張曉芳，余代廣，劉紅坤，陳 照

（南京市水利規(guī)劃設計院股份有限公司，江蘇 南京 212000）

一體化泵閘是將泵站和水閘一體式布置的泵閘，由鋼閘門、閘門泵、拍門和控制結構等組成。該類閘門泵可大大提高土地利用效率，縮短建設周期，同時具有安裝維護簡單、便于自動化運行管理等特點［1，2］。一體化泵閘在歐洲使用已有20多年歷史，最大一體化泵閘位于荷蘭，單泵流量達到13.33 m3/s。在小口徑一體化泵閘的應用研究中，有地區(qū)［3］已總結提出一套當?shù)氐倪m用技術標準。但較大口徑一體化泵閘在國內(nèi)的應用實例及研究成果較少［4］。目前研究成果多為閘門自激振動和測控方面。鑒于自激振動主要由水流脈動頻率及水泵自身振頻接近時產(chǎn)生。有學者［5］進行了多個原型和模型試驗，得出約93%的閘門水流脈動主頻率在1～20 Hz范圍內(nèi)變化，超過20 Hz的極少。水泵自身振動主要是由機組轉子的不平衡轉動產(chǎn)生的振動和水流通過泵體引起的振動。有學者［6］在圩區(qū)整治工程中應用一套小流量低水頭的一體化泵閘系統(tǒng)，重點研究了閘門門葉高度及型式的優(yōu)化選取。有學者［7，8］針對引水工況，進行相關調(diào)度方案對閘門泵影響程度分析，提出水泵與水流耦合振頻宜不大于30 Hz。為避免泵的振動頻率與閘門振動頻率接近導致的共振破壞，一體化閘門泵的設計優(yōu)化是十分必要的。目前對于小口徑的閘門泵設計中，有研究［9，10］閘體門葉中心線偏差需控制在1.5 mm 內(nèi)，且對接焊縫加強高度不宜大于3 mm；也有改進葉輪結構，增加葉片至7 片以減小轉動噪聲及振動［11］；有學者［12］在門葉設計中提出其高度應為淹沒深度、擋水超高、安裝高度之和。鑒于大口徑閘門泵應用尚少，在板厚及減振加固方面研究仍有不足。

本文基于鹽河泵閘工程中大口徑一體化泵閘設計，進行三維參數(shù)化數(shù)值分析，提出從參數(shù)調(diào)整（門葉厚度、板結構厚度）和結構調(diào)整（穿墻管、板結構）兩方面，進行設計參數(shù)敏感性分析。通過結構變形破壞位置、程度、類型等綜合分析相應參數(shù)推薦取值范圍，為結構設計優(yōu)化提供依據(jù)。同時針對閘門泵振動、防腐等關鍵問題進行了分析論證。確保工程能夠切實發(fā)揮應有的功能，保障工程順利實施運行，為類似工程提供參考依據(jù)。

1 一體化泵閘設計及模型

1.1 鹽河泵閘工程概況

鹽倉鹽河大塘配套加固工程擬在現(xiàn)有鹽河主閘的基礎上配套排澇泵站，項目區(qū)地處鹽倉大河入海口處，鹽河大塘中部，整體位于軍區(qū)范圍內(nèi)。經(jīng)防洪排澇計算分析，需在現(xiàn)有鹽河主閘6 孔×3 m、總凈寬18 m 規(guī)模的基礎上配套27 m3/s 的排澇能力，才能符合規(guī)劃要求，即滿足鹽倉片區(qū)1 年一遇最大1 小時暴雨設計，并滿足20 年一遇24 小時最大暴雨不受淹的標準。綜合考慮用地及功能需求，工程擬選用一體化泵閘型式，實現(xiàn)在滿足防洪規(guī)劃要求的基礎上，最大化利用原有基建以降低工程投資。考慮大直徑閘門泵具有系統(tǒng)諧振不穩(wěn)定、重量過大、底板過深而引起的易發(fā)生振動破壞、地基處理難度大、易淤積等不利因素。鹽河泵閘擬采用小直徑、多臺數(shù)、嵌入式安裝的整體布置方案。方案采用1 200 mm 口徑水泵配合適當厚度的鋼閘門，利用原有樁基，可節(jié)省工期、施工難度相對較小。同時為提高水泵數(shù)量與現(xiàn)有閘門寬度的適應度，解決結構受力不均衡、淤積等問題，推薦采用6 孔×3.0 m 閘門泵，閘門泵選型為1200QGLN-125，共安裝6 臺水泵。額定轉速為365 r/min，換算成強迫振動頻率約為6 Hz。同時考慮水流脈動主頻率一般不超過20 Hz，提出本次分析強迫振動頻率范圍約為1～20 Hz。

