水工钢闸门振动破坏分析及对策
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也是一个追求完美的过程。 而恢宏壮丽、 美观大方又是水 利工程设计中自始至终遵循的重要原则。因此在改扩建
工程的选型上必须按照“ 兼顾、 创新、 协调” 的方针设计。 兼顾” 就是要参照改造部分的型式， 创新” “ 是指在兼顾 方式求得 (试验值乘以大于 1 的系数) ， 在没有条件做试 “ 改造部分的基础上进行开拓性思维; “ 协调”则是通过合 验的地区， 可根 施工经验进行估算。 四、 合理选择建筑物型式 理选型让两者有机的结合起来， 作到在整体结构上协调
( 1)结构安全可靠， 能在规定的工况下正常工作。 满 量， 加强门叶和支臂的结构， 采用高强度材料等。
(3) 止水装置严密， 其漏水量及由 漏水而产生的 其
它不良 现象均应在容许范围之内。 完成一套性能优良的闸门并非易事， 笔者从最易引 起闸门事故的振动破坏人手， 分析振动产生的原因和经 过， 并提出相应处理措施。 2. 闸门振动破坏的原因分析和处理措施 水工钢闸门的结构设计一般以静力设计为准则， 然 后简单考虑一个动力系数。事实证明， 满足静力要求的 结构， 往往难以满足动力要求，闸门往往因强烈振动而 失事。闸门振动需通过两方面来解决， 一是改善闸门进 流、出流条件， 消除不利流态的生成及对闸门的水动力 荷载。二是优化闸门结构， 增强抗振动能力。 2. 1 泄水建筑物的总体布置 2. 1. 1 泄水建筑物的总体布置应尽量使闸门段上下 游水流平顺， 过水断面流速分布均匀。 门前横向水流、 折 冲水流和急转弯水流均能产生强烈振动。 闸门在强烈的 水动力荷载作用下产生剧烈振动， 导致门叶焊接件和零 部件连接松动 ， 材料疲劳破坏 ， 或使支臂因动力失稳而
立。在沉降缝中可以用一些柔性散材料作为填充料。其 次， 在改扩建两者结合处， 原建筑物有凸出的地方预置 沉降量，预置沉降量值应根据当地情况应用模拟试验的
闸门 破坏了 过水建筑物内 水流的连续性， 会引起水
流流态紊乱， 流速分布不均， 压力分布不平衡。 这些因素 又导致闸门发生振动。首先， 闸门临水面要采用流线型 设计， 以减少对水流的扰动。 底缘形式应符合规范要求， 并尽量避免利用门顶水柱下门。 再者，闸门设有充水阀或闸门有小开度充水要求 时， 充水区的空气受到水体的急剧挤压， 易引起部门系 统的振动。 此时应加大通气孔面积， 或减少充水流量， 延 长充水时间。 2. 3 闸门的结构设计 结构设计时应充分了解闸门运行工作状况。 对于可 能发生有无法量化估计的荷载，如动水作用力和振动 等， 在设计中应充分考虑并适当加大安全系数。 门叶结构的整体刚度在现行设计规范中无明文规 定， 整体刚度无法衡量， 设计时只能进行强度验算。当水 荷载作用时门叶变形过大，止水漏水亦会引起强烈振 动， 故设计中应特别注意加大整体刚度。 支臂是弧门的重要构件之一 ，它承受压力和弯距 ，
泵站的改扩建工程建设既是一个改旧建新的过程 ， 统一， 外观上美观大 。叮乍 者单位 :省交口抽渭管理局)
S "W"R-' 200 ， 科技专 辑
ml 曲披水库溢洪道加 11 工程 0 水工 11 门的 imit 0 n
口Leabharlann Baidu \ 方卫红
