（水工结构工程专业论文）水力自动翻板闸门脉动压力对闸门结构及泄流量的影响分析研究.pdf

摘要 连杆滚轮式水力自动翻板闸门因其有随水位自动启闭，结构简单、造价低 廉等特点，在各类水利工程中得到广泛应用。但是此门型仍存在一些值得关注 的问题，如闸后空腔脉动负压、闸门运行的频繁摆动、“拍打”、闸门泄流的水 力现象复杂等。本文从连杆滚轮式水力自动翻板闸门稳定性分析和受力分析入 手，通过模型试验对闸门的脉动负压进行初步探讨，研究分析脉动压力对闸门 结构、过闸流量和流速的影响，使该闸能广泛地应用于各类水利水电工程、城市 环境保护和灌区综合治理等相关工程中，对社会的发展和环境治理有着重要的 意义。本文研究的主要内容如下： ( 1 ) 介绍翻板闸门的发展历程及其工作原理；分析翻板闸门运行时的静态 和动态平衡原理。对造成闸门运行不稳定的各种原因进行概括；并针对翻板闸 门的工作原理，对翻板闸门运行中存在不稳定现象的主要原因进行了分析。 ( 2 ) 针对传统翻板闸门设计未能全面考虑脉动压力这一问题，本文从脉动 压力产生原因、产生机理及脉动压力值大小和作用规律等方面进行研究。通过 频谱分析法对翻板闸门的脉动压力进行了分析与研究；并考虑通过工程措施设 置通气管，降低或消除脉动负压对翻板闸门的影响。 ( 3 ) 根据水闸设计规范( s l 2 6 5 2 0 0 1 ) 、水工钢筋混凝土设计规范 ( d l t 5 0 5 7 1 9 9 6 ) ，论述了翻板闸门的设计理论。利用大型有限元软件a n s y s 对闸门进行应力、应变分析，给出分析结果并利用分析结果来验证和完善翻板 闸门的设计理论。 ( 4 ) 利用6 2 。6 米的门型，制作模型，并进行模型试验，针对翻板闸门运 行时存在“拍打”现象，对翻板闸门的门后空腔负压进行了重点试验，分析脉动 负压的存在对过闸流量和闸门开度的影响，同时对翻板闸门的过闸流量计算公 式进行了讨论。 关键词：水力自动翻板闸门 结构分析 “拍打” 脉动压力 系统自调节 模型试验 a b s t r a c t t h eh y d r a u l i cb a l a n c e dw i c k e tc o n n e c t i n g1 e v e r sa n dr o l l i n gw h e e l sh a s b e e nw i d e l yu s e di na l lk i n d so fw a t e r c o n s e r v a n c yp r o j e c t sb e c a u s eo f i t sa u t o m a t i c a l l ys w i t e h i n g ，s i m p l es t r u c t u r e ，1 0 wc o s t ，e t c b u ti ta l s o h a ss o m ea s s e tp r o b l e m s ，s u c ha sf l u c t u a t i n gp r e s s u r ei nt h eb a c ko fg a t e ， c o n t i n u a l l ys w i n g i n g ，f l a p p i n g ，t h ef l o o dc a r r y i n gi sc o m p l e xa n ds o o n t h ep a p e rm a i n l yc o n c e r n sa b o u tt h es t a b i l i t ya n a l y s i s ，s t r e s s i n g o fs t r u c t u r ea n dd os o m eb a s i cs t u d yo ft h ef l u c t u a t i n gp r e s s u r e a tt h e s a m et i m e ，t h ei n f l u e n c eo ft h ef l u c t u a t i n g p r e s s u r et ot h e f l o o d c a r r y i n ga n dv e l o c i t yw a sa l s oa p p r o a c h e d ，i no r d e rt om a k e t h i sg a t e i sb e t t e ra p p l l e dn o to n l yi nw a t e r c o n s e r v a n c yp r o j e c t s ，b u ta l s oi n s h i p p i n gp r o j e c t s c i t y e n v i r o n m e n t a la n do t h e rc o r r e l a t i v e p r o j e c t s ，w h i c hw i l lm a k eg r e a t e rd i f f e r e n c eo ns o c i a ld e v e l o p m e n ta n d b e t t e rl i v i n ge n v i r o n m e n t t h em a i nc o