泵站快速闸门振动分析探讨

周伟丰 孙春荣 金志浩

嘉兴市杭嘉湖南排工程盐官枢纽管理所 浙江海宁 314411

在排灌泵站中，特别是以排涝泄洪为主的排涝泵站中，为了防止水泵运行后停机时水倒流入机组，必须采用断流装置，常用的断流装置有拍门、快速闸门和真空破坏阀。快速闸门断流的显著优点是闸门可以全开，阻力损失很小。闸门本身具有一定的自振频率，在闸门泄流或水泵出流时，如果水流的脉动频率接近或等于闸门的自振频率，便会出现共振现象，振幅增大，使闸门整体或局部发生强烈的振动。大型泵站快速工作闸门通常开设小拍门，小拍门的振动晃动加剧快速闸门振动，甚至产生强力撞击。剧烈振动有可能引起金属构件的疲劳变形，焊缝开裂或紧固件松动，以至整体结构遭到破坏，严重影响工程安全运行。由于闸门振动的现象比较复杂，应分析厘清引起振动的原因，以便采取有效措施予以应对[1]。

1 闸门振动常见原因

1.1 水流流态不利因素影响

快速闸门开设小拍门的，又由于除险加固改造的泵站，因快速闸门开度受限，拍门除了承受短暂的机组启动时水流把拍门冲开时的冲击力和停机时拍门随水流下拍断流时下拍力外，其主要的、历时最长的还是机组运行期间不规则水流所给予的来自不同方向的力。水流靠旋转叶片所产生的升力上升，经上导叶体进入弯管，弯管再将旋转的直升水流形成一定角度引导到直管出水流道，最后冲开拍门而进入出水池。这时的流态有旋转的、直线的、经与拍门撞击后而回旋的，因流道形状所限在某个角落产生回流的等各种水流混合在一起，使拍门在水中不仅上下浮动，而且左右晃动、前后冲撞等不规则动作交叉出现，造成支座螺栓、柱销等金属零件疲劳损坏，闸门振动。若液压启闭机控制的，还会导致油缸晃动，机架螺栓松动等影响启闭机使用寿命。

1.2 闸门连接部件松动

闸门的机械部件如启闭机支铰、导向轮、拍门支铰及拉杆等，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。快速闸门闭门速度较快，若缓冲装置失效，将冲击闸门底坎，长期运行使定轮、侧轮、反轮、铰座、销轴等部件松动，构件变形损坏，进而引发闸门运行时的振动和噪音，严重时无法启闭闸门，甚至冲走拍门。

1.3 波浪冲击闸门

闸前水位在靠近胸墙周围，有较大风浪时，会在胸墙底部和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，引发振动。为避免这种情况出现，建议在闸门上游装置防浪排、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。

1.4 门槽空蚀或补气不足引起的闸门振动

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。

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。

1.5 闸门止水漏水

因止水漏水而引起闸门振动，多因止水座板安装不平直，或止水选型不当，柔性不够，使止水与止水座板之间呈不连续接触，在上游静水压力作用下，不能完全密封，于是有水流从止水与止水座板间隙中射出。这种作用于止水上的脉动压力使止水发生振动，从而导致闸门的振动[2]。

2 闸门的防振动应对措施

2.1 优化设计

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。带有小拍门的快速闸门可以考虑设计安装小倾角，有利于拍门止水效果和防止水流扰动。对于单吊点启闭机闸门晃动可以设计电动搁门器，减轻闸门晃动对启闭机影响。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。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。

2.2 防止振动

由于波浪冲击闸门引起的振动，应在闸门上游加设防浪排，以削弱波浪对闸门的冲击。

因止水漏水而引起闸门振动，多因止水座板安装不平直，或止水选型不当，柔性不够，使止水与止水座板之间呈不连续接触，在上游静水压力作用下，不能完全密封，于是有水流从止水与止水座板间隙中射出。这种作用于止水上的脉动压力使止水发生振动，从而导致闸门的振动。应调整止水位置或更换止水材料尺寸，使止水与止水座板紧密接触，漏水停止，闸门就不再振动了[3]。

闸门在一定开度下泄流时，下游淹没水跃产生对闸门周期性的冲击，也是引起闸门振动原因之一。如改变一下运用条件，振动可能就不在发生。

2.3 防止气蚀

在高速水流情况下，由于建筑物过水断面发生突变，或过水结构面不平整，泄水建筑物补气不足等原因，常使闸门槽及其预埋件发生气蚀。防止气蚀的措施为：对已遭气蚀损坏的部位用耐气蚀材料补强。如用不锈钢焊补或用环氧砂浆修补，尽量使过水表面平整光滑，必要时增设补气设施。对闸门门槽型式不合理的，应通过试验选型，进行改建。

2.4 加强维护管理

维护工作是搞好设备管理、保证安全运行的重要手段。采用快速闸门断流的泵站，在主机组启动前应全面检查快速闸门控制系统，确认快速闸门能按规定程序启闭。运行中，闸门应保持在全开状态。如停机较长而重新开机，开机前可对拍门进行检查，拍门附近有无淤积、杂物，拍门的螺栓、销轴、铰座固定可靠，转动灵活，门体无明显裂缝和严重变形，止水良好，无漏水现象。一切正常方可开机。运行期间，要进行巡视检查，看拍门是否浮动正常，声音有无异常响动；停机后全面检查，必要时放下事故闸门，抽干两门之间的水仔细检查。

定期检查维护门槽、闸门、拍门、导向支撑、转动销轴、闸门连接杆等，保持清洁、润滑良好，各部件连接紧固[4]。

3 结语

目前，用油压启闭机或卷扬式启闭机控制的快速闸门断流方式越来越普遍，快速闸门在整个泵站水工建筑物中起着举足轻重的作用。快速闸门的形式，启闭时间和速度，都应该根据水泵机组性能来决定。而快速闸门、拍门在开启、运行、关闭时产生不同程度的振动现象也较常见，运行管理单位应加强检查检测，排查隐患，确保工程安全运行。