（化工过程机械专业论文）倒虹吸平面闸门结构动力学特性研究.pdf

硕士学位论文 摘要 平面闸门是水工建筑中用得非常广泛的一种门型。因其结构简单，以及制作、 安装和运输工作相对来说比较简便而被广泛的采用。平面闸门在启闭过程中或者 局部开启时，往往都会出现振动，闸门的振动原因十分复杂，目前还没有完全彻 底摸清楚，因此也缺乏完善的理论和计算方法。但总得来说，闸门的振动的原因 是由于动水载荷的不平衡所引起的。 本文以北疆大型水利枢纽中，倒虹吸出口处的平面闸门为研究对象，以改善 平面闸门的动态特性为研究目的，对平面闸门进行了静动力特性的研究，并对其 进行了试验模态分析。 首先，通过对闸门在倒虹吸水力条件下进行水力计算，以及运用平面体系计 算方法对闸门进行结构分析，对闸门的整体工作性能进行了比较全面的分析研 究。 其次，运用三维建模软件s o l i d w o r k s 建立了平面闸门的实体模型，并将闸 门模型导入a n s y s 中，然后分别进行有限元分析，计算了闸门在静水条件下的应 力和位移，通过两种软件计算结果和理论值的比较研究，掌握了闸门主要构件的 受力情况。 在此基础上，采用有限元分析软件a n s y s 对闸门整体结构进行动力特性分 析，考虑流固耦合效应对闸门自振特性的影响，通过有限元分析计算，了解闸门 自振特性随开度的变化规律。 最后，通过锤击激励法进行模态分析试验，得出在倒虹吸出口处剧烈振动的 平面闸门的振动特性，如固有频率，模态阻尼和模态振型。试验结果表明平面闸 门结构设计合理，工作稳定，基频高于动水载荷的频率，可以满足工程要求。 本文结合工程实例，对倒虹吸出口平面闸门进行了数值计算和模态试验，得 出了一些结论，其研究成果对平面闸门的合理设计具有一定的参考意义。 关键词：倒虹吸平面闸门有限元静力分析流固耦合试验模态分析 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ep l a n eg a t ei so n ek i n do fg a t e si nw a t e rp o w e re n g i n e e r i n g p l a n eg a t ei s w i d e l yu s e di nh y d r a u l i cs t r u c t u r e so w i n gt o i t sf o l l o w i n ga d v a n t a g e s ：s i m p l e s t r u c t u r e ，p r o d u c t i o ni n s t a l l a t i o na n dt r a n s p o r t a t i o ni se a s ya n ds i m p l e i no p e n i n g a n d c l o s i n gp r o c e s so rl o c a lo p e n ，t h ep l a n eg a t eo f t e nw i l la p p e a ri nv i b r a t i o n t h e v i b r a t i o nf o rt h eg a t ei sq u i t ec o m p l e x ，a r es t i l l n o tf u l l yt h o r o u g h l ye x p l o r e d ， t h e r e f o r ea l s ol a c kp e r f e c tt h e o r e t i c a la n dc o m p u t a t i o n a lm e t h o d o v e r a l l ，t h eg a t eo f t h ev i b r a t i o ni sd u ed y n a m i cw a t e rf o r c ec a u s e db ya l li m b a l a n c e i nt h ep a p e r , t h es t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fp l a n eg a t ew a sr e s e a r c h e d ， o nt h ep u r p o s eo fi m p r o v i n gd y n a m i t i cc h a r a c t e r i s t i co fp l a n eg a t ew h i c h i si nt h e o u t l e to fi n v e r t e ds i p h o n ，a n de x p e r i m e n t a lm e t h o do fe x p e r i m e n