圖1 鹽河閘位置及周邊環(huán)境示意圖Fig.1 Map of Salt River lock location and surrounding environment

1.2 計算模型

一體化泵閘閘門主要包括門葉結構、泵體、主滑塊、反向滑塊、側向限位、側滾輪、底部支撐、閘門止水。為便于計算和網(wǎng)格劃分對閘門結構進行概化，模型構建不考慮鎖定槽口、漏水孔、尺寸小于20 mm 的倒角、倒圓角，螺栓孔等特征，采用inventor對一體化泵閘進行參數(shù)化建模，并導入Midas進行網(wǎng)絡劃分。其中門體結構、泵體結構、泵支撐結構、邊梁腹板加強結構拆分為獨立模型導入，各結構單元之間采用接觸模式連接。主滑塊、底部支撐采用質(zhì)地較硬的FGB 材料，可視為剛體，主滑塊采用順水流方向位移約束，底部支撐采用重力方向位移約束；側止水采用SF6574 材料及反向止水采用聚四氟乙烯材料均為彈性質(zhì)地，可視為彈性約束；閘門為固定約束。模型網(wǎng)格共剖分為約19.8 萬個單元體和39.5 萬個節(jié)點。對于一體化泵閘的數(shù)值模擬計算，邊界條件主要施加葉輪傳導到閘門上的力及上下游水位對閘門的正應力。相關門體及泵體材料參數(shù)詳見表1，法向及切向剛度比例因子默認值均為1，主段延伸率取默認值0.005。一體化泵閘三維模型網(wǎng)格剖分詳見圖2。

表1 一體化泵閘模型材料參數(shù)列表Tab.1 Material parameter list of integrated pump brake model

圖2 一體化泵閘模型網(wǎng)格劃分示意圖Fig.2 Grid partition diagram of integrated pump gate model

2 設計參數(shù)敏感性分析

2.1 門葉厚度影響分析

在門厚對一體化泵閘的影響分析中，分析范圍為350～800 mm，以50 mm為遞增尺寸。根據(jù)前10階模態(tài)頻率（圖3）及相應模態(tài)特征，1～3階時主要為穿墻管位置振動，門厚的變化對其影響較小；4階時閘門振型主要為上部整體彎曲，振頻隨門厚增加而增加，振幅隨門厚增加而減小。5 階時閘門振型主要為門頂兩端翹曲，翹曲程度隨門厚增加而減小，當門厚大于750 mm 時振型趨于平穩(wěn)。6～10階閘門振型主要為板結構振動，振頻隨門厚增加而減小。故建議設計中適當增加門葉厚度以提高閘門整體剛度，同時對區(qū)隔較大的面板、腹板結構進行適當加固，以控制共振頻域。

圖3 不同門厚規(guī)格對應振動頻率與模態(tài)變化規(guī)律曲線圖Fig.3 Curve of vibration frequency and modal variation law corresponding to different door thickness specifications

2.2 板結構厚度影響分析

閘門設計中門葉板件厚度直接影響閘門的門重、結構強度及抗振能力。鑒于平面鋼閘門多為焊接結構，設計過程中為便于生產(chǎn)加工，板件型號規(guī)格多為兩種尺寸的組合。其中面板、腹板板厚一般較薄，翼緣一般較厚，常用板厚設計范圍為10～24 mm。例如10 mm 的面板及腹板，通常搭配12 mm 翼緣板，記作板厚T10-12。在板厚對閘門振動的影響分析中，選取T10-12，T12-14，T14-16，T16-18，T18-20，T20-22，T22-24七種不同的板厚組合。根據(jù)振動頻率曲線分析，板厚對于6～10階的高階振頻影響較大，對于1～5階的低階振頻影響可忽略?？梢姡唠A振頻對應的振型影響以面板、腹板為主，鑒于閘門自身振動安全頻域為1～20 Hz，僅有T10-12 共振頻率小于20 Hz，不滿足閘門自身振動安全頻域要求，其他組合均滿足要求。且考慮經(jīng)濟性及加工要求，板件厚度不宜過厚。故可得當閘門寬高比小于0.6 且泵外徑與閘門寬之比接近0.5 時，建議采用T12-14 或T14-16板厚組合。