选择了仅在 89m 长的侧堰上加闸， 即在侧堰上加设进水 闸 7 孔， 每孔溢流宽 10. 5m, 溢流堰堰顶高程较原堰顶降 即进水闸底板高程为 783. 5m， 同时该高程也是 流量6686 万耐， 水库枢纽工程由 拦河大坝、 溢洪道， 高、 低 0. 5m， 经加闸后， 设计泄洪流 低放水洞等四部分组成。大坝为均质土坝， 坝高61m， 工作闸门和检修闸门的底槛高程。 坝 顶高程 792m， 正常挡水位 784ma 量 1454m' / s ， 校核泄洪流量 22 18M S. 3/ 桃曲坡水库溢洪道加闸工程 ，是以抬高水库正常挡 2. 闸门形式选择及结构设计原则 水位的方法， 达到提高防洪能力、 提高城市供水及农业灌 由于平面钢闸门具有结构简单， 安装方便， 闸室短的 溉保证率的目的。 本工程金属结构设有工作闸门 7 扇， 优点，本工程的工作闸门和检修闸门的形式选用平板闸 检 修闸门 1 扇， 固定卷扬式启闭机 7 台， 双吊点电动葫芦 1 门。 结构设计原则以门体结构体系分解为若干个平面结 台， 总用钢量 203t. 构来分析内力， 然后分别独立地验算各结构的强度 、 刚度 ， 闸门孔口布置 . 桃曲坡水库溢洪道位于大坝右侧，溢洪道由溢流正 和稳定性等。 堰、 侧堰和陡坡组成 溢流正、 侧堰两部分呈“ C'型， 侧堰 3. 工作闸门设计 闸门孔 口为开敞式 ， 尺寸为 10. 5m x 5. Om， 底槛高 长 89m， 正堰长 15m,, 溢流堰体为修圆梯形断面， 堰顶宽 2m, 堰顶高程 784m。设i 十 泄洪流量 1350m' / s , 校核泄洪 程 783. 5m， 设计挡水位高程788. 5m。 该门运用方式为动 门型选用钢质平板定轮式， 5. 5m。 门高 根据水库 流量2660m' / s。 溢流堰若采取正、 侧堰同时加闸的方法， 水启闭， 垂直闸门方向风的吹程短 ， 形不成较大风浪， 则在正、 堰连接部位建筑物较难布置， 侧 泄流时也将会 地形条件， 形成槽内水流强烈扰动， 认而影响下泄流量。 因此本工程 故该门荷载计算中只考虑静水压力 13250 .
受力情况较集中。在支臂计算中， 如何正确计算长细比， 如何确定应力状态，长期无定论 ，教材和规范中也未讲 透， 所以其计算结果和实际情况往往有较大偏离。当出 现动水作用时，强烈的振动，过大的不均匀变形和破坏 往往从支臂反映出来。因此支臂设计应引起足够重视， 详细验算平面内和平面外的稳定性。 陕西水利’ 1 科技专辑 200
破坏。 2. 1. 2 总体布置时， 应结合水工模型试验， 尽量避免 上流进口 处出现吸气贯通式立轴旋涡， 避免下游出口处 出现回流、 明满流交替水流， 特别是淹没式水跃等引起 闸门振动的不利流态。 最理想的布置应该是闸门段上游 在各种工况下保持沿程正压 ， 下游保持明流。 大型立轴旋涡能在泄水道产生压缩空气囊 ，压缩空 气囊引起的气爆能产生强大的瞬时冲击力， 引起闸门和 支臂强烈振动。改善措施主要是设置防涡栅， 加大通气 2. 1. 3 避免闸门使用过程中门顶和门底同时泄水。 同时泄水易使水流和门叶易构成一个自 激振动体系， 造 成门叶剧烈振动。 2. 2 闸门段水力设计
水 工钢 n 门振动破抓 分析及对策
口文 坟U 致亭
， 前言 . 闸门是水工建筑物中用来调节、 控制水流大小的主 要设备。 闸(阀)工作的好坏将直接影响到水工建筑物的 运行和效益。随着我国水利水电建设事业的不断发展， 各种大坝陆续兴建。 低水头溢流坝的闸门挡水面积愈易 加大， 高水头大坝闸门的工作水头也不断增加。大量的 工作闸门需要满足各种开度的局部开启要求 ， 这对闸门 的安全运行提出了更高的标准。 一套良好的水工钢闸门， 应具备下列各项功能: 足局部开启要求 ，泄水能力大， 无严重空蚀 ， 无强烈振 动。 (2) 启闭操作灵活方便， 能及时开放或关闭过水孔 道。