t a lm o d a la n a l y s i s f i r s to fa l l ，t h eh y d r a u l i cc a l c u l a t i o no fp l a n eg a t ew a sr e s e a r c h e dw h i c hi nt h e i n v e r t e ds i p h o nh y d r a u l i cc o n d i t i o n s ，a n du s i n gg r a p h i cs y s t e mc a l c u l a t i o nm e t h o df o r t h es t r u c t u r a la n a l y s i so ft h eg a t e t h ew o r k i n gp e r f o r m a n c eo fp l a n eg a t e i s r e s e a r c h e dc o m p r e h e n s i v e l ya n a l y s i sr e s e a r c h i na d d i t i o n ，t h i sp a p e ra l s ou s i n g3 dm o d e l i n gs o f t w a r es o l i d w o r k se s t a b l i s h e d t h ep l a n eo ft h eg a t e ，a n dt h e ni m p o r te n t i t ym o d e lo ft h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s s o f t w a r ea n s y st h es t a t i ca n a l y s i sr e s p e c t i v e l y , t h es t r e s sa n dd i s p l a c e m e n tw a s c a l c u l a t e du n d e rt h ec o n d i t i o no ft h eg a t ei ns t a t i cw a t e r , c o m p a r i n gt w os o f t w a r e c a l c u l a t i o nr e s u l t sa n dt h et h e o r e t i c a lv a l u e ，m a s t e r e dt h ec o m p a r a t i v es t u d yo fm a i n c o m p o n e n t sg a t em o d e l o nt h i sb a s i s ，t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fp l a n eg a t eu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i ss o f t w a r ea n s y sw a sr e s e a r c h e d ，c o n s i d e rt h el i q u i d - s o l i dc o u p l i n g i s a n a l y z e db ya n s y sp r o g r a m ，t h r o u g ht h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，t h ev a r i a t i o no f n a t m a lv i b r a t i o np r o p e r t i e sa l o n gw i t ho p e n i n ga n dl i q u i d s o l i dc o u p l i n ga f f e c t i n gt h e n a t u r a lv i b r a t i o np r o p e r t i e so fr a d i a lg a t e sa r ek n o w n f i n a l l y , t h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha sn a t u r a lf r e q u e n c i e s ，m o d a ld a m p i n g a n dm o d a ls h a p e ，o fap l a n eg a t ew i t hv i o l e n tv i b r a t i o ni nt h eo u t l e