土建结构，对土建结构造成一定的破坏。

3闸门的防振动措施

设计闸门时为避免闸门产生振动可考虑以下措施。（1）闸门底缘结构应按规范要求设计，工作闸门和事故闸门下游倾角应不小于30°；当闸门支承在非水平底槛上时，其夹角可适当增减。当不能满足30°要求时，应采用适当补气措施（如底梁开孔等）。对于部分利用水柱的平面闸门，其上游倾角不应小于45°，宜采用60°。闸门底主梁不宜过低。对于高水头、高流速的情况下可考虑将闸门的底部主梁结构（上游侧及下游侧）设计成封闭结构，形成平滑的过流面，以改善水流流态。（2）合理选择止水型式，控制闸门的漏水量、防止射流，保证止水橡皮的质量。对于在明渠中及中等水头闸门，底水封应该为矩形，由适当硬度（邵氏A型60±5）的橡胶压制而成。对于高水头闸门，邵氏硬度在75～80更合适。中、高水头闸门，水封橡皮伸出量在保证止水效果前提下不宜超过闸门面板底缘5mm。高水头闸门特别是弧形闸门应设置防射水水封，水封装置要能适应弧门受水压力产生的弹性变形（主要为向支铰中心的压缩变形），保证弧门在挡水、启闭过程中不产生射流。（3）淹没出流时尽量将门后涡流尾迹推到远离闸门下游的位置，这样做可以获得比较稳定的水流条件，避免涡流对闸门的影响。一般来说，弧门应推出固定铰（含支撑钢梁）以外，平面闸门应推出门槽二期混凝土范围以外。（4）潜孔闸门（包括工作闸门、事故闸门和检修闸门）要重视通气孔的设计，通气孔在泄水时向流道内补气、充水时向外排气是减轻闸门振动及气蚀的重要措施，如门后不能充分通气时，应在紧靠闸门下游处顶部设置通气孔。通气孔的布置要保证通气顺畅；出口要设置防护格栅以防人员受气流吸力的伤害；通气量要足够，通气孔面积应按闸门设计规范的要求设置。（5）泄水的工作闸门门后宜为明流，闸门及启闭设备工作可靠。当采用遂洞方案时，若遂洞出口受地质或下游水位条件限制，则可以布置在隧洞中部或进口处，但保持门后为明流。否则，在闸门开启过程中，将形成无压流与有压流无序交替的不良流态。

结语

目前，国内的水工闸门已经接近或已经超过折旧年限，这意味着各大闸门存在严重的安全隐患。因此，除了上述情况外，还需要对闸门进行安全隐患排查检测。水工闸门在整个水工建筑物中起着举足轻重的作用，而不同闸门在开启、关闭时都会产生不同程度的振动情况。

参考文献

[1]潘锦江.闸门振动问题探讨[J].水利水电看见进展，2017，21(6):21-39.

[2]阎诗武.泄水工程力学[M].长春:吉林科学技术出版社，2017，165-217.