n t e n t so ft h ep a p e ri sf l o w i n g ： ( 1 ) t h ed e v e l o p m e n t sa n do p e r a t i n gp r i n c i p l eo ft h eh y d r a u l i cb a l a n c e d w i c k e tw e r ei n t r o d u c e d g i v e nt h es h a k i n gr e a s o n so ft h eg a t ea n ds t u d i e d t h eu n s t a b l ec o n s t i t u t i o np r o b l e mo ft h eh y d r a u l i cb a l a n c e dw i c k e t ， b a s e do nt h ew o r k i n gd o c t r i n e ( 2 ) a st h et r a d i t i o n a ld e s i g no ft h eh y d r a u l i cb a l a n c e dw i c k e td o e s n o tt a k ec a r eo ft h ef l u c t u a ti n gp r e s s u r e s o m er e s e a r c hh a sb e e nd o n e o nt h er e a s o n ，m e c h a n i c s ，s t a t i s t i c a lr e g u l a r i t ya n d t h en u m e r i c a l a n a l y s i s t h ef l u c t u a t i n gp r e s s u r ew a ss t u d i e db yt h ea p p r o a c ho f f r e q u e n c ys p e c t r u ma n a l y s i s ，a n dt h ep i p e sw e r ed e s i g n e di no r d e rt o e l i m i n a t et h ef l u c t u a t i n gp r e s s u r e ( 3 ) a c c o r d i n gt o d e s i g ns p e c i f i c a t i o nf o rs l u i c e ( s l2 6 5 2 0 0 1 ) a n d d e s i g ns p e c i f i c a t i o n f o r h y d r a u l i cr e i n f o r c e dc o n c r e t e ( d t t 5 0 5 7 1 9 9 6 ) ，s t r e s sa n dt h es t r a i no ft h eg a t ew e r ea n a l y z e db yt h e s o f t w a r eo fa n s y s ，a n dt h er e s u l t so ft h ea n a l y z ec a nd i r e c tt h eg a t e d e s l g n ( 4 ) u s i n gag a t eo f6 * 2 6 m 2 ，t h eg a t em o d e lw a sm a d ea n ds o m es i m u l a t i o n t e s t sh a v eb e e np r a c t i c e d i nt h et e s t s ，s o m ep r o b l e m si nt h ef l a p p i n g a n dt h ef l u c t u a t i n gp r e s s u r ew e r ef o u n da n da n a l y z e d t h ef l o o dc a r r y i n g a n da c t u a lo p e n i n gi n f l u e n c eb yt h ef l u c t u a t i n gp r e s s u r e w a sa l s os t u d i e d a n da n a l y z e d ，a n dt h ee x p r e s s i o n so ft h ef l o o dc a r r y i n gw a sd i s c u s s e d k e yw o r d s ：h y d r a u l i cb a l a n c e dw i c k e t f l a p p i n gs y s t e m a c c o m m o d a t e s t r u c t u r ea n a l y s i s f l u c t u a t i n gp r e s s u r e s i m u l a t i o n t e s t s 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的 研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本 人负全部责任。 