to fi n v e r t e ds i p h o n i l 硕士学位论文 a r eo b t a i n e db ye x p e r i m e n ta n da n a l y s i sw i t hh a m m e re x c i t a t i o n m e t h o d t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es t r u c t u r ed e s i g n i sr e a s o n a b l eo fp l a n eg a t e ，t h e f u n d a m e n t a lf r e q u e n c yo ft h es t a b l ew o r k ，a n dh i g h e rt h a nt h ef r e q u e n c yo fd y n a m i c w a t e rl o a d ，c a nm e e tt h ee n g i n e e r i n gr e q u i r e m e n t s c o m b i n i n gw i t ht h ep r o j e c te x a m p l e s ，n u m e r i c a lc a l c u l a t i o na n dm o d a lt e s to f p l a n eg a t ew a sr e s e a r c h e dw h i c hi si nt h eo u t l e to fi n v e r t e ds i p h o n ，t h er e s e a r c h e s h a v et h ec e r t a i nr e f e r e n c ev a l u eo nt h er e a s o n a b l ed e s i g nt ot h ep l a n eg a t e k e y w o r d s ：i n v e r t e ds i p h o n ；p l a n eg a t e ；f i n i t ee l e m e n t ；s t a t i ca n a l y s i s ； l i q u i d s o l i dc o u p l i n g ；e x p e r i m e n t a lm o d a la n a l y s i s i l i 目录 目录 畿_ 要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 选题背景及其意义l 1 2 平面闸门结构概述1 1 2 1 闸门的组成1 1 2 2 平面闸门的分类3 1 2 3 平面闸门的特点4 1 3 研究现状5 1 4 问题的提出6 1 5 论文主要研究内容7 第2 章倒虹吸平面闸门的水力条件与结构分析8 2 1 倒虹吸水力学条件8 2 1 1 倒虹吸管概述一8 2 1 2 倒虹吸管的水力计算一9 2 2 平面闸门的静水压力计算1 2 2 3闸门结构分析和计算1 4 2 4 算例及计算结构分析18 2 4 1 基本资料18 2 4 2 结构计算19 2 5 本章小结。1 9 第3 章基于有限元法的平面闸门静力分析2 1 3 1 有限元方法概述2 1 3 2 有限单元法在闸门结构分析中的应用一2 2 3 3 基于a n s y s 的平面闸门静力分析2 6 3 3 1a n s y s 软件概述2 6 i v 硕士学位论文 3 3 2 基于s o l i d w o r k s 平面闸门的三维建模一2 8 3 3 3s o l i d w o r k s 与a n s y s 之间三维模型数据交互2 9 3 4 平面闸门有限元软件分析实例3 0 3 4 1 计算基本资料3 0 3 4 2 结果分析3l 3 5 基于s o l i d w r o r k s 的平面闸门静力分析3 5 3 5 1 平面闸门在s o l i d w o r k s 中的静力分析3 5 3 5 2 平面闸门结构优化分析3 7 3 6 本章小结3 9 第4 章平面闸门的动力特性研究4 0 4 1 引言4 0 4 2 流固耦合有限元方程的建立4 0 4 2 1 不可压缩流体的有限元方程4 0 4 2 2 弹性结构振动的有限元方程4 4 4 3 基于a n s y s 平面闸门动力特性分析一4 5 4 3 1a n s y s 耦合场分析4 5 4 3 2 流固耦合模型的建立4 6 4 3 3 a n s y s 参数化设计语言( a p d l ) 编写4 7 4 3 4 约束条件及求解方法4 9 4 4 考虑流体作用下平面闸门结构动力特性一4 9 4 4 ，l 有水无水条件下结构基本频率和振型4 