圖4 不同板厚組合對應振動頻率與模態(tài)變化規(guī)律曲線圖Fig.4 Curve of vibration frequency and modal change law corresponding to different plate thickness combinations

2.3 穿墻管加固分析

較常規(guī)平面鋼閘門，一體化閘門泵是在其基礎上增設穿墻管，而穿墻管與閘門連接處的設計直接影響閘門的整體穩(wěn)定及其抗振能力。本次進行橫肋、縱肋、斜肋及背板的七種組合方案（圖5）的穿墻管穩(wěn)定效果分析。由圖6 可知，方案一對應的1～3 階時穿墻管與面板連接區(qū)域發(fā)生振動，導致周邊面板發(fā)生局部變形，4 階時閘門出現(xiàn)上部豎向彎曲振型［圖7（a）］，可見4階為該方案振型變化的轉折點。方案二及方案三的轉折點為3階，方案四及方案六的轉折點為1階，方案五及方案七的轉折點為2階。綜合分析，單獨的縱、橫肋加固可以提高穿墻管與面板連接區(qū)域的剛度，但存在將穿墻管周邊面板局部變形發(fā)展為閘門上部扭曲變形［圖7（b）］的可能。橫+縱組合及背板加固方案可以減少上述局部変形，但仍有發(fā)展為閘門整體雙向彎曲［圖7（c）］及翼緣波型彎曲的可能。故橫+縱+斜肋的方案加固效果最為顯著，斜肋方案其次。

圖5 穿墻管加固方案示意圖Fig.5 Schematic diagram of the wall pipe reinforcement scheme

圖6 不同穿墻管加固方案對應振動頻率與模態(tài)變化規(guī)律曲線圖Fig.6 Curve of vibration frequency and modal change law corresponding to different wall pipe reinforcement schemes

圖7 帶有穿墻管的閘門振型發(fā)展示意圖Fig.7 Schematic diagram of vibration pattern development of gate with wall pipe

2.4 腹板結構加固分析

2.4.1 邊梁腹板結構加固

若穿墻管所在區(qū)格較大，需同時對邊梁腹板進行加固。選取邊梁與縱梁間的無肋板、單肋板、雙肋板3種設計方案進行分析。由圖8 和表2 可見，無肋板方案邊梁腹板共振現(xiàn)象多出現(xiàn)在5-6-7階，單肋板及雙肋板方案均可提高邊梁剛度，降低振幅最大約70.8%。綜合考慮簡化結構加工工藝及降低材料成本，建議一體化泵閘邊梁腹板采用單肋板加固方案較好。

表2 不同邊梁腹板加固方案產(chǎn)生共振時對應最大振幅列表Tab.2 List of the maximum amplitudes corresponding to the resonance generated by different side beam web reinforcement schemes

圖8 不同邊梁腹板加固方案對應振動頻率與模態(tài)變化規(guī)律曲線圖Fig.8 Curve of vibration frequency and modal variation law corresponding to different side beam web reinforcement schemes

2.4.2 主梁腹板結構加固

主梁部分的加固，選取單側角加勁肋、單側通長肋、雙側角加勁肋、雙側通長肋四種設計方案（圖9）進行分析。由表3 可知：主梁腹板振動變形通常發(fā)生在10-11階；單側角肋和雙側角肋加強方案對降低振幅作用較??；單側通長肋與雙側通長肋方案均可有效提高主梁腹板剛度，加固效果較為接近。綜合考慮結構受力均衡及美觀，故建議一體化泵閘主梁腹板采用對稱型式的雙側通長肋板加固較好。

表3 不同主梁腹板加固方案產(chǎn)生共振時對應最大振幅列表Tab.3 List of the maximum amplitudes corresponding to the resonance generated by different main beam web reinforcement schemes

