淤沙壓力對水力自控翻板閘門開啟的影響

吳培軍,王 晶

(1.江西省鄱陽湖水利樞紐建設辦公室,江西南昌 330094;2.北京市密云水庫管理處,北京 101512)

淤沙壓力對水力自控翻板閘門開啟的影響

吳培軍1,王 晶2

(1.江西省鄱陽湖水利樞紐建設辦公室,江西南昌 330094;2.北京市密云水庫管理處,北京 101512)

為了研究水力自控翻板閘門在多泥沙河流應用時淤沙壓力對閘門開啟的影響,基于力矩平衡原理,建立考慮淤沙壓力作用的翻板閘門力矩平衡公式。利用該公式對新疆某多泥沙河流復合運動式水力自控翻板閘門閘前無淤沙和不同淤沙高度工況下閘門的開啟過程進行對比計算,并繪制了閘門開啟曲線。算例計算結(jié)果表明淤沙壓力將使閘門的啟門水位抬高,并引起閘門運行時閘前的水位波動和閘門運轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定,嚴重時將危及上游河道安全。

水力自控翻板閘門;淤沙壓力;閘門開啟;力矩平衡原理

水力自控翻板閘門通過支腿、支墩與滾輪的相互配合,使支點位置隨閘門開度不斷發(fā)生變化,進而實現(xiàn)閘門的漸開和漸關(guān)。自20世紀60年代該閘門誕生以來,先后出現(xiàn)了單鉸型、雙鉸型、多鉸型、滾輪連桿式、復合運動式、滑塊式及多鉸連桿滑塊式等多種形式,閘門的各項性能有了質(zhì)的飛躍。各種水力自控翻板閘門在全國近千個水利工程中的運用,極大地提升了該閘門的發(fā)展空間,由于閘門開啟后泄水量大,有利于排走淤沙及漂浮物,因而其在多泥沙河流的應用前景會更加廣闊。正常情況下,當閘前水位升高,閘門的啟門力矩大于抵抗力矩時,閘門逐漸開啟泄流,直至閘前水位降低,閘門關(guān)閉;非正常情況下,閘前淤沙高度較高,淤沙壓力較大,閘門啟門水位抬高,但啟門力矩仍有可能小于抵抗力矩,閘門有可能不能開啟,導致洪水不能及時排泄,危及上游安全。然而截至目前,國內(nèi)對水力自控翻板閘門的研究主要集中于閘門運行的穩(wěn)定性、水流特性及閘門在實際工程中的應用等方面,且這些研究都是基于清水河流,在對翻板閘門進行受力分析時未考慮淤沙壓力的作用。為完善水力自控翻板閘門理論研究成果,促進其在多泥沙河流中的應用,本文對淤沙壓力致使閘門的啟門水位抬高并在閘門運行時引起閘前水位波動和閘門運轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定工況進行理論分析,以確定淤沙壓力對水力自控翻板閘門開啟的影響。

1 水力自控翻板閘門開啟分析

以復合運動式水力自控翻板閘門為例,考慮淤沙壓力作用的閘門靜止狀態(tài)的受力情況及各作用力至受力中心的距離見圖1。

由于閘門開啟過程中,該閘門定滾輪對閘門支撐點的位置隨閘門開啟角度的變化而變化,所以閘門各力作用點至受力中心的距離亦隨閘門開啟角度的變化而變化。分別選取閘前無淤沙工況和閘前不同淤沙高度工況進行對比計算,得出淤沙壓力對閘門開啟的影響。式(1)和式(2)分別為閘前無淤沙工況和閘前有淤沙工況下閘門受力合力矩計算公式:

圖1 水力自控翻板閘門受力分析

其中

式中:P′1為不同工況下閘前靜水壓力,kN;ρ′為渾水密度,一般情況下取ρ′=1000kg/m3+0.6222S,其中S為河流含沙量;h、hk分別為閘門靜止和開啟過程中門頂水頭,m;L、b、d分別為閘門高度、寬度、厚度,m;Ps為淤沙壓力,kN;ρn為泥沙浮密度,kg/m3; hn為閘前淤沙高度,m;φn為淤沙的內(nèi)摩擦角,rad; θ、θ′分別為閘門靜止和開啟過程中翻板閘門與豎直面的夾角;G為閘門自重,kN;Gw為閘門門頂水體自重,kN;F1為動滾輪摩擦力,kN;F2為定滾輪摩擦力,kN;f1、f2分別為動滾輪和定滾輪摩擦因數(shù),取f1=f2;R為定滾輪半徑,m;L′1、L′2、L′3、L′4分別為閘門開啟過程中靜水壓力作用點、淤沙壓力作用點、翻板閘門重心、動滾輪摩擦力作用點至受力中心的距離, m;L′wx為閘門開啟過程中門頂水頭重心至受力中心的距離,m;L1、L2、L3、L4分別為閘門靜止時閘前靜水壓力作用點、淤沙壓力作用點、翻板閘門重心、動滾輪摩擦力作用點至定滾輪中心的距離,m;Gi為閘門各部位自重,kN;Yi為閘門各部位至受力中心的距離,m。