论文作者( 签名) ：刻丛生2 1 9 辑岁月；日 学位论文使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学 位论文的复印件或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。 论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究 生院办理。 论文作者( 签名) ：刻叁望 塑2 年月；日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 翻板闸门的发展概况1 l 水力自动翻板闸门是一种借助水压力和重力作用，随着水位的变化，为保 持水压力与重力的平衡而自动启闭的闸门。它是利用力矩平衡原理使闸门绕水 平轴转动，可以实现自动开启和关闭，工程人员形象地称之为翻板闸门。这类 闸门常用于拦河闸上，在正常蓄水位时，闸门关闭拦蓄河水，起到壅高水位的 作用，以满足灌溉、发电和航运的需要。当上游洪水爆发或来水量增加，上游 水位抬高，闸门能自动地开启，及时地从闸门的顶部、底部同时泄洪，确保上 游农田和两岸免受淹没；待上游水位降落到一定程度时，闸门自动关闭，重新 拦蓄河水。 水力自动翻板闸门在国内外已有较长的应用历史，由于早期门型存在的问 题较多，一度未引起人们的重视和兴趣，虽从十九世纪初期就开始运用，但是 一直没有很大发展。在我国，从上个世纪5 0 年代以来，交通航运和水利部门对 水力自动翻板闸门开始进行了广泛而长期的试验研究和工程实践，在门型结构、 门体材料以及工作原理等方面有所突破。2 0 世纪7 0 年代初期，我国开始陆续 涌现出一批新型的水力自动翻板闸门。这类闸门开始在防洪、灌溉、发电、航 运、供水等部门中得到广泛应用。到了8 0 年代，连杆滚轮式水力自动翻板闸门 的出现使翻板闸门的结构型式和调节性能以及运行方式更加完善，从而使这类 闸门的应用得到进一步推广。尤其是在一些城市中，这类闸门可以抬高水位， 美化城市环境，节省人力和能源，达到一定的环保要求，因此得到广泛关注。 以下对水力自动翻板闸门的门型发展加以概述。 1 1 1 单铰翻板闸门 2 0 世纪6 0 年代初，单支铰翻板闸门( 见图1 1 ) 逐渐建成使用，其支铰安 置在门高的1 ，3 处，当上游水位未超过设计水位时，闸门直立挡水。当水位超 出设计水位一定值时，闸门自动开启，然后卧倒在与水平面成一角度的位置上。 当上游水位下降时，水压力合力值减小，合力作用点逐渐下移，总的关门力矩 大于总的开门力矩时，闸门则自动关闭，重新直立挡水。 河海大学硕士学位论文 图1 1 单铰式翻板闸门 l 一木面板：2 钢梁：3 支铰：4 一支墩；5 一配重块；6 一钢筋混凝土面板 单铰翻板闸门是一种早期的门型，运用实践表明，这种闸门存在如下几个 问题：( 1 ) 开门前上游水位产生较大的壅高值h ：( 2 ) 关门不及时，水位控 制不准确，调节性能较差；( 3 ) 闸门在开门倾倒时，瞬时下泄流量较大，对下 游消能防冲颇为不利；( 4 ) 闸门突开突关的运行方式，会产生很大的撞击力， 门体和支墩都很容易被撞坏。 为了改善闸门的运行条件，设计者使用了各种措施，例如在闸门底部加上 一定配重，或门体下部采用密度较大的材料，这样可以降低闸门的重心，使闸 门倾倒后重心仍偏向轴心的上游侧，以便闸门能较及时地关闭；或将支墩后部 适当垫高，使闸门开启后不致于倒平，有利于增加关门力矩。但是这些措旌并 不能从根本上解决单铰翻板门存在的问题，只有从结构上进行改造，创造新的 门型，才可能从根本上改变闸门的运行条件。 1 1 2 多铰轴翻板闸，门 为了改善闸门的调节性能，减小开门前上游水位的壅高和关门前上游水位 的降落，保证闸门安全运行，工程人员在单铰翻板闸门的基础上，对闸门的结 构做了进一步改造，设计出多铰轴翻板闸门( 见图1 2 ) 。它具有多个铰轴位和 开度，提高了闸门的调节精度，使闸门能随水位涨落而逐渐启闭，既能调节过 闸流量，又能避免闸门突开、突关所引起的震动或撞击。 第一章绪论 图1 2 多铰轴翻板闸门 1 一铰轴；2 一轴槽座：3 一支墩立柱；4 一支腿；5 一上部钢筋 混凝空心土面板；6 一下部钢筋混凝土实心面板；7 一纵梁 多铰翻板闸门的构造特点是在门体后加一框架式支腿，支腿后设有铰座， 铰座上设置有倾斜的轴槽座，轴槽座上又具有与铰轴相应的轴槽。闸门的工作 原理同样是力矩平衡，但是闸门的启闭过程为逐次翻倒或逐次关闭，逐次支承 于不同铰位的过程。这种闸门的优点是：闸门能逐次启闭，与单铰、双铰翻板 闸门相比，开门前水位壅高和关门时水位降落均较小，水位控制比较准确。 1 1 3 曲线铰式翻板闸门 单铰翻板闸门向多铰翻板闸门发展的研究与实践证明，多铰翻板闸门的调 节性能比单铰好，能较灵敏地以多种开度来适应上游水位的变化，使闸门基本 实现逐渐开启和逐渐关闭。但是多铰翻板闸门的支腿、铰轴及轴槽的结构相当 复杂，铰座的防污问题有待解决，调节的精度也有待提高。