王奎
南水北调中线干线工程建设管理局河北分局 河北石家庄 050035
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。文章分析讨论了闸门振动的定义、类型以及判别标准，重点阐述了闸门振动产生原因，提出了防止闸门振动可采取的措施。
关键词：闸门；振动；流激振动；漏水；底缘型式
1 引言
水工钢闸门(包括门叶、止水、支承等)是一种弹性系统，在水流或其他原因引起的动力作用下，闸门系统中的任一构件的位移或应力产生随时间的往复变化，即闸门的振动现象。
2 闸门振动的判别标准
当闸门振动无法避免或产生后，需要对振动进行判别。可采用原型观测方法，如无共振及结构应力、应变超标准情况，则认为振动可接受，闸门可局部开启;也可采用建立数学和物理模型(水力相似模型)，得到闸门在不同工况下局部开启和连续开启运行时，作用在闸门上的脉动荷载，分析是否在允许范围内。此外金属结构的局部振动应力不大于允许应力的20%。超过允许值应进行动力分析，并采取措施。总之目前尚无统一的判别标准，需要具体工程中综合分析对比判别闸门的振动情况。
3 闸门振动分类
水工钢闸门上大多都存在使闸门产生振动的因素，但布置在流道中的低水头中、小型闸门依然可以继续安全工作的原因是:作用在闸门上的扰动力比较小，闸门本身的质量、刚度和阻尼较大，且该扰动力会逐渐地衰减掉。同时，闸门具有一定的使用寿命和安全裕量。但是当高水头或大孔口闸门存在振动时，则可能产生有害振动(共振或某些类型的自激振动)，将给闸门安全运行带来严重问题，如结构件出现超标准应力、应变、焊缝开裂、联接件松动乃至断裂等。有害振动将导致闸门结构破坏，或者当闸门位于某个开度时振动将严重影响闸门运行。从国内工程实例调查和国外失事工程实例来看，产生有害振动原因，闸门本身结构固然是一因素，但几乎总是和某些不利的水力条件(如淹没出流、门槽空蚀、通气不足等)相联系，当这些水力条件所形成的振源消除或控制后，闸门振动也将消除或减弱。(1)外部原因诱发振动：由于水流波动性，水流中脉动压力引起的闸门振动，但是不包括振动系统内部因素；(2)不稳定原因引起闸门振动：由于不稳定水流引起的诱发力，例如闸门底缘处产生的漩涡以及交变剪切流在闸门底部的交互作用；(3)闸门运动引起的闸门振动(自激振动)：这种振动的引起因素是闸门自身结构运动引发的周期作用力，此种振动随着闸门运动消失而消失。
4 闸门振动常见原因
4.1 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。
4.2 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。
4.3 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。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆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。
5 闸门的防振动措施
(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)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。
(3)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。
(4)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。
(5)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。橡皮止水在时间、阳光照射等影响因素下会产生老化、蠕变和材料变性的现象，从而造成闸门封水不严，引起闸门振动。需要在运行管理中加强维护和及时更换。
(6)平面闸门应注意门槽型式及尺寸选择，避免空蚀。设计时要注意合理选择I型及II型门槽的尺寸。门槽尺寸在满足宽深比(W/D)、错距比(⊿/W)以及埋件安装施工条件前提下尽可能小。对一些高水头、高流速的异形门槽(主要是链轮闸门及高压闸门)必要时进行数值模拟或减压实验。
6 结束语
振动是导致闸门故障最常见的原因，本文对闸门产生振动的原因进行了分析。由于闸门振动的复杂和多样性，现有的理论和研究成果难以保证闸门在任何工况下都不产生有害振动。在水工闸门的设计、制造、安装以及运行管理中，应对闸门具体分析，并从水力学、闸门结构及其他方面采取相应的防止振动措施，避免有害振动的产生。
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论文作者:王奎
论文发表刊物:《防护工程》2018年第9期
论文发表时间:2018/9/3
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