圖9 主梁腹板加固方案示意圖Fig.9 Schematic diagram of main girder web reinforcement scheme

3 一體化泵閘抗振效果分析

泵站進口側鹽倉大河為平原河道，水位隨流域內(nèi)降雨量變化而變化，泵站出口側為東海，屬于非正規(guī)半日淺海潮，因此水泵揚程隨外海潮位漲落和內(nèi)河水位的變化較為頻繁，排澇期間水泵運行揚程變幅較大。在水泵運行時段內(nèi)流量不是固定的，流量變化范圍多為1～10 m3/s。根據(jù)《水利水電工程鋼閘門設計規(guī)范》和《水電站廠房設計規(guī)范》，關于鋼閘門和動力支承結構的共振驗算要求如下：自振頻率與強迫振動頻率及機組轉頻之差均應大于20%。根據(jù)動態(tài)模擬分析計算結果（表4），各種條件下自振頻率與強迫振動頻率之差和自振頻率之比均大于20%，尤其是運行過程中較常發(fā)生的振頻前三階，均超規(guī)范要求約3～8倍。故認為動態(tài)模擬分析驗算結果能夠避免一體化泵閘發(fā)生共振，且有一定的安全余量。

表4 一體化泵閘特征頻率模態(tài)成果對比表Tab.4 Comparison table of characteristic frequency modal results of integrated pump gate

4 一體化泵閘防腐性能分析

對于水質(zhì)較差或腐蝕性較強的海水等環(huán)境，區(qū)別于一般閘門，一體化閘門泵的防腐要求需更高。為保證主泵的使用壽命，經(jīng)真機防腐試驗，不同位置的構件所采用的較為有效的措施總結如下。

4.1 主泵防腐蝕措施

水泵葉片、導葉片、安裝螺栓和螺母等采用雙相不銹鋼2205，整鑄、數(shù)控加工，并做無損探傷試驗；水泵外殼和內(nèi)腔體采用CCSA船用鋼。水泵設備安裝件和管路連接件均采用2205雙相不銹鋼。主泵電機采用真空浸漆沖片壓裝工藝防腐。沖片之間，在壓裝以后，用真空抽氣把沖片之間的微小間隙之間的空氣抽出，然后用壓力將防銹漆注入，充滿沖片間的所有間隙，達到硅鋼片層間的有效防腐。金屬零部件加工完成后配合表面噴漆防腐及產(chǎn)品總裝完成后外表面裝飾漆層的噴涂防護處理工藝，按SL105-2007、《SIPZC 涂敷工藝守則》和《全貫流潛水泵及安裝系統(tǒng)表面涂敷工藝守則》進行處理。

4.2 鋼閘門及埋件防腐蝕措施

閘門泵配套安裝露頂滑動平面直升式鋼閘門，閘門主材Q345B，主滑塊及側滾輪為工程塑料合金，反向滑塊為四氟乙烯，其他支承塊、水封橡皮材質(zhì)均為SF6574，螺栓連接件均為2205 不銹鋼。門葉前、后面板處與水泵連接的焊接法蘭面、滑塊安裝面要求機械精加工；所有螺栓孔均要求配鉆。水泵閘門埋件全部要求二期方式預埋。閘門外露非不銹鋼表面防腐采用噴鋅鋁合金+涂料封閉方式，表面處理到Sa2.5 級別，熱噴鋅鋁合金2 層，總厚度200 μm；再噴涂油漆層，底漆為環(huán)氧富鋅漆，厚60 μm；中間漆為環(huán)氧云鐵，厚80 μm；面漆采用改性耐磨環(huán)氧涂料，厚100 μm；涂層厚度均指干膜厚度。

5 結 語

（1）通過三維模型計算分析與真機試驗，對于較大口徑的一體化閘門泵結構進行了振頻與振型的系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)門葉結構厚度（梁高）對閘門整體剛度影響較大，是初步設計中主要確定的參數(shù)之一。一體化泵閘由于其閘門開孔的特殊形式，門厚的確定一般在同規(guī)格普通平板閘門的基礎上適當加厚。門葉板件厚度建議取值范圍為12～16 mm。

（2）穿墻管與閘門連接處的設計，是提升一體化閘門泵抗振性能的關鍵。對于穿墻管周邊區(qū)格板范圍內(nèi)采用對稱的米字型肋條加固效果最佳。主梁及邊梁腹板以通長肋加固效果最佳。經(jīng)動態(tài)模擬分析，在3.0 m 寬閘門上開2.0 m 洞，該口徑閘門泵在穿墻管周邊區(qū)格及腹板優(yōu)化加固后，能夠避免泵閘共振。

（3）一體化閘門泵占地小、施工簡易等特點明顯，且易實現(xiàn)智慧化、信息化管理，建議在大中型泵閘工程中推廣應用及研究?？偨Y提煉出成體系的主要設計參數(shù)和指標，形成系統(tǒng)的標準規(guī)范，為后續(xù)應用推廣提供參考和借鑒。