为了解决多铰翻板 闸门的不足，设计者用一完整的曲线形铰代替了多铰的作用，并取消了门叶后 的支腿，从而设计出曲线铰式翻板闸门( 见图1 3 ) 。 河海大学硕士学位论文 图1 r3 曲线铰式水力自动翻板闸门 1 一闸门门体；2 一圆弧曲线支座；3 链带支座面： 4 一可调螺栓；5 平街配重 曲线铰式翻板闸门与多铰轴翻板闸门相比，不仅结构简单，造价低廉，施 工维修方便，而且开门前闸前水位的壅高值较低，对保护上游农田起了很好的 作用。从曲线铰式翻板闸门的运行实践来看，在下游水位较低、保证自由出流 的条件下运用是比较成功的，因此曾一度受到工程技术人员和群众的欢迎。但 由于其随遇平衡的工作特点，使闸门抵御外来干扰力的能力较差，如波浪、动 水压力、下游水流的紊动等都可能使闸门改变开度位置，从而使闸门产生来回 摆动徐开徐关，甚至也有“拍打”现象，严重时会使闸门及闸底坎遭受破坏，这 在淹没出流情况下尤为严重，因此一般只适用于自由出流的情况。此外，这种 闸门型式漏水较严重。 1 1 4 连杆滚轮式水力自动翻板闸门 为了克服曲线铰式翻板闸门随遇平衡的工作状态，减弱或避免闸门的“拍 打”现象，使闸门能随着门前水位的变化而自动地逐渐开启或关闭，工程人员又 开始了新的尝试。2 0 世纪8 0 年代初，连杆滚轮式水力自动翻板闸门问世。该 闸门由面板、支腿、支墩、导轨、滚轮、连杆等部件组成( 见图1 4 ) 。 4 第一章绪论 图1 4 连杆滚轮式水力自动翻板闸门 连杆滚轮式水力自动翻板闸门是利用力矩平衡原理，在重力、水压力的作 用下，随水位( 来水量) 的变化而实现渐开、渐关的一种新型水力自动闸门。 与以往的单铰乃至多铰翻板闸门相比，连杆滚轮式翻板闸门利用连杆的阻尼作 用，使闸门的稳定性有了极大的改善，这种闸门的连杆、滚轮的尺寸大小和位 置设置得当时，基本不会发生“拍打”现象。 连杆滚轮式水力自动翻板闸门在启闭过程中，门叶完全由连杆和滚轮支承， 连杆、滚轮的尺寸大小和位置设置得当时，门叶的瞬时转动中心( 以下简称瞬 心) 随门叶向开启方向转动向门顶方向移动，或随门叶向关闭方向转动向门底 方向移动。当上游水位升高，水压合力增大且重力与水压合力作用线高于瞬心 时，产生转动力矩使门叶向开启方向转动，随着瞬心上移使水压转动力矩减少， 对于某一水位，当门叶转动到某一特定位置，使门叶转动的摩阻力矩与相应位 置的转动力矩平衡时，门叶将稳定于特定位置或开度。同样在关闭过程中，由 于上游水位下降，重力与水压合力作用线低于瞬心，形成使门叶向关闭方向转 动的转动力矩。当门叶转动到某一特定位置，门叶转动的摩阻力矩与相应位置 的转动力矩平衡时，门叶将稳定于此特定位置或开度。由于实际工程的水位涨 落都经历一定的时程，因而门叶的开度能平稳地随着水位的变化而变化。因此 该闸门除了具备多支铰闸门水位控制准确的优点外，在解决闸门运行稳定性这 一难题上取得了较大进展，得到了较快的推广应用，是国内目前应用比较广泛 的一种门型。 河海大学硕士学位论文 1 2 翻板闸门新的应用领域 连杆滚轮式水力自动翻板闸门的出现，使我国水力自动翻板闸门进入了一 个新时期，随着闸门调节性能以及运行方式更加完善，使得这类闸门的应用得 到了进一步推广，随着闸门运行稳定性的增加，水力自动翻板闸门的应用领域 有了进一步拓展；翻板闸门不仅在防洪、灌溉、发电、航运、供水等部门中得 到了广泛的应用，而且在一些城市建设中，这类闸门可以拾高水位，美化城市 环境，节省人力和能源，达到了一定的环保要求，因此得到了工程设计人员的 关注。翻板闸门的新应用领域主要表现在以下几个方面【扣8 】： 1 2 1 翻板闸门在城市景观中的应用 以往城市河道主要用橡胶坝来抬高水位，这种坝的优点是：设计和施工比 较简单，且对地址要求不高，行洪期允许漫坝。但该坝运行不够灵活，每次冲 水和放水都需要人工操作，耗费大量的人力物力，生产运行及维修成本高、管 理不方便。同时橡胶坝使用寿命短，5 7 年就需更换，特别是在气温高，太阳 辐射强，日照充足的南方地区，橡胶老化更快，上游带尖的漂浮易损坏橡胶坝 体。自动翻板门可以解决这一矛盾，闸门能够随来水量的变化自行调节，当来 水减少时，翻板闸门自动关闭蓄水，使上游水位抬高，满足城市河道水植物景 观的需水要求；当夏季下暴雨，来水量增加时，上游水位抬高，闸门能自动地 开启，及时地从闸门的顶部、底部同时宣泄洪水，确保不会发生河水溢出河道； 待上游水位降落到一定程度时，闸门自动关闭，重新拦蓄河水。近年来，为了 满足城市的可持续发展，随着人们治水思路的改变，以及对环境保护与美化意识 的增强冰力翻板闸门开始在城市园林景观、旅游、环保等综合工程中起到了较 好的应用，在水质改善工程中的应用也取得了成功。 1 2 2 改进型小型自动翻板闸门在灌区中的应用 农业开发的主题就是要在项目区实行灌排分家。但有些灌区有多处排水口 与行洪区不能形成立体交叉，发生降雨时，行洪区内水位上涨迅速，短时间内便会 发生洪水倒灌，由于受气候和环境的影响，管理人员不能及时关闭闸门，所以造成 很大的损失；改进型小型翻板闸门使用能及时有效地解决了田间排水与坡洪水 倒灌相矛盾的问题，取得了明显的效果。与常规闸门相比，自动翻板闸门节省了 第一章绪论 启闭设备和闸室的大部分工程，使投资大大降低，而且节省了管理人员的费用。 由于其轻便灵活，北方地区冬季时可以拆下来管理。