桃曲坡水库位于渭北石川河支流沮河下游，坝址距 耀县县城西北 15km。 控制流域面积 830km2， 多年平均径
交替， 会对门叶造成很大的冲击力。运行调度中应尽快 使门叶脱离出现剧烈振动状况 . 应重视局部开启工作情 况， 掌握闸门振动较大的最不利开度， 并避免出现。多孔 闸门采用各孔开度不同组合而达到一定泄量。单孔水闸 可采用间断泄水以避开不利开度。 3 水工钢闸门设计方法的发展和方向 前面讲过，水工钢结构一直沿用容许应力法。容许 2. 4 零部件设计 闸门运行过程中，有许多零件常年处于微小晃动 应力法计算简便，可以满足一般要求，而它的缺点是不 若一个 中， 虽然实际应力很小， 日 但 久会因疲劳而破坏。所以在 能保证各种工作情况下结构具有一定的可靠度。 钢结构设计中应推广采用新型连接方法， 如二氧化碳保 结构的恒载对活载的比值高， 则计算的可靠度高， 反之 有许多不可预见的活载存在， 使可 护焊、 电渣焊等。推广使用高强度螺栓连接方法， 这种连 则低。而闸门运行时， 接方法由于螺栓拧紧后有很大的预拉力， 使被连接板件 靠度降低。 之间产生巨大摩擦力来传递外力， 克服了焊接结构的焊 水工钢闸门的结构计算， 通常是将空间结构简化成 接应力和焊接变形， 而且承受动荷载的性能也比较好。 若干个平面结构， 如以梁、 柱、 板、 刚架来计算， 而没有考 其设计富裕度过大。 在闸门零部件设计中， 底止水形式对于减少水压波 虑结构的整体性， 动和门叶振动也非常重要。底止水采用刚度较大的条形 从事水工钢闸门设计的水利工作者， 应探讨采用按 橡皮带， 因条形止水能够在底止水部位建立固定的水流 空间结构计算的方法，即将整个闸门当作一个薄臂梁来 考虑，这样就能较真实地反映整个闸门工作的受力状 控制点， 而减少振动。 况， 并积极采用三维有限单元分析， 及以概率为基础的 2. 5 闸门的运行管理 振动和响声是闸门管理运行中应特别引起注意的 极限状态设计法和计算机辅助设计等先进手段。圈 两种情况。当下游水位较高，易出现淹没水跃和明满流 (作者单位: 省水电工程局)
工程的选型上必须按照“ 兼顾、 创新、 协调” 的方针设计。 兼顾” 就是要参照改造部分的型式， 创新” “ 是指在兼顾 方式求得 (试验值乘以大于 1 的系数) ， 在没有条件做试 “ 改造部分的基础上进行开拓性思维; “ 协调”则是通过合 验的地区， 可根 施工经验进行估算。 四、 合理选择建筑物型式 理选型让两者有机的结合起来， 作到在整体结构上协调
( 1)结构安全可靠， 能在规定的工况下正常工作。 满 量， 加强门叶和支臂的结构， 采用高强度材料等。
(3) 止水装置严密， 其漏水量及由 漏水而产生的 其
它不良 现象均应在容许范围之内。 完成一套性能优良的闸门并非易事， 笔者从最易引 起闸门事故的振动破坏人手， 分析振动产生的原因和经 过， 并提出相应处理措施。 2. 闸门振动破坏的原因分析和处理措施 水工钢闸门的结构设计一般以静力设计为准则， 然 后简单考虑一个动力系数。事实证明， 满足静力要求的 结构， 往往难以满足动力要求，闸门往往因强烈振动而 失事。闸门振动需通过两方面来解决， 一是改善闸门进 流、出流条件， 消除不利流态的生成及对闸门的水动力 荷载。二是优化闸门结构， 增强抗振动能力。 2. 1 泄水建筑物的总体布置 2. 1. 1 泄水建筑物的总体布置应尽量使闸门段上下 游水流平顺， 过水断面流速分布均匀。 门前横向水流、 折 冲水流和急转弯水流均能产生强烈振动。 闸门在强烈的 水动力荷载作用下产生剧烈振动， 导致门叶焊接件和零 部件连接松动 ， 材料疲劳破坏 ， 或使支臂因动力失稳而