9 4 4 2 不同开度条件下平面闸门结构动力特性5 1 4 4 3 计算结果分析5 2 4 5 本章小结5 3 第5 章平面闸门试验模态分析5 4 5 1 模态分析与模态参数识别原理5 4 5 1 1 试验模态分析的基本理论5 4 5 1 2 模态参数识别原理5 6 5 2 模态测试方法5 6 v 目录 5 2 1 模态试验系统5 7 5 2 2 模态试验激振方法5 7 5 2 3 模态试验步骤5 8 5 3 模态测试系统和测试过程一5 9 5 3 1 模态测试系统5 9 5 3 2 闸门的模态测试6 0 5 4 试验结果分析6 1 5 5 闸墩模态分析一6 4 5 6 本章小结6 5 第6 章结论和展望6 6 6 1 结论6 6 6 2 展望6 7 参考文献一6 8 攻读学位期间成果7 3 致谢7 4 v i 硕 j 学位论文 1 1 选题背景及其意义 第1 章绪论 近年来，随着我国水利水电的发展规模不断扩大，在水电站和水利工程的兴 建和运行过程中，水工建筑物的振动问题一直难以得到较好的解决。水工建筑物 尤其是水工闸门的振动是很多水工建筑物破坏的根本原因，因此，对水工闸门的 静动力特性进行分析和研究，直接关系到水利水电工程的安全、可靠和有效运行。 在我国南水北调工程中，通过三条调水线路与长江、黄河、淮河和海河四大 江河的联系，构成以“四横三纵”为主体的总体布局，由于倒虹吸管是一种渠道 交叉建筑物，具有工程量少、造价低、施工安全方便和不影响河道洪水宣泄等优 点，因此在引水调工程中得到广泛的应用【1 。2 1 。由于其特殊的水力学条件，倒虹 吸水工闸门动力特性研究有着十分重要的工程使用价值。 虽然国外早在2 0 世纪3 0 年代已开始了水工闸门振动相关问题的研究，然而 流体与闸门结构相互作用的机理很复杂，还没有形成成熟、规范化的技术成果供 人们参考使用，因此，闸门结构振源分析、流激振动机理的研究具有重要的理论 意义【3 。5 1 。 本课题是以北疆大型水利枢纽中的倒虹吸出口处平面闸门振动现象为工程 背景，研究在倒虹吸特殊的水力学条件下平面闸门的静动力特性，并对其进行试 验模态分析。 1 2 平面闸门结构概述 1 2 1 闸门的组成 一般的闸门总是由下面几个主要部分组成嘲：( 图1 1 ) ( 1 ) 活动部分一闭塞孔口而又能开放孔口的堵水体，一般称为门叶。 ( 2 ) 埋设部分埋置在土建结构内部的构件，它把门叶所承受的荷载( 包括 自重) 传给土建结构。 ( 3 ) 启闭设备控制门叶在孔口中位置的操纵机构。 第l 章绪论 闸门的门叶一般由下列部件所组成：( 图1 2 ) ( 1 ) 面板封闭孔口的挡水面，它直接承受水的压力，然后传给构架。 但) 构架具有足够强度和刚度的结构物，它支承面板，把面板传来的水 压力传递到支承部件上去。 ( 3 ) 支承行走部件这些部件一方面把构架传来的力传给土建结构，一方 面保证门叶移动时灵活可靠。 ( 4 ) 吊具与启闭设备相连接的那种。 ( 5 ) 止水部件用以堵塞闸门门叶也埋设部件问隙缝的部件，它使闸门在 封闭孔口时无漏水现象或使漏水量减到最少。 闸门的埋设部件往往与门叶的型式有关，一般由下列部件构成。 ( 1 ) 支承行走埋设件；( 2 ) 止水埋设件；( 3 ) 护砌埋设件。 闸门的启闭设备一般由下列部件所组成： ( 1 ) 动力装置；( 2 ) 传动装置；( 3 ) 制动装置；( 4 ) 连接装置；( 5 ) 支承及行 走装置。 1 活动部分；2 埋设部分；3 启闭殴备 图1 1闸门的组成 f i g 1 1c o m p o s e do f t h eg a t e 1 面板；2 构架；3 止水部分；4 止水埋件；5 支承行 走装置( 滚轮) ；6 - 支承行走装置埋设件；7 - 吊具 图1 2 平面闸门f - j 盱t - 的组成 f i g 1 2c o m p o s e do ft h ep l a n eg a t ef l a p 硕i ：学位论文 1 2 2 - t 面闸门的分类 水工建筑中的闸门类型很多，平面闸门是用得非d ，f f ， 广泛的门型。按照构造特 征，平面闸门可以分为：直升式、横拉式、转动式( 包括横轴式和竖轴式) 以及浮 箱式。 直升式平面闸门是用得最为广泛的一种门型，它是一块平板形式的门叶插在 门槽内而起堵水作用。一般还可连接支承行走部分的构造形式，分为滑动门、滚 动门、履带门和串辊门几种，图1 3 为滑动式平面闸门，即也是本文研究的平面 闸门类型。 横拉式平面闸门( 图1 4 ) 是在平板门叶的底部或顶部安设行走滚轮，可沿轨 道横向移动，因它只能在静水条件下操作，故多用在船闸或船坞上。 