根据不同的排涝面积，可 以相应地增大和减小闸门面积，做到经济合理。 1 2 3 翻板闸门与拱坝的结合 为了满足灌溉、发电、航运和供水要求，部分大坝会加高，考虑到拱坝的 特殊构造和工作方式，大坝的顶部较窄，施工场地较小，加高时存在一定的困 难。水力自动翻板闸门以其结构简单、造价低廉、运行可靠、管理方便、可预 制等特点，在水利工程中广泛应用。在考虑拱坝加高时，翻板闸门和拱坝相结 合是一种经济可行的方案( 见图1 5 ) 。与常规的浇筑混凝土加高的方式相比， 翻板闸门有着独特的优势，不仅在造价上可以节省大约5 0 的投资，且后期运 行方面也节省了大量的人员管理费用，经济效益更加可观。 图1 5 翻板闸门与拱坝的结合 1 3 问题研究的背景及意义 连杆滚轮式水力自动翻板闸门的出现，使我国水力自动翻板闸门进入了一 个新的时期，闸门的运行再也不是一次翻倒，而是逐渐地开启或关闭，运行过 程中几乎没有撞击力。总的来说，连杆滚轮式水力自动翻板闸门具有自动启闭、 运行可靠，结构简单、造价低廉，上游壅高水位较小，施工预制定型化、标准 化，管理方便，运行维修费用少，且利于排沙等优点。特别是在山区河流水土 河海大学硕士学位论文 流失严重的地方，把固定陂改建为连杆滚轮式水力自动翻板闸门，除了排沙效 果好外，还能解决上游的淹没、淤积损失，提高建筑物的兴利水位。进入新世 纪以来，随着人们环保意识的加强和可持续发展的需要，环境保护提到了一个 前所未有的高度。因此，连杆滚轮式水力自动翻板闸门不仅在各类水利水电工 程、航运工程中得到应用，而且广泛应用于城市环境保护、自然景观或其他相 关工程中，对社会的发展和生活环境的改善有着重要意义。 水力自动翻板闸门虽有以上诸多优点，但也存在着许多要关注的问题【8 】【9 】， 例如山区河道漂浮物堵塞问题、止水橡皮的磨损与老化问题、拉杆与滚轮等铁 件的锈蚀问题：尤其是闸门门后存在空腔负压问题、脉动压力对闸门运行稳定 性的影响问题等，翻板闸门运行的不稳定主要是指闸门的“拍打”，所谓“拍打”， 就是闸门在某一水位情况下，产生反复的开启、关闭，开关的幅度较大、频率 在每分钟6 0 次以上的周期性摆动现象。这种摆动严重时，闸门会剧烈撞击支墩 或底坎，不仅对周围居民带来生活上的不便，而且会危害到闸门的结构，使工 程失败。正是翻板闸门存在着这些问题，因此有必要对闸门进行进一步的研究， 找出问题的产生原因，提出解决问题的措施。通过不断总结经验，用理论与实 践相结合的办法来更加完善翻板闸门的性能，使翻板闸门的设计、施工、运行 管理等方面提升到一个新的高度。 1 4 本文的主要内容 连杆滚轮式翻板闸门的优点很多，但运行中还是存在一定的问题，本文针 对连杆滚轮式翻板闸门运行时脉动负压的存在及脉动压力对闸门运行的影响等 问题做了一些研究工作，并通过模型试验，找出运行中存在的问题及解决措施， 验证翻板闸门的一些理论，以便完善翻板闸门的设计理论，使该闸得到进一步 推广。主要内容如下： 1 在阅读大量文献资料的基础上，介绍翻板闸门的发展历程，对水力自动 翻板闸门的工作原理、基本平衡方程进行简介。分析翻板闸门的运行时静态和 动态平衡原理。对造成闸门运行不稳定的各种原因进行概括，并针对翻板闸门 的工作原理，对翻板闸门运行中存在不稳定现象的主要原因进行分析。 2 在传统翻板闸门设计原理基础上，本文从脉动压力产生原因、产生机理 第一章绪论 及脉动压力值大小和作用规律等方面进行研究。分析翻板闸门的常规受力，对 翻板闸门的脉动压力进行分析与研究，充分考虑翻板闸门运行时的受力工况。 并考虑通过工程措施设置通气管，达到降低或消除脉动负压对翻板闸门的影响。 3 根据水闸设计规范( s l2 6 5 2 0 0 1 ) 、水工钢筋混凝土设计规范 ( d l t 5 0 5 7 1 9 9 6 ) ，论述翻板闸门的设计理论。考虑脉动压力作用下翻板闸门 的运行稳定和受力情况，利用大型有限元软件a n s y s 对闸门进行应力、应变 分析，给出分析结果并利用分析结果来验证和完善翻板闸门的设计理论。 4 利用6 x 2 6 米的门型，制作模型，并进行模型试验，针对翻板闸门运行 时存在“拍打”现象，对翻板闸门的门后空腔负压进行重点研究。分析脉动负压 的存在对过闸流量和闸门开度的影响，同时考虑在设置通气管时，对翻板闸门 的流量和水位进行测量，对翻板闸门的过闸流量计算公式进行讨论。 河海大学硕士学位论文 第二章翻板闸门的工作原理与振动机理 2 1 翻板闸门的工作原理 水力自动翻板闸门利用力矩平衡原理进行工作。翻板闸门的工作状态分为 静态和动态两种。所谓静态，是指翻板闸门在某一开度上静止不动，作用在翻 板闸门上的各个力构成一静定平衡力系的状态。翻板闸门处于静态时，闸的上、 下游水位稳定不变，闸下出流量为常量。当水位变化时，翻板闸门的开度也随 之改变，翻板闸门随水位变化从某一开度过渡到另一开度的过程，称之为翻板 闸门的动态过程。处于动态过程之中运动着的翻板闸门，作用在门上的各个力 是变化的，而且并不平衡。 根据翻板闸门在静态时门上各个力的大小和它们之间的相互平衡关系来分 析翻板闸门的工作状态，称之为翻板闸门的静态工作原理。根据翻板闸门在运 动过程中所受的力和这些力在运动过程中的变化，来分析翻板闸门在运动过程 中的工作状态，称之为翻板闸门的动态工作原理。