阀门结构泄流引发的强烈振动和破坏实例分析

水工闸门系统（包括门叶、行走机构、启闭设备等）是一种弹性系统。在动水及其他各种原因引起的动力作用下，会产生闸门的流激振动。水工闸门是一种轻型金属结构，它是最容易发生流激振动的一种泄水建筑物。无论是高水头还是低水头闸门都有发生流激振动的工程实例。一个闸门系统的振动程度如何，有时只能在闸门投入运行之后才能知道。实际工程中往往有这样的例子：闸门在相当一段时间内运行正常，以后由于零件的磨损、安装时遗留的缺陷、水头变化等原因，闸门振动才严重起来，而同一类型的闸门在相同的运行条件下，各扇闸门的振动也不一样。

图6.6　美国德克萨尔卡那坝隔水墙破坏

6.3.2.1 平面闸门泄流诱发的强烈振动及破坏实例

（1）平面闸门由于止水漏水引起的强烈振动实例[70]。刘家峡左岸坝身泄水道设两孔平面工作闸门，其孔口尺寸3m×8m，设计工作水头70m，是我国以投入运行的两座大型高水头定轮工作门。闸门采用上游止水，P形止水带固定在门叶上游面板上，顶、侧止水把面板围成形，如图6.7所示。在闸门运行时，止水带紧贴上游胸墙滑动而达到止水目的。该闸门于1969年投入运行后，发现存在强烈的振动，通过原型观测发现：闸门不仅整体振动很大，而且门叶结构应力也很大，实测弯曲、剪切动应力分别达258MPa、148MPa，在未达到设计水头时动应力已超过材料容许应力，对闸门构成潜在的破坏因素。此外，观测发现在闸门面板—顶止水—胸墙之间存在由止水带围成的形空腔，发生了一种相当于管道中的水锤过程及水压振荡。这种水力瞬变现象是产生闸门整体振动过大以及动应力超标的主要原因。这是高压平面工作门中发生严重的闸门振动的一起突出实例。

（2）平面闸门由于底缘型式不良引起的强烈振动实例。我国早期设计的一些高水头或低水头平面闸门，其底缘常采用枋木止水，形成平底缘。工程实践证明，这种底缘的水力条件很不好，常常引起闸门的垂直振动，如四川狮子滩水电站的4m×（4～49.2m）泄洪洞定轮工作门，采用平底止水，工程建成后第一次下闸蓄水时，闸门则发生强烈的振动，其后将其一孔拆迁大洪河工程，仍作泄洪底孔工作门，但将设计水头降低到28m，闸门在启闭过程中，振动仍十分强烈，提门约一分钟后，振动减弱，该闸门不能作局部开启。

（3）由闸后流态引起的振动破坏实例。当平面闸门后为有压流，通常在启闭过程中要发生明满流过渡，在明满流过渡区，闸门后为有压水跃，跃区一般紧接门叶下游面，因而在门叶上作用着强烈的压力脉动，是典型的紊流诱发振动。如西津电站船闸输水廊道上闸首的平面定轮工作门[2m×（2.5～13.8）m]及中闸首的平面定轮工作门[2.5m×（2.0～21.7）m]定轮损坏就是一个例子，由于闸门为压力廊道，流态恶劣，因而闸门在长期运用后定轮止轴板由于振动而剪断，以致轮子脱落，后将止轴板改为焊接，仍然发现焊缝由于振动而开裂。对于大型的高水头泄洪建筑物的平面工作门，闸后为压力流的布置方式是不适宜的，特别是不宜在局部开启下运用，国外有多起轰动一时的平面闸门失事的工程实例：

1）1959年8月印度马拉克坝右岸导流灌溉隧洞3.3m×6.6m平面闸门失事。据报道，失事起因于一场特大季风使工程完成一半的大坝漫顶，使下游水位抬高，封住了隧洞的出口，因此隧洞不能在下游进行通气，随后由于关闭闸门未能关到底，造成十分恶劣的流态，结果使闸门失事、闸室混凝土底板破裂，水流涌进闸室后通过检修廊道进入发电厂房，将厂房淹没，造成严重事故。

2）1974年8月巴基斯坦塔贝拉坝平面闸门的失事，起因于7月2号导流隧洞进口，三扇4.1m×13.7m的平面定轮闸门的中间一扇在进行操作时于局部开启状态下被卡住，采用了一切办法去关闭都没有成功，终于在8月该闸门连同相邻的一扇闸门及其间的混凝土闸墩一起遭到破坏，钢闸门被冲到200m长的隧洞下游。事故原因是由于闸门在局部开启下闸后发生水跃引起闸门振动及空蚀破坏。

6.3.2.2 弧形闸门泄流诱发的强烈振动及破坏实例

我国早期建造的部分水库溢洪道及各类水闸用的低水头弧形闸门，由于种种原因，有的发生了强烈振动，有的甚至遭到破坏。日本、美国等国也有类似事故发生。文献[71]曾对我国部分失事闸门做过调查，失事实例汇总于表6.1。