2 工程實例

以新疆某多泥沙河流復合運動式水力自控翻板閘門工程為例,計算分析淤沙壓力對閘門開啟的影響。翻板閘門高度L=4 m,寬度b=8 m,厚度d= 0.26 m,其余各參數(shù)如下:θ=10°,φn=20°,S= 2.0 kg/m3,ρn=1380 kg/m3,f1=f2=0.3,R=0.31 m, h=0.50 m,P′=659.90 kN,L1=0.166 m,L2=1.2 mh/3,L3=0.563 m,L4=0.74 m,L′wx=2.8 m+hk/2,G= 190.54 kN。

翻板閘門啟門曲線計算選取閘前無淤沙和閘前淤沙高度分別為0.3 m、0.6 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m等工況進行計算。計算流程見圖2,首先給定一個閘前門頂水頭h,輸入相應閘門開啟角度θ′,然后判斷合力矩∑M是否為零,如否,則增大θ′值重新計算;如是,則判斷此時閘門的開啟角度θ′n是否大于第n-1次的開啟角度 θ′n-1,并小于全開時的角度θ′全開(n為試算過程中∑M=0的次數(shù)),如否,需重新輸入h計算,直至滿足要求;最后得出相應的h和θ′值;重復上述操作,得出各種工況下的相應的h和θ′值,繪制出h-θ′關(guān)系曲線,見圖3。

圖2 水力自控翻板閘門啟門曲線流程

由圖3可以得出如下結(jié)論:

a.無淤沙工況時,當閘門門頂水頭接近0.43 m,閘門開啟角度趨于穩(wěn)定,說明已達到閘門的最大開啟角度。

b.當閘前有淤沙時,閘門開啟所需的門頂水頭要比閘前無淤沙時高,并且閘前淤沙越高,開啟所需的門頂水頭越高。經(jīng)計算,當閘前淤沙高度為0.3 m、0.6 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m時,水力自控翻板閘門開啟時的門頂水頭分別為0.12 m、0.22 m、0.44 m、0.85 m、1.20m,尤其當閘前淤沙達到1.0m以上時,水頭達到或超過安全超高,將嚴重危及上游河道安全。由此可見,淤沙壓力對水力自控翻板閘門的開啟有影響。

c.隨著翻板閘門的逐漸開啟,閘前淤沙逐漸被沖走,淤沙壓力對閘門的抵抗力矩逐漸減小,當翻板閘門開度超過閘前淤沙高度時,閘門開啟會有一個突然增大的過程,然后再根據(jù)閘前水位,逐漸與無淤沙工況的開啟過程趨于一致,但閘門的突然增大會造成閘前的水位波動,說明淤沙壓力對翻板閘門的運行過程有影響。

d.閘前淤沙越高,閘門開啟所需的水頭越高,閘門開啟后越易急開到最大開度,閘門急開極易使閘門產(chǎn)生“拍打”現(xiàn)象,并與閘前水位波動相互作用,影響閘門運行的穩(wěn)定性。

圖3 水力自控翻板閘門啟門曲線

3 結(jié) 語

通過對水力自控翻板閘門的開啟分析,建立了考慮淤沙壓力作用的閘門力矩平衡公式,分析了淤沙壓力對水力自控翻板閘門開啟的影響,并繪制出閘門的啟門曲線。計算結(jié)果表明,淤沙壓力對水力自控翻板閘門的開啟和運行過程均有影響:對閘門開啟的影響將使閘門開啟所需的門頂水頭隨淤沙高度的增大而增大;對閘門運行過程的影響,將使閘前水位產(chǎn)生波動,并導致閘門運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定,嚴重時將危及上游河道安全。

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Effects of sediment pressure on opening of hydraulic automatic control flap gate//

WU Peijun1,WANG Jing2
(1.Construction Office of Poyang Lake Control Project of Jiangxi Province,Nanchang 330046,China;2.Management Office of Miyun Reservoir of Beijing,Beijing 101512,China)

This paper investigates the effects of sediment pressure on the opening of a hydraulic automatic control flap gate in sandy rivers.To do that,we consider the effects of sediment pressure based on the principle of moment balance and established the formula of moment balance by comparing the estimation the opening process of the gate with un-sediment and different height of the sediment on the type of composite motion flap gate in sandy river of Xingjian and drawing the opening curve of the gate.The results of the experiments show that the sediment pressure controls the level of gate opening,induces variation of the water level and the unstable rotation of the gate.

hydraulic automatic control flap gate;sediment pressure;gate opening;principle of moment balance

TV663.8

:A

:1006-7647(2014)04-0079-03

10.3880/j.issn.1006-7647.2014.04.017

201309-07 編輯:駱超)

吳培軍(1983—),男,河北滄州人,工程師,碩士,主要從事水利工程建設管理工作。E-mail:wupj2010@sina.com