实践证明，一个性能良好的 水力自动翻板闸门，不但要求在静态时门上作用力要互相平衡，而且在动态中 也要保证翻板闸门能平稳地从一个静止状态过渡到另一个静止状态【9 1 。 2 1 1 翻板闸门的静态工作原理 翻板闸门在某一开度上固定不动时，闸门处在静态平衡状态，作用在闸门 上的力构成一平衡力系。此时作用在闸门上的荷载有：闸门自重w ，滚轮支承 力n ，连杆内力t ，门叶上游面、下游面、顶缘和底缘所受的水压力合力p ， p 2 ，p 3 ，p 4 ，以及橡皮侧止水摩擦力f 1 ，滚轮与导轨综合摩擦力f 2 。闸门要保 持在平衡状态不仅要求受力平衡，而且各力对铰支座的力矩之和为零。连杆滚 轮式翻板闸门的受力图如见图2 1 所示。 第二章翻扳闸门的工作原理与振动机理 图2 1 连杆滚轮式翻板闸门受力图 当翻板闸门在水压力f 和自重w 的作用下处于平衡状态时，各力力矩之和 为零，m f + m w = o ，此时连杆不受力。若上游来水增加，则水压力产生一个增 量f ，相应地增加力矩a m f ，结构体系有向下游转的趋势，此时连杆会产生 反力r ，形成阻抗力矩m r 来阻止其运转。随着来水量的增加，当m r 达到最大 值时，结构体系将处于向下游转动前的极限平衡状态。这时的静力平衡方程式 为 ( m f + a m f ) 一m w m r = o ( 2 1 ) 相反，当上游来水量减小时，则增加反向力矩m f ，连杆将产生拉力，极 限平衡时的静态平衡方程式为 ( m f - - a m f ) 一m w + m r = 0 ( 2 2 ) 有以上两式可见，当来水量变化时，连杆所产生的力矩m r 能使结构体系 重新维持稳定，但由于是连杆结构，不能保证结构不变形，当a f 增加( 或减 少) 至一定值时，连杆结构就会发生变位，闸门将增加( 或减少) 开度，从而 使a f 又发生改变，结构在新的位置通过新的m r 重新维持稳定。因此，连杆的 内力不是不变的，而是以不断改变的量来使闸门在新的变量中来维持稳定。同 时，由于连杆的存在，减缓了闸门的运转速度，使闸门必须克服m r 的最大值 河海大学硕士学位论文 才能转到新的开度。这样就保证了闸门的开启和关闭达到相对稳定。 2 1 2 翻板闸门的动态工作原理1 1 0 i 翻板闸门是以上游控制水位的方式运行的，当门前来水量改变时将引起门 前水位的改变，改变后的水位与此情况下平衡时的预定水位有一偏差，这一偏 差所产生的不平衡力使得闸门进行运动。在闸门的运动过程中，随着过闸流量 的改变，门前水位也随之改变，运动中的闸门将受到水流作用与它的惯性阻力、 运动阻力以及连杆的阻尼力的作用。当阻尼因素足以维持闸门的稳定运行时， 经过一阵的波动，所控制的水位将最后趋近于在新的平衡位置时的预定水位值， 而作用在闸门上的各力又趋于平衡，闸门在新的开度位置上平衡不动，这就是 翻板闸门的过渡过程。翻板闸门的运转机理可以用图2 2 的框图来说明。翻板 闸门可看成是一种自控调节装置，它根据上游来水量的变化进行自动控制【l0 。 图2 2 翻板闸门的运转机理图 假设闸门的初始状态是稳定状态，闸门的开度用闸门的倾斜角目表示，上 游的来水量等于闸门的泄量，即q 来= q 泄，上游水位为h 上。 当上游的来水量有一增量q 来时，因闸门不能立即开启至某一开度来适应 第二章翻板闸门的工作原理与振动机理 9 来的变化，造成来水量大于泄水量，即9 来+ 柬 q i ，引起门前水位暂时 溧高h ，从而使门前水压力增大，相应地作用于闸门上的力矩也增加一开门 力矩硝开。当m 开大于摩擦力矩时，闸门的开度有一增量口，闸门进入新 的状态。其开度为升口，相应有一泄量的增量q 泄，如果上游来水量不再变 化，在新的状态下闸门是否稳定并维持新的上游水位，取决于一下两个条件： ( 1 ) 来水量于泄水量是否相适应。如果来水量于泄水量相适应，即q k + q 来= q 泄+ a q 泄，也就是q k = q 泄，使新的开度与新的来水量相适应， 闸门仍维持哆t 不变，处于稳定运行状态。如果q 采a q 泄，使新的开度与新的 来水量不适应，则自动调整开度或影响上游水位，重复前面的过程。 ( 2 ) 下游水面的衔接是否合理。下泄量增加后，对于不同的流量，下游有 不同的水位情况，就可能出现不同的水面形式。一般来说，如果闸下是自由出 流，下游水位不会反馈于闸门，对闸门的稳定性基本没有影响。如果是淹没出 流或波状水跃或者门顶水舌与下部孔流水面间形成负压则有可能使紊动的水流 波及闸门，从而反馈于闸前水位。 当开门力矩增量刖m 开小于摩擦力矩时，闸门的开度不会变化，闸门是否稳 定，仍取决于来水量与泄水量是否相适应和下游水面衔接是否合理这两个条件。 当上游的来水量减少时，与来水量增加的分析类似。 2 2 翻板闸门的受力分析 连杆滚轮式水力自动翻板闸门在运行中受的作用力有：门重，门叶上游 面、下游面、底缘和顶缘所承受的水压力合力鼻：、只。、只、只，滚轮的支承力 ，连杆的内力，以及滚轮与导轨间的综合摩擦力f 。此外翻板闸门在运行时 还有脉动压力的作用，这将在后面的章节介绍。翻板闸门的受力图( 见图2 3 ) 。 按照作用于闸门上的各力相对于转轴的合力矩平衡原理【9 】【1 0 1 进行分析，水力自 动翻板闸门应能保证在预定的水位条件下，闸门在各个开度上都能自动地保持 平衡。 