图1 3 滑动式平面闸| 、j f i g 1 3s l i d i n gt y p ep l a n eg a t e 幽1 4 横拉式平面闸i 、j f i g 1 4 h o r i z o n t a lr u m s f e l dp l a n eg a t e 图1 5 舌瓣闸门图1 - 6 盖板闸门 f i g 1 5f l a pg a t ef i g 1 - 6 c o v e rg a t e 转动式平面闸门也是用得相当广泛的门型。横轴转动平面闸门又可按轴的安 设位置在底部、中部或顶部而分为舌瓣闸门( 图1 5 ) 、翻版闸门或盖板闸门( 有时 3 筇l 章绪论 也称为拍门，图1 6 ) 。竖轴转动平面闸门也可按轴的安设位置在端部或中部而分 为一字闸门或旋转闸门。当左右采用两扇一字闸门而对接处保持一定夹角时则称 为人字闸门( 图1 7 ) 。由于人字闸门在关闭时两扇门叶形成三铰拱形式，故结构 比较特殊，人字闸门和一字闸门一般都只能在静水中操作，广泛应用在船闸上。 图1 7 人字闸l 、j图1 - 8 浮箱闸i 、j f i g 1 7 m i t e rg a t e f i g 1 8b u o y a n c yt a n kg a t e 浮箱式平面闸门( 图1 8 ) 的门叶形如空箱，在水中可以浮动，而当在箱内充 水时又能使门叶沉没水中。它的用法是将空门叶托运到门槽位置后，充水使门叶 下沉就位。因此，浮箱式平面闸门只能在静水中操作，一般多用作船坞工作门或 其他闸门的检修门。 平面闸门按支承形式的不同而有滑动式、滚轮式和履带式几种。滑动式支承 由于制造加工较复杂，经济性能较差，目前较少采用。滚轮式支承有很久的应用 历史，其最大优点是摩阻力小，因此构造也比较复杂，对埋件要求较高，造价较 高，目前应用仍很普遍。履带式支承的摩阻力比滚轮式支承更小，不过由于零件 多，维护要求较高，实际效果往往并不理想，加上制造复杂，造价很高，目前也 很少应用。 1 2 3 平面闸门的特点 直升式平面闸门是用得最为广泛的一种门型，因为它能满足各种类型泄水孔 道的需要。它的优缺点如下： 优点： ( 1 ) 可封闭相当大的面积的孔口； ( 2 ) 建筑物顺水流方向的尺寸较小； 硕士学位论文 ( 3 ) 闸门结构比较简单，其制作、安装和运输工作相对来说比较简便； ( 4 ) 门叶可移出孔i z l ，便于检修维护； ( 5 ) 门叶可在孔口互换，故孔口较多时可兼作他孔的事故门或检修门； ( 6 ) 门叶可沿刚度分成数段，有利于泄冰或排沙，也可以减轻起门力； ( 7 ) 闸门的启闭设备比较简单，对移动式起门机的适应性较好等。 缺点： ( 1 ) 需要较高和较厚的闸墩( 但升卧式平面闸门并不需要很高的闸墩) ； ( 2 ) 具有影响水流的门槽，特别在水头较高的情况下，门槽的存在会带来很 多的麻烦； ( 3 ) 所需启闭力较大，故需选用较大的起门机等。 平面闸门是水利水电工程中广泛采用的一种设备，其主要作用是根据工程需 要封堵孔口、控制和调节水流，具有布置紧凑，制造较易，使用安全可靠，维修 方便等特点。所以至今为止世界各国的工程设施上平面闸门的采用数量仍居首 位。中国水利工程使用最早最多的闸门是平面闸门，目前焊接钢闸门已普遍采用， 从其设计、制造、安装及运用等诸方面均已达到世界先进水平。 1 3 研究现状 大量的工程实践表明，造成闸门强烈振动的根本原因在于水动力荷载和闸门 结构动力特性的不利组合作用。从已有失事工程分析，特殊水动力荷载是导致结 构失事的外部原因，而结构动力特性缺陷是问题的本质所在，因此，如何避免或 消除共振是工程上一个重要课题。 国外的学者对其振动激励机理进行了大量的研究2 】： ( 1 ) 美国b l e v i n s 按流动和工程结构的性质，将流体诱发振动分成稳定流动 和非稳定流动两大类，又按诱发振动原因分成若干种振动形式。 ( 2 ) 德国n a u d a s c h e r 按诱发振动的主要激励机理将流激振动分为四类：部 诱发振动稳定诱发振动动诱发振动振流体振子诱发激励。 ( 3 ) 加拿大w e a v e r 按振动的特征将流体诱发振动分成三类：水流振动引起 的强迫振动、自控振动、自激振动。 近十年来，我国学者对流固耦合问题也进行了较多的研究： 第1 章绪论 ( 1 ) 李火坤、等分别用子空间迭代法和u n s y m m e t r i c 法对闸门进行了干模态 分析和湿模态分析，得出流固耦合效应对闸门的自振频率影响不可忽略 1 3 - 1 4 】。 ( 2 ) 曹青、等用m s c 公司开发的大型结构计算软件n a s t r a n 来对闸门流 固耦合问题进行分析研究，程序中用源( 汇) 法求附加质量来考虑流固耦合效应 【1 5 】 o ( 3 ) 严根华、阎诗武等把流体对弧门结构的动力作用等价为求解弧门振动是 流体运动的边值问题，从微幅振动的流体方程出发，应用数值计算原理，提出了 水工弧门水弹性耦合共振频率的三维边界元、有限元混合计算模型【1 6 1 。 ( 4 ) 阎诗武等在分析动力作用的基础上，建立了闸门振荡与水面波动的耦联 方程1 7 1 。 ( 5 ) 大连理工大学叶子青采用了大型有限元分析软件a n s y s 对闸门进行了 有限元建模，运用边界元理论自编程序计算了闸门扰动时动水压力的分布，并推 导了附加质量计算的简化方法，还得到了闸门在有水和无水时的自振频率，直观 的观察了闸门的模态振型【1 8 】。 诸多研究表明，闸门在水中的振动属于流体弹性理论范畴【1 9 1 ，其振动是弹 性系统和流体相互影响的过程，水流诱发结构振动最基本的问题就是流固耦合 问题，耦联振动对于工程结构的危害巨大，同时也一直是工程界所关注的问题， 即研究闸门振动的难点所在。实际工程中的闸门结构与流体耦合的作用方式多种 多样，振动激励源也十分复杂多变。 1 4 问题的提出 平面闸门的静力分析主要有两种方法：一是国内现行钢闸门设计规范所建议 的按平面结构体系计算的结构力学方法；二是现国内外普遍采用的按空间体系考 虑的有限单元法。由于在实际工作中，平面闸门是一个空间结构，所作用的荷载 由全部组成的构件共同承担。因此，在按平面体系计算各个构件内力时，不管做 多么精细的假定，总是不能很好的反映出其真实的工作情况。为了全面了解闸门 各个构件的实际应力状态，在平面闸门的设计中，对平面闸门进行空间有限元计 算分析，校核其强度和刚度。 虽然平面闸门振动的外因有着不同的解释，但闸门的自振特性却标志着闸门 6 硕士学位论文 振动的内因，闸门的自振特性取决于闸门结构刚度、质量分布和材料性质等。平 面闸门结构振动的大小由结构自振频率与激励频率的关系及结构的刚度所决定， 若作用力的激励频率接近或等于系统的固有频率时( 例如，水流的脉动频率接近 闸门的自振频率) ，不管这种激励频率是外力固有的，还是由于结构与水流发生 耦合而发生的，振幅都将逐渐增大，即闸门发生共振，但是由于阻尼的影响，振 幅并不会无限增大，而是达到一个很大的数值，这将使闸门整体或局部发生强烈 的振动，在门叶结构内出现超常的应力和应变，最终使闸门结构受到破坏。尽管 国内的学者从不同角度对平面闸门振动问题进行了大量的试验和研究，并取得了 一定成果，但由于平面闸门是一个较为复杂的空间结构体系，闸门振动现象比较 复杂，以及对水流动力作用的性质和机理尚未完全掌握，因此，平面闸门振动问 题的研究仍处于探索阶段。 1 5 论文主要研究内容 ( 1 ) 通过阅读大量国内外平面闸门相关材料文献，了解平面闸门事故破坏原 因及平面闸门静动力特性分析的研究现状。 ( 2 ) 采用平面结构体系计算方法对平面闸门进行结构的计算以及计算倒虹吸 出口的水力学条件，并用s o l i d w o r k s 软件建立平面闸门三维模型、应用 s o l i d w o r k s 和a n s y s 软件分别对其进行静力分析，求得应变和应力情况，与理 论值进行比较分析。 ( 3 ) 利用a n s y s 对平面闸门进行模态分析，求得自振频率和振型，与试验 模态分析结果进行比较。 ( 4 ) 研究弹性结构与流体的耦联振动理论，并结合流固耦合效应，用a n s y s 软件计算分析在不同开度下，流体对平面闸门自振频率和振型的影响，得出闸门 的自振频率随开度的变化规律。 ( 5 ) 以北疆水利枢纽上倒虹吸出口平面闸门为观测原型，通过试验模态分析 方法研究平面闸门的动力特性，得到其自振频率及相应的振型，验证本工程中的 平面闸门自振频率是否满足安全要求。 ( 6 ) 结论和展望回顾全文所作的工作，指出了论文中的不足之处，并就其今 后的完善和改进工作提出了建议和期望。 7 第2 章倒虹吸、f 面闸门的水力条件i 结构分析 第2 章倒虹吸平面闸门的水力条件与结构分析 2 1 倒虹吸水力学条件 2 1 1 倒虹吸管概述 倒虹吸管2 0 f 又称反虹管、地龙或地涵) 是输送渠水通过山谷、河流、洼地、 道路或其它渠道的压力输水管道，是一种渠道交叉建筑物，是灌区配套工程中的 重要建筑物之一。 倒虹吸管由进口段、管道段及出口段三部分组成( 图2 1 ) ，其总体布置应满 足以下原则： ( 1 ) 具有良好的地形、地质条件时，倒虹吸管的轴线应尽可能与沟谷、道路 及河渠等相正交：管轴线的平面布置常在一条直线上，以获得最短的管道轴线。 ( 2 ) 进口段尽可能布置在挖方渠段上，以减少沉陷、渗漏及塌方现象。 ( 3 ) 出口段的布置应使出口断面逐渐扩大，以调整出口水流的流速分布，减 少水头损失，防止对下游渠道的冲刷。 ( 4 ) 管线布置时，在立面内，应力求避免上凸形拱翘布置，以求水流顺畅。 工程量大时，挖除凸起段或填筑凹下段可作方案比较后确定。实在不能避免时， 管项部应设真空破坏装置，如通气阀之类。 