水力自控翻板閘門設計參數分析

蔣 磊，張慶華，翟興濤，宋同廣，王秀霞

(1.山東農業(yè)大學水利土木工程學院，山東泰安 271018;2.蓬萊市供水總公司，山東蓬萊 265600)

水力自控翻板閘門設計參數分析

蔣 磊1，張慶華1，翟興濤1，宋同廣2，王秀霞2

(1.山東農業(yè)大學水利土木工程學院，山東泰安 271018;2.蓬萊市供水總公司，山東蓬萊 265600)

利用水力學水靜力學基本原理建立了水力自控翻板閘門的受力平衡方程，對閘門轉軸高度、閘門傾斜角和閘門底部配件重力等設計參數進行了分析。結果表明:閘門轉軸距閘門底的高度應為閘前水深的1/3;在閘門為均質材料情況下，維持閘門平衡的條件是閘門配件重力應為閘門重力的1/2;閘門傾斜角對閘門自動翻倒無影響，但在閘門擋水情況下對閘門受力有較大影響。

水力自控翻板閘門;受力平衡方程;傾覆力矩;轉軸高度系數

水力自控翻板閘門是借助水力及閘門自身的重力等條件自動開啟和回關的一種閘門形式。與其他閘門相比這種閘門制造簡單，運行可靠，管理維護方便，節(jié)省電力，并且造價和管理維修費用低廉，在中小河道上應用較多［1-3］。水力自控翻板閘門在國內外已經有較長的應用歷史，我國從20世紀50年代開始研究和應用，閘門形式由傳統的翻板閘門發(fā)展為弧形閘門、鼓形閘門、扇形閘門及舌瓣閘門等［1］。20世紀80年代初出現了連桿滾輪式和連桿滑塊式等水力自控翻板閘門［4］。練繼建等［5］對水力自控翻板閘門的穩(wěn)定性進行了理論分析和計算;周經淵［6］介紹了曲線軌道水力自控翻板門;肖段龍等［7］推導了總水壓力對液壓啟閉翻板閘門支鉸的最大啟門力矩計算公式;張月霞等［8］通過試驗研究提出了水力翻板閘門的流量系數;吳培軍等［9］分析了多泥沙河流淤沙壓力對水力自控翻板閘門的影響;張軍［10］提出了水力自控翻板閘門的選用方法。水力自控翻板閘門除受水力條件及閘門和各配件自重影響外，閘門與堰頂水平線方向的夾角(簡稱閘門傾斜角)對閘門受力也有一定的影響，本文通過建立水力自控翻板閘門受力平衡方程，對閘門轉軸高度、閘門傾斜角和閘門底部配件重力等設計參數進行了分析。

1 抗傾力矩與傾覆力矩計算

1.1 計算條件

在力矩公式推導過程中，假設閘門為翻板均質閘門;下游水位相對較低，忽略不計;閘門開啟與回關的轉軸設在距閘門底一定高度處;取閘門的單位寬度計算作用力;計算力臂時忽略閘門的厚度以及轉軸半徑到閘門厚度中心的垂直距離。自控翻板閘門受力情況如圖1所示。

1.2 抗傾力矩計算

抗傾力矩包括轉軸以下作用在閘門上的水平水壓力、水重力以及配件重力產生的力矩。

圖1 閘門受力示意圖

a.水平水壓力對轉軸的抗傾力矩。轉軸以下作用在閘門上的水平水壓力P1為

水平水壓力對轉軸的抗傾力矩MK1為

b.水重力對轉軸的抗傾力矩。轉軸以下作用在閘門上的水重力按轉軸以上及以下兩部分計算，轉軸以上水重力g1及相應力臂d1為

式中:θ為閘門傾斜角(閘門直立時為90°)。轉軸以下水重力g2及相應力臂d2為

水重力對轉軸的抗傾力矩MK2為

c.閘門配件重力對轉軸的抗傾力矩。閘門配件有一定的高度和厚度，計算閘門配件重力對轉軸的力臂時應予以考慮，但因實際工程中配件的高度和厚度較小，對轉軸的力臂影響較小，因此不考慮閘門配件的高度和厚度對力臂的影響。因此閘門配件重力對轉軸的抗傾力矩MPZ為

式中:G1為閘門配件重力;d4為閘門配件重力對轉軸的力臂。

1.3 傾覆力矩計算

傾覆力矩包括轉軸以上作用在閘門上的水平水壓力、水重力及閘門重力產生的力矩。

a.水平水壓力對轉軸的傾覆力矩。轉軸以上作用在閘門上的水平水壓力P2為

水平水壓力對轉軸的傾覆力臂e2為

水平水壓力產生的傾覆力矩MQ1為

b.水重力對轉軸的傾覆力矩。轉軸以上作用在閘門上的水重力g3及相應力臂d3為

水重力產生的傾覆力矩MQ2為

式中:G2為閘門重力;d5為閘門重力對轉軸的力臂。

c.閘門重力對轉軸的傾覆力矩MZ為

2 設計參數分析

本文分析水力自控翻板閘門在h一定的情況下，閘門轉軸高度、閘門傾斜角和閘門底部配件重力等設計參數對閘門力矩的影響，其中閘門轉軸高度以轉軸高度系數α為參數進行分析。

2.1 閘門受力平衡方程

由上述自控翻板閘門抗傾力矩與傾覆力矩計算公式可得閘門受力平衡方程:

2.2 閘門轉軸高度系數對力矩的影響

當閘門配件重力對轉軸的力矩與閘門重力對轉軸的力矩相等，即MPZ=MZ時，由式(18)可得

a.由式(20)可知閘門在極限平衡條件下α=1/3，即閘門轉軸距閘門底的高度為閘前水深的1/3時，閘門所受的抗傾力矩與傾覆力矩相等。當閘前水深超過閘門頂時，閘門自動翻倒，當閘前水深低于閘門頂時，閘門處于擋水狀態(tài)。

b.當 α＜1/3時，α2(3－α)＜(1－α)3，由式(19)可知在閘前水深等于閘門擋水高度時，作用在閘門上的抗傾力矩小于傾覆力矩，閘門翻倒。說明當閘前水深小于閘門一定的高度時，閘門便開始自動翻倒，此時閘門擋水高度低，閘門翻倒偏于安全。

c.當 α＞1/3 時，α2(3－α)＞(1－α)3，由式(19)可知在閘前水深等于閘門擋水高度時，作用在閘門上的抗傾力矩大于傾覆力矩，閘門擋水，只有當閘門頂有較大的溢流水深才能使閘門自動翻倒。

2.3 閘門傾斜角對力矩的影響

a.由圖1及式(8)(9)(15)(16)可知，閘門傾斜角對水重力、閘門重力及閘門配件重力產生的抗傾力矩及傾覆力矩大小均有影響，在閘門擋水情況下閘門傾斜角越大力矩越小，當θ=90°(閘門直立)時，力矩為零。

b.雖然閘門傾斜角對作用在閘門上的抗傾力矩及傾覆力矩大小有影響，但由式(18)可知閘門傾斜角對閘門受力平衡方程無影響，說明閘門擋水或翻倒與其傾斜角無關。

2.4 閘門配件重力分析

假設α=1/3，由式(18)可得G2=2G1，即閘門在平衡情況下，閘門配件重力為閘門重力的1/2。

3 結論

a.自控翻板閘門轉軸距閘門底的高度應為閘前水深的1/3。

b.在閘門為均質材料情況下，維持閘門平衡的條件是閘門配件重力應為閘門重力的1/2。

c.閘門傾斜角對閘門自動翻倒無影響，但在閘門擋水情況下對閘門受力有較大影響，在閘門傾斜角較小時，作用在閘門上的水重力將產生較大的彎矩，要求閘門有較大的斷面。因此，自控翻板閘門的傾斜角不能過小，以90°最為理想。

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［10］張軍.淺談水力自控翻板閘門的選用［J］.浙江水利科技，2010(6):51-52.(ZHANG Jun.On the selection of hydraulic automatic flap gate［J］.Zhejiang Hydrotechnics，2010(6):51-52.(in Chinese))

Design parameters analysis of hydraulic automatic flap gate

JIANG Lei1，ZHANG Qinghua1，ZHAI Xingtao1，SONG Tongguang2，WANG Xiuxia2(1.Water Conservancy and Civil Engineering Colleges，Shandong Agricultural University，Taian271018，China;2.Penglai Water Supply Corporation，Penglai265600，China)

Based on the basic principle of hydraulic statics，the force balance equation of a hydraulic automatic flap gate was developed to study design parameters of the gate，including the shaft height，the angle，and the gravity of bottom fitting.The results show that the height from the gate shaft to gate bottom is a third of the depth of water in the front of the gate.When the gate is homogeneous，the gravity of fitting should be one half of that of the gate to maintain the balance of the gate.The gate angle has no effect on the overturning of the gate，but has a large effect on the load of the gate as the gate retains water.

hydraulic automatic flap gate;the force balance equation;overturning moment;coefficient of shaft height

TV34

A

1006-7647(2013)01-0077-03

10.3880/j.issn.1006-7647.2013.01.018

水利部公益性行業(yè)科研專項(201201022)

蔣磊(1987—)，女，山東海陽人，碩士研究生，主要從事水利工程建設與管理研究。E-mail:jianglei8171647@163.com

張慶華(1960—)，男，山東招遠人，教授，主要從事水利工程建設與管理研究。E-mail:zqh@sdau.edu.cn

2012-04-16 編輯:周紅梅)