河海大学硕士学位论文 合力 图2 3 连杆滚轮式水力自动翻板闸门受力示意图 2 2 1 基本平衡方程 当门叶在某一开度e ( 巾一巾a ) ，处于平衡状态时，其平衡方程为： k = 0 ，即： ( 鼻2 一b 4 ) c o s ( 6 一中) + ( 只一p s ) s i n ( q b m j ) + n c o s m + f s i n 6 一t s i n q b r = 0 ( 2 3 ) e z = 0 ，即 一( 只2 一b 4 ) s i n ( 6 一巾 ) 一( 只一p 0 e o s ( 巾一巾) + n s i n 巾一f e o s 巾 + t e o s q b ，- w = 0( 2 4 ) 对滚轮与导轨的作用点求矩，m = 0 ，即： 丑2 ，1 2 + 只4 7 3 4 + 只，5 一只，6 一胛7 + t l r = 0 ( 2 5 ) 式中：鼻：、只。、量r 一门叶上游、下游、底缘、顶缘所承受的水压力的 审一y 轴与z 轴的夹角 第二章翻板闸门的工作原理与振动机理 由。一y 轴与门叶上游平面的夹角； 丁一连杆内力； 由，一连杆与z 轴的夹角： 一门体自重； 屯、匕、毛、，6 一鼻：、只。、只、只作用线至滚轮与导轨的作用点的距离。 鼻：分解成三角形部分鼻和矩形部分b ，只。分解成三角形部分b 和矩形部 分只，设，、f 2 、，rf 4 分别为鼻、最、只、只作用线至滚轮与导轨的作用点的距 离。 2 2 2l 圃门所受力及力矩计算 上游面板水压力 c a ) 当上游水位坐标乙大于闸门上缘点坐标z 1 时， b = 圭昭。一z z ) h o b f 1 = l ( z 。+ 2 2 2 ) c 。s ( 士一由。) 一；( 丘，+ 2 k 2 ) s i n ( 巾一巾。) 一s i l l 巾。 昱= r ( z 。一z 1 ) h o b 扣i 1 ( z + z 2 ) c 。s ( 巾一一三( 蜀+ 蚴s i n ( 巾一一删n 由。 其中h 。、b 分别为面板高度和宽度。 ( b ) 当上游水位坐标乙小于闸门上缘点坐标z l 时， # = 三y ( z o - z ：) z 曰 只= 0 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 河海大学硕士学位论文 ，；( z 。+ z z ：) c 。s ( 巾一巾。) 一( k ： z ：! l一；( z 。一z ：) t a n ( 巾一巾。) s i n ( 巾一巾。) 一吒s i n 由 c o s ( 中一巾月) ( 1 ) 下游面板水压力 ( a ) 当下游水位坐标z d 小于闸门底缘点坐标z 2 时 ( b ) 当z 2 z 1 时 只= 0 c o s ( 巾一巾) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) p 3 ：= 1 ，( z i z 2 ) h o b ( 2 1 7 ) 2 i ，一 。2 扣；( 蜀+ 2 k ：) s i n ( q b 一一l ( z t + 2 z ：) c 。s 一+ 删n 巾。 ( 2 1 8 ) e 4 = r ( z d z 1 ) h o b ( 2 ，1 9 ) = 圭( 世。+ 足：) s i n ( 巾一中) 一三( z ，+ z ? ) c 。s ( 巾一中。) + 吒s i n 中。 ( 2 2 0 ) ( 2 ) 底缘水压力 在自由出流时，底缘水压力很小，一般可以忽略不计，在淹没出流时，由 下式计算： 只= r ( z 。一z ，) “b ( 2 2 1 ) 1 6 笫二二章翻板闸门的工作原理与振动机理 1 5z 2 s i n ( 巾一巾月) + 世2 c 。s ( 巾一中) 一吒c 。s 中。一晏 ( 2 2 2 ) 其中，b 0 为f i f l 3 1 3 上缘或底缘宽度。 ( 3 ) 上缘水压力 只= 一，( 乙一z 2 ) 6 。b 1 6 = z l s i n ( q b 一由月) + 足i c o s ( 巾一m ) 一匕c o s 由。 ( 4 ) 连杆内力 ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 因为在稳定性分析中忽略机械摩擦力的影响，结果偏于安全，而且一般机 械摩擦力远小于水流的作用力，因此f 的值忽略不计，由( 2 3 ) 、( 2 4 ) 和( 2 5 ) 三式联立求解得： 丁：里! ! ! ! 墨二墨! ! ! ! 皇二! 墨2 二墨2 1 1 璺 ( 2 2 5 ) c o s ( 巾，一扪 l r = z 8s i n f f r + k s c o s 中r r 2c o s ( m r m ) m r = t r ( 5 ) 滚轮的支承力、滚轮与导轨间的摩擦力 ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) n = ( 置2 一只4 ) c o s ( 2 由一巾) + ( 只一只) s i n 由一t s i n ( q b - r ) + w s i n q b ( 2 2 8 ) f = ( 只2 一p 3 4 ) s i n q b “一( 只一p 5 ) c o s ( 2 q b 一巾d ) + t c o s ( 巾+ 巾r ) 一w c o s 由( 2 2 9 ) ( 6 ) 动水压力计算 翻板闸门工作时，顶缘和底缘同时泄水，门板所受的水压力为动水压力。 