进口段管道段 出口段 i - 渐变段：2 - 沉沙池；3 - 拦污栅；4 一闸门；5 消力池；6 一挡水胸埔；7 管身 图2 1倒虹吸管结构简图 f i g 2 - 1 s k e t c hm a po fs t r u c t u r ef o ri n v e r t e ds i p h o n 硕士学位论文 由于倒虹吸管具有工程量小、施工方便。节约劳动力而且造价低、可以工业 化生产等优点，建国以来，在我国水利工程建设中，修建了大量倒虹吸管，对稳 定旱涝保收、高产稳产农田及供应城市工业和生活用水都起了一定作用。在如今 南水北调工程中，倒虹吸管显得尤为重要。 倒虹吸管的缺点是水头损失大。在水头宝贵的灌区工程中，它的使用受到一 定的限制。此外，通航渠道上亦不能采用倒虹吸管。由于承受高压水头，倒虹吸 管在运用和管理方面亦不及渡槽等建筑物方便。 2 1 2 倒虹吸管的水力计算 倒虹吸管水力计算是根据管道的横断面尺寸与管数以及进出口段各个部分 的布置形式、尺寸和有关高程进行理论求解。主要研究内容分为管身过水断面分 析和进出口水力计算两个方面。 ( 1 ) 管身过水断面分析 倒虹吸管内的水流为压力管流，过水能力可按压力管道公式计算 q = i t o j 1 2 9 z( 2 1 ) z 2 _ + 嘭2 ( 白+ f ，) 瓦0 2 ( 2 - 2 ) 关； 式中：q - 过水流量( m 3 s ) ； ( 2 - 3 ) 国过水断面( n 1 2 ) ； z 进出口水位差，即总水头损失( m ) ； 流量系数，无因次量，与管内沿程摩擦损失及局部阻力损失有 白沿程阻力系数： 白局部阻力系数之和； 三管道全长( m ) ； 9 耘 一f 圹 第2 章倒虹吸平面闸门的水力条件与结构分析 眈圆管内直径( m ) ； j i z ，沿程水头损失( m ) ； 吩局部水头损失( m ) ； u 管内平均流速( “s ) ； g 重力加速度( 1 1 1 s 2 ) 。 倒虹吸管的流量和允许的水头损失值一般在灌区初步设计中己确定，管道布 置及其长度和结构型式等，通过总体布置和管道布置也基本拟定。 ( 2 ) 水头损失计算 倒虹吸管在输水过程中，因克服阻力而消耗了能量，损失了水头，使管道出 口处水面高程回复不到进口处水面高程。因此，进出口水位差的大小，决定于倒 虹吸管内的水头损失。 管道的水头损失，根据引起的原因不同，可分为两类：一类是沿程水头损失， 以办，表示；另一类是水流经过管道进出口断面交换处、闸槽、拦污栅、冲砂孔、 弯道和管径变换处等的局部水头损失，以办，表示。两者之和，即为总水头损失( z ) a 沿程水头损失与管道长度、直径大小和管内壁的粗糙率有关，按式( 2 4 ) ，( 2 5 ) 计算： _ = 石a l 瓦0 2 ( 2 - 4 ) t = 元瓦l 瓦v 2 ( 2 5 ) a = 8 9 c 2 c = r 1 7 8 刀 式中：r 断面水力半径。对于圆管，r = 见4 ，见为水管内径，故式 ( 2 4 ) 变为式( 2 5 ) ； 管道长度( 叫； 元沿程损失系数； l o 硕士学位论文 c 谢才系数； n 一目糙系数，或称粗糙率，由管道的材料及其表面的光洁程度决 定。我国早期修建的钢筋混凝土倒虹吸管多采用n = 0 0 1 7 ，近年来随着施工工艺 水平的提高，一般多采用0 0 1 4 。欧美一些国家采用钢筋混凝土管的n 值为0 0 1 2 0 0 1 2 5 。 倒虹吸管的局部水头损失占沿程水头损失的百分比，随管道长度而变化，一 般为5 - - 2 0 。局部水头损失( _ ) 由各种局部损失系数之和与流速水头的乘积 组成，按式( 2 - 6 ) 计算： 亿缸口+ 磊槽+ 魄栅+ 岛道+ 白大+ 磊小+ + 缸c 1 瓦0 2 ( 2 - 6 ) 式中：缸口- 进口损失系数，与进口形状是否圆滑顺畅有关。直井式倒虹 吸管进1 5 损失系数可采用1 0 ；缓坡式可作为没有修圆的进1 5 ，采用0 5 。 氕口管道流入明渠的损失系数； 磊槽平板闸槽损失系数，约为0 0 5 , - 0 2 ； 魄栅拦污栅损失系数，由式( 2 7 ) 计算： 磊栅= f l ( s b ) 3s i n a ( 2 - 7 ) 式中：与栅条形状有关的形状系数； s 栅条厚度； b 栅条间距( m ) ； 口拦污栅与水平面夹角( 度) ； 知道弯道损失系数，与转弯角口、转弯半径r 及水管内直径眈有 关。 白大斯放管损失系数； 磊小渐缩管损失系数； 总水头损失： 第2 章倒虹吸平面闸门的水力条件与结构分析 嘞肾愕+ 白 丢 倘若管内的流速超过2 5 m s ，则必须要求考虑管道出口水面回升情况，其 值为h 7 = ( 嵋一嚷) 2 9 ，如设计中忽略此值，则设计水头损失值将偏大，以 致造成管道进口达不到淹没深度。 故总水头损失应为 z = + 勺一( m ) ( 2 8 ) 渠道进口行近流速水头甚小，除大型工程外，一般忽略不计。