从表6.1中可知，闸门失事始于20世纪60年代，一直延续到80年代末期尚未杜绝。值得深思的是，表6.1中4号闸门曾于1971年连续破坏3孔。时隔8年之后，湖南某电站仍于1979年套用这种弧形闸门设计图纸，造成表6.1中11号闸门于1989年4月遭到破坏，这种事故的教训应该值得深思和记取，应该加以总结和宣传。尽管事故原因是多方面的（包括设计、制作、安装、运行管理等方面存在缺陷），但不难发现，各类闸门事故破坏特征都是因支臂失稳导致破坏。按其破坏性状及触发原因，大概可以归纳为以下五类。

（1）闸门准周期破坏。表6.1中的1～3号闸门属此类破坏。其构造特征是闸门前胸墙均有较长的外悬平段，水面有较长的吹程。当水位处于某一临界水位时，风浪起伏封闭了胸墙下的空腔，使空气高度压缩，随水面波动，空气和水能转换产生了近于周期性的冲击荷载，作用在处于关闭位置的闸门顶部，当冲击荷载的频率与闸门某一振型的频率间有某种倍数关系，便可使闸门支臂振弯失稳破坏，如图6.8所示，这种破坏情况主要是上支臂首先失稳向下弯折，下支臂受拉弯折。

图6.8　闸门支臂破坏情况(www.xing528.com)

（2）门顶及门底同时溢流破坏。表6.1中4～6号闸门均因闸门开启运行中同时发生门顶溢流和门底泄流导致支臂失稳破坏，如图6.9所示。

（3）局部开启泄流破坏。7～11号闸门事故的特征是在同一地点的多孔闸门中，局部开启一孔长时间泄流（固定某一开度或者开启速度极慢），在开启泄流时破坏了，在同样静水头下，其他孔闸门完好无损。这主要是动力因素促成了事故的发生。又如日本一个表孔弧形闸门，高12m，宽11m，面板半径R=13m，重3.7×105 N的闸门结构如图6.10（a）所示。面板为三支臂空心桁架所支撑，每平方米挡水面积3.4×103 N/m2，比平常弧形闸门轻19%。闸门用卷扬机启闭，4根钢丝绳直径各37.5mm，长25m。此弧形闸门共四扇。1967年7月，其中一扇在运转时突然破坏，此时其他三孔完全关闭。事故时，闸门作用全水头11.8m。事故发生前，闸门曾小开度30cm泄水3个小时，然后以每分钟30cm的速度下降至接近全关时，闸门突然破坏，如图6.10（b）所示。破坏时，整个支臂的排架失稳屈曲，支承被拉断，闸门被冲到下游130m处，如图6.10（c）所示。与此同时，其他三个闸门承受全水头12m的静水荷载而没有破坏，但三根支臂在全水头作用下最大静变位达20～24mm。因此可以确定此闸门的破坏是在小开度泄水时动水压力的脉动引起的支臂失稳所致，而该闸门的支臂是一偏心受压构件，更加增大了闸门的动力不稳定性。最后采取了如图6.10（d）所示的加固措施，支臂间加了斜支承，以避免动力屈曲失稳。

表6.1　我国轻型弧形闸门失事事故

图6.9　门顶、门底同时溢流

图6.10　日本某弧形闸门动力失稳破坏

（4）支铰失效破坏。12、13号闸门就是在启闭过程中支铰摩阻力过大，导致支臂产生弯曲而产生失稳破坏，如图6.11所示。特别是12号闸门，支铰弯曲锈死，空载提门时破坏，应该引起运行管理部门的重视。

（5）制造安装事故破坏。如14、15号闸门的情况，完全是由于焊接质量问题导致的后果。

以上的五种破坏类型中，最后两种比较有明确的失事原因，前两种也是在特定的失事条件下，均可能有针对性的予以防止。而第三类比较复杂，它涉及到水流条件和闸门自身结构等多方面原因。在国外也有弧形闸门因不利的水流条件及闸门自身结构不合理而导致失事的报道，如美国的阿肯色河通航系统闸堰工程，弧形闸门由于不良的底缘型式导致发生强烈振动，振动的严重程度足使钢结构构件和焊接接头疲劳开裂而损害闸门的整体性。如上所述，日本一表孔弧形闸门，在小开度泄流时，由于弧形闸门转动中心与面板中心不在同一位置而导致支臂承受偏心动力荷载作用，由于水压力的脉动而使支臂丧失了动力稳定，最终失事。

图6.11　支铰失效破坏形式

6.3.2.3 阀门流激振动的破坏实例

水电站或泵站的引水（或输水）管道，经常因管道内压力波动诱发强烈振动。据统计，水电站或泵站的引水管道发生振动的事例大约有5%～10%，造成管道破裂、工程失事的情况也时有发生。造成管道振动的原因包括：管道内的水压脉动和传播，水体自激振荡等。管道上的阀门也常发生流激振动，例如：锥形阀的阀体加筋叶片常发生颤振破坏；蝶阀也会因为阀门构造、阀门销轴或锁定机构构造等方面的原因造成流动不稳定和压力脉动，诱发阀门的振动，使销轴产生疲劳破坏或阀门突然关闭，形成水击，由此造成阀门和管道的破坏。此类事故在我国的一些水电站也曾有发生，造成严重的经济损失。如图6.12所示的李家峡水电站输水管道阀门破坏，然而目前对此类事故的形成机理仍缺少应有的研究。