成都科技大学曾做过水力学试验得出了动水压力大小及合力作用点位置的经验 公式 1 0 】如图2 4 所示。 河海大学硕士学位论文 计算公式： 图2 4 动水压力合力计算图 p = f l y g l 2 f l = a ( h n + 0 1 1 0 。 k = o 0 1 ( 1 7 2 7 e 上+ 0 1 8 2 ) 口乩6 8 三- o 7 1 6 系数a 的取值为： 当0 4 5 。时，a = 0 9 0 0 0 6 ( 0 4 5 ) 公式中0 以角度计。 ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) 动水压力合力作用点位置。假设动水压力p 的作用点与底缘的距离为l d 如图2 5 所示。 图2 5 动水压力合力作用点位置图 第二章翻板闸门的工作原理与振动机理 可得d = k l 对于0 0 的情况 k = 【一1 一曰l ( 臼一3 0 ) l g ( 1 0 1 9 h ) + l o k + 目1 0 。2 ( 2 3 3 ) 式中的系数a 1 b l ，k i k 2 分别按下列公式计算。 当e l o 1 7 时， 当e l o 1 7 时 4 l = o 1 7 5 e 三+ o 0 5 6 b l = o 0 0 7 e 三一o 0 0 1 5 k l = 0 1 7 5 e 三+ 0 4 1 1 k 2 = o 9 6 l 三一3 1 9 2 a 1 = 1 0 5 3 b 1 = 0 0 0 1 x 1 0 五l = o 2 9 3 e 三+ 0 3 9 1 置z “1 5 量一2 2 2 1 也= 1 4 6 7 e 工一1 3 2 7 ( 2 3 4 ) ( 2 3 5 ) 上面给出的计算动水压力大小及作用点位置的公式均是在自由出流工况下 得出的，对与淹没出流，一般随淹没深度的增加，动水压力大小及分布规律会 越同静水压力的分布规律相吻合。 2 3 水力自动翻板闸门的系统稳定性分析 水力自动翻板闸门因其能随水位涨落而自动启闭，结构简单、运行可靠、 便于管理和造价低廉等优点，在中小型闸坝、山塘水库的溢洪道、以及人工湖 中得到广泛的应用。翻板闸门虽然有如此多的优点，但运行中还存在着诸多不 1 9 河海大学硕士学位论文 稳定现象，如突然翻倒、频繁摆动和“拍打”等现象，这些也就是通常所说的 “失稳”。所有这些失稳现象，对闸门的正常运行是非常有害的，轻者会引起工 程结构的整体振动，产生噪音，重者如“拍打”现象，可导致闸门破坏。“拍打” 严重时，闸f 7 , n 烈撞击支墩或底坎，可能导致闸门或支墩、底坎结构的毁坏， 是影响闸门安全运行的控制因素，应该引起设计者的重视。 分析探讨水力自动翻板门的“拍打”问题，实质上就是分析自动控制系统 的稳定性，所谓稳定性是指一个自动控制系统当受到扰动，在平衡状态破坏后， 经过调节，能重新达到平衡状态的动态性能。若系统能恢复平衡状态，则称系 统是稳定的。如果系统经历了外界扰动以后，被调量发生不断的扩散变化，而 不能重新达到平衡状态，则称系统是不稳定的。水力自动翻板门在运转过程中 产生“拍打”，就是系统不稳定的表现【1 1 】。 2 3 1 静态平衡理论分析系统稳定性 按照静态平衡理论，水力自动翻板闸门在某一开度上固定不动时，作用在 门上的各力构成平衡力系。下面根据力矩平衡原理分析闸门的静态稳定性1 0 】。 连杆滚轮式水力自动翻板闸门能在重力、水压力、滚轮支承力、连杆作用 力及滚轮摩擦力等作用下，随水位( 来水量) 的变化而实现自动启闭。闸门的 运转过程如下： 假定初始时刻上游来水量少，门前水位低于设计挡水位，此时闸门开门力 矩小于关门力矩，闸门处于全关状态。 当上游水位升高时，开门力矩也增大，水位上升到某一值时，闸门开始转 动，此时的水位称为闸门的启门水位。 随着来水量的不断增加，开门力矩也在增加并使闸门的开度不断加大，闸 门进入开启工作状态。对于某一水位，门叶转动到某，特定位置，当开门力矩 与关门力矩相平衡时，闸门稳定在这一开度，此时闸门处于正常开度工作。 如果上游来水继续增加，上游水位会持续升高，当达到某一特定水位时， 闸门全开，开度达到最大状态，这个水位称为闸门的全开水位。 之后，上游水位继续上升，闸门开度维持在最大开度状态。 当上游水位维持在高水位运行一段时间后，随着来水量的减小，上游水位 第二章翻板闸门的工作原理与振动机理 开始下降，门叶的开门力矩逐渐减小，达到某一特定水位时，关门力矩刚好大 于开门力矩，门叶开始回关，这个水位值称为闸门的关门水位。 随着上游水位的继续下降，闸门向关门方向运转，进入回关工作状态。对 于某一水位，门叶转动到某一特定位置时，转动力矩与摩阻力矩达到平衡时， 门叶稳定于此特定开度。闸门此时处于中间开度。 上游来水量继续减少，上游水位也将继续下降，当降到某一特定水位时， 闸门处于全关状态。 之后，随着水位的下降，闸门的工作状态不受影响，闸门仍维持在全关状 态。 2 3 2 动态平衡理论分析系统稳定性