将式( 2 2 ) 移项 并整理得 归丽1 厄 ( 2 - 9 ) 因q = 缈u 所以 q 2 藤i 霖缈厍 ( 2 - l o ) 、 d b 厶一 令为压力管的流量系数 胪再i 面 p 1 1 则q = 国2 9 z ，即水力计算基本f f 式( 2 1 ) 。 ( 3 ) 进出口水力计算 进出口水力计算内容包括：进出口渐变段长度；进口沉砂池；出口消 力池；通过小流量时，进口水跃处理；加大流量时进口壅水位确定。对于一 般中小型倒虹吸管，其中有些需通过水力计算，有些可以按经验公式估定。 2 2 平面闸门的静水压力计算 在重力作用下，水静力学的基本方程为： 硕士学位论文 p = p o + ，乃 在水深h 处静水压强p 是由两部分组成： ( 1 ) 从水面传来的表面压强p o ： ( 2 ) 单位面积上高度为h 的水柱重量，其中y 为动载系数。 ( 2 - 1 2 ) 一般情况下水面都与大气相连通，作用在水面上的压强为大气压强。在水利 水电工程中，因为大气压强均匀地作用于建筑物两侧，自相平衡，所以不予计算， 仅需计算由水重所产生的压强，称为相对压强，即： p = y h ( 2 一1 3 ) 包括大气压强和相对压强两部分的压强称为绝对压强，即： 见= p o + p = p o + 7 h ( 2 1 4 ) 用水柱高度表示的压强办：旦称为压力水头。 7 在实际应用中通常相对压力表示点压力。因而，在水下任意深度的计算点， 其点压力为： 只= 砘 ( 2 1 5 ) 其中：尼征意点的压力； 7 j l 任意点的水深。 总压力是由点压力合成的，总压力包括大小、方向和作用点。 在闸门的水力计算中，经常要计算平面上的总压力。平面闸门上静水总压力 的计算，其基本分析方法是建立在总压力由点压力合成这一微积分概念上，求解 由许多不均匀连续分布的平行力系所组成的合力。 根据静水压强与水深成正比的线性分布规律，在水深h 处，取闸门上一微小 面积d o ) 进行分析。 如图2 2 所示，若闸门宽度为b ，则d o ) = b d h ；作用在微分面积d o ) 上总压 力为： d p = y h b d h ( 2 - 1 6 ) 第2 章倒虹吸、i ，面闸门的水力条件与结构分析 因此，作用在整个闸门平面上的静水总压力为： p = 安y h b d h = j ，b 毫h d h = 专y h 2 b ( 2 - 1 7 ) bb cb p b = 7h a a t 1 j 一 j 降d 飚o = 麟b a 阮 b b 图2 - 2 平面闸门水压力分布简图 f i g 2 2 d i s t r i b u t i o nm a po f w a t e rp r e s s u r ef o rp l a n eg a t e 根据不同受力情况的静水压力分布图，可以推导出平面闸门在不同情况下的 总压力计算公式。 2 3 闸门结构分析和计算 闸门在实际工作中是一个空间结构，各构件之间的相互关系相当复杂。大多 数情况下可以把闸门划分成许多平面结构来计算分析，同时，即使采用空问结构 的理论来计算闸门，在初步确定构件的截面尺寸时，仍以平面体系分析法比较简 单。当将一个空间结构分拆成几个平面体系时，应尽可能符合结构的实际工作条 件，即既考虑整个结构的总变形情况，又考虑到各个构件的相对刚度和它们的变 形情况。总之，要使结构在荷载作用下的变形相互协调。闸门承重结构各构件的 计算不外乎板、梁( 或桁架) 和柱等几种型式。因此，着重分析计算这些构件即可。 ( 1 ) 面板的计算【2 1 - 2 2 1 面板是闸门结构必不可少的构件，一般做成平面或曲率很小的弧面，很少采 用其它形式。面板一方面直接承受水压力并把它传给梁格，一方面它又参加了承 重结构的整体工作。因此它的工作性质比较复杂。在按平面体系方法计算时，主 要分为以下几种方法： 1 巴赫公式 硕士学位论文 这是在水利工程中用得最为广泛的面板计算公式，它是根据小规模的实验成 果再辅以简单的理论分析( 材料力学方法) 得到的半经验半理论公式，其形式如 下： 盯= 善砉筹ab p 2 万22+2 、 式中：p 面板中心的平均水压力强度； 板边缘固定系数，对固定得很牢的边缘矽= 0 7 5 ，对自由放置 的边缘矽= 1 0 0 。 由于巴赫公式比较简单，长期应用以来，还没有过因面板毁坏而造成工程失 事的实例，故可认为按它来设计面板具有足够的安全度。按巴赫公式计算面板时， 同时也允许面板参与梁格的工作，即作为梁格截面的一部分。 2 德意志联邦共和国工业标准制定的方法 德意志联邦共和国在1 9 7 2 年颁布的d i n l 9 7 0 4 ( 草案) 中提出面板因水压力引 起的局部弯曲应力应按弹性薄板计算公式求得，其形式如下： 弘始，等( 2 - 1 9 ) 式中：p 面板中心的平均水压力强度；