立。在沉降缝中可以用一些柔性散材料作为填充料。其 次， 在改扩建两者结合处， 原建筑物有凸出的地方预置 沉降量，预置沉降量值应根据当地情况应用模拟试验的
闸门 破坏了 过水建筑物内 水流的连续性， 会引起水
流流态紊乱， 流速分布不均， 压力分布不平衡。 这些因素 又导致闸门发生振动。首先， 闸门临水面要采用流线型 设计， 以减少对水流的扰动。 底缘形式应符合规范要求， 并尽量避免利用门顶水柱下门。 再者，闸门设有充水阀或闸门有小开度充水要求 时， 充水区的空气受到水体的急剧挤压， 易引起部门系 统的振动。 此时应加大通气孔面积， 或减少充水流量， 延 长充水时间。 2. 3 闸门的结构设计 结构设计时应充分了解闸门运行工作状况。 对于可 能发生有无法量化估计的荷载，如动水作用力和振动 等， 在设计中应充分考虑并适当加大安全系数。 门叶结构的整体刚度在现行设计规范中无明文规 定， 整体刚度无法衡量， 设计时只能进行强度验算。当水 荷载作用时门叶变形过大，止水漏水亦会引起强烈振 动， 故设计中应特别注意加大整体刚度。 支臂是弧门的重要构件之一 ，它承受压力和弯距 ，
泵站的改扩建工程建设既是一个改旧建新的过程 ， 统一， 外观上美观大 。叮乍 者单位 :省交口抽渭管理局)
S "W"R-' 200 ， 科技专 辑
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口Leabharlann Baidu \ 方卫红
选择了仅在 89m 长的侧堰上加闸， 即在侧堰上加设进水 闸 7 孔， 每孔溢流宽 10. 5m, 溢流堰堰顶高程较原堰顶降 即进水闸底板高程为 783. 5m， 同时该高程也是 流量6686 万耐， 水库枢纽工程由 拦河大坝、 溢洪道， 高、 低 0. 5m， 经加闸后， 设计泄洪流 低放水洞等四部分组成。大坝为均质土坝， 坝高61m， 工作闸门和检修闸门的底槛高程。 坝 顶高程 792m， 正常挡水位 784ma 量 1454m' / s ， 校核泄洪流量 22 18M S. 3/ 桃曲坡水库溢洪道加闸工程 ，是以抬高水库正常挡 2. 闸门形式选择及结构设计原则 水位的方法， 达到提高防洪能力、 提高城市供水及农业灌 由于平面钢闸门具有结构简单， 安装方便， 闸室短的 溉保证率的目的。 本工程金属结构设有工作闸门 7 扇， 优点，本工程的工作闸门和检修闸门的形式选用平板闸 检 修闸门 1 扇， 固定卷扬式启闭机 7 台， 双吊点电动葫芦 1 门。 结构设计原则以门体结构体系分解为若干个平面结 台， 总用钢量 203t. 构来分析内力， 然后分别独立地验算各结构的强度 、 刚度 ， 闸门孔口布置 . 桃曲坡水库溢洪道位于大坝右侧，溢洪道由溢流正 和稳定性等。 堰、 侧堰和陡坡组成 溢流正、 侧堰两部分呈“ C'型， 侧堰 3. 工作闸门设计 闸门孔 口为开敞式 ， 尺寸为 10. 5m x 5. Om， 底槛高 长 89m， 正堰长 15m,, 溢流堰体为修圆梯形断面， 堰顶宽 2m, 堰顶高程 784m。设i 十 泄洪流量 1350m' / s , 校核泄洪 程 783. 5m， 设计挡水位高程788. 5m。 该门运用方式为动 门型选用钢质平板定轮式， 5. 5m。 门高 根据水库 流量2660m' / s。 溢流堰若采取正、 侧堰同时加闸的方法， 水启闭， 垂直闸门方向风的吹程短 ， 形不成较大风浪， 则在正、 堰连接部位建筑物较难布置， 侧 泄流时也将会 地形条件， 形成槽内水流强烈扰动， 认而影响下泄流量。 因此本工程 故该门荷载计算中只考虑静水压力 13250 .
受力情况较集中。在支臂计算中， 如何正确计算长细比， 如何确定应力状态，长期无定论 ，教材和规范中也未讲 透， 所以其计算结果和实际情况往往有较大偏离。当出 现动水作用时，强烈的振动，过大的不均匀变形和破坏 往往从支臂反映出来。因此支臂设计应引起足够重视， 详细验算平面内和平面外的稳定性。 陕西水利’ 1 科技专辑 200
破坏。 2. 1. 2 总体布置时， 应结合水工模型试验， 尽量避免 上流进口 处出现吸气贯通式立轴旋涡， 避免下游出口处 出现回流、 明满流交替水流， 特别是淹没式水跃等引起 闸门振动的不利流态。 最理想的布置应该是闸门段上游 在各种工况下保持沿程正压 ， 下游保持明流。 大型立轴旋涡能在泄水道产生压缩空气囊 ，压缩空 气囊引起的气爆能产生强大的瞬时冲击力， 引起闸门和 支臂强烈振动。改善措施主要是设置防涡栅， 加大通气 2. 1. 3 避免闸门使用过程中门顶和门底同时泄水。 同时泄水易使水流和门叶易构成一个自 激振动体系， 造 成门叶剧烈振动。 2. 2 闸门段水力设计
水 工钢 n 门振动破抓 分析及对策
口文 坟U 致亭
， 前言 . 闸门是水工建筑物中用来调节、 控制水流大小的主 要设备。 闸(阀)工作的好坏将直接影响到水工建筑物的 运行和效益。随着我国水利水电建设事业的不断发展， 各种大坝陆续兴建。 低水头溢流坝的闸门挡水面积愈易 加大， 高水头大坝闸门的工作水头也不断增加。大量的 工作闸门需要满足各种开度的局部开启要求 ， 这对闸门 的安全运行提出了更高的标准。 一套良好的水工钢闸门， 应具备下列各项功能: 足局部开启要求 ，泄水能力大， 无严重空蚀 ， 无强烈振 动。 (2) 启闭操作灵活方便， 能及时开放或关闭过水孔 道。
桃曲坡水库位于渭北石川河支流沮河下游，坝址距 耀县县城西北 15km。 控制流域面积 830km2， 多年平均径
交替， 会对门叶造成很大的冲击力。运行调度中应尽快 使门叶脱离出现剧烈振动状况 . 应重视局部开启工作情 况， 掌握闸门振动较大的最不利开度， 并避免出现。多孔 闸门采用各孔开度不同组合而达到一定泄量。单孔水闸 可采用间断泄水以避开不利开度。 3 水工钢闸门设计方法的发展和方向 前面讲过，水工钢结构一直沿用容许应力法。容许 2. 4 零部件设计 闸门运行过程中，有许多零件常年处于微小晃动 应力法计算简便，可以满足一般要求，而它的缺点是不 若一个 中， 虽然实际应力很小， 日 但 久会因疲劳而破坏。所以在 能保证各种工作情况下结构具有一定的可靠度。 钢结构设计中应推广采用新型连接方法， 如二氧化碳保 结构的恒载对活载的比值高， 则计算的可靠度高， 反之 有许多不可预见的活载存在， 使可 护焊、 电渣焊等。推广使用高强度螺栓连接方法， 这种连 则低。而闸门运行时， 接方法由于螺栓拧紧后有很大的预拉力， 使被连接板件 靠度降低。 之间产生巨大摩擦力来传递外力， 克服了焊接结构的焊 水工钢闸门的结构计算， 通常是将空间结构简化成 接应力和焊接变形， 而且承受动荷载的性能也比较好。 若干个平面结构， 如以梁、 柱、 板、 刚架来计算， 而没有考 其设计富裕度过大。 在闸门零部件设计中， 底止水形式对于减少水压波 虑结构的整体性， 动和门叶振动也非常重要。底止水采用刚度较大的条形 从事水工钢闸门设计的水利工作者， 应探讨采用按 橡皮带， 因条形止水能够在底止水部位建立固定的水流 空间结构计算的方法，即将整个闸门当作一个薄臂梁来 考虑，这样就能较真实地反映整个闸门工作的受力状 控制点， 而减少振动。 况， 并积极采用三维有限单元分析， 及以概率为基础的 2. 5 闸门的运行管理 振动和响声是闸门管理运行中应特别引起注意的 极限状态设计法和计算机辅助设计等先进手段。圈 两种情况。当下游水位较高，易出现淹没水跃和明满流 (作者单位: 省水电工程局)