閘門水力學試驗管理論文

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1前言

因水力自控翻板閘門具有結構簡單，靠水的作用力自動啟閉，節省能源、造價低廉、并兼有泄洪、蓄水功能，在各小型水利工程上得到廣泛應用。但是，水力自控翻板閘門的水力特性較復雜，閘門的過流特性、動水壓力和運行的穩定性仍處在研究階段。

在最早進行水力自控翻板閘門研究者發現，水力自控翻板閘門在運行中會出現周期性來回拍擊支墩或壩坎的現象，破壞性極大。“拍打”的原因是由多方面引起：

（1）控制閘門運行的支承條件；

（2）閘門面板壓強、門后空腔泄流、下游水位頂托、門后空腔中負壓等水力因素；

（3）面板型式和堰的型式的形狀因素。其中支承條件是引起閘門“拍打”的主要原因。為了解決閘門拍打問題，將最初閘門設計的兩鉸及多鉸支承的形式進行改造。雙支點連桿滾輪式翻板閘門型式為改進后的支承形式。其布置見圖1。

通過對3m×6m（高×寬）連桿滾輪式翻板閘門的后支承點的水力學試驗，研究該閘門運行的穩定性，提出閘門運行穩定的最佳后支承點位置，并將試驗成果應用于工程設計中，經原體運行觀測，取得較好效果。

2試驗研究與成果

2.1模型設計

3m×6m連桿滾輪式水力自控翻板閘門安裝在曲線非真空實用堰上，見圖1。在80cm寬的玻璃水槽進行試驗研究。模型比例1∶7.5。按弗勞德重力相似定律設計模型。閘門用水泥加細鐵砂混合材料澆鑄而成。連桿及兩端的活動鉸用銅件制造。做到幾何尺寸相似，容重相似。為保證模型制作的精度，對閘門重量和重心進行率定。閘門重量誤差0.85%，重心位置無誤差，使閘門的運動相似。模型率定成果見表1圖13m×6m連桿滾輪式水力自控翻板閘門結構圖

2.2試驗方案

水力自控翻板閘門穩定的運轉，合理選擇支承點很重要，試驗中對閘門支承后支點的位置進行6個方案的試驗研究，各方案后支點位置從圖1座標系KOZ可見，其座標值見表2。

表1模型率定成果

情況門重(T)重心位置(m)

XCYC

原體門重11.1180.25841.4138

模型門理論重0.026350.1885

模型門實際重0.026130.1885

誤差0.85%0

注：重心座標見圖1中XO′Y座標系。

表2自控翻板閘門6個方案后支點坐標

方案K(m)Z(m)

試驗值計算值誤差試驗值計算值誤差

1－0.8325－0.840.9%0.8880.86742.3%

2－0.78751.0725

3－0.7350－0.740.7%0.87750.86741.2%

4－0.68250.9975

5－0.6225－0.642.7%0.84750.840.9%

6－0.57750.9825

表2中還列出了方案1、方案3、方案5的后支點座標計算值。從表可見，由于閘門加工工藝誤差，試驗中閘門后支的位置與設計值有誤差，誤差值小于5%。

2.3試驗分析研究

閘門后支點選擇合理的標志是：閘門開度應滿足設計要求；泄流能力大；上游水位變幅較小；水位與開門角度關系曲線平穩，漸開性好；閘門無“拍打”失穩的現象。經試驗觀測分析整理，自控翻板閘門后支點6個方案水位與閘門開門角度關系見圖2。方案1、方案3、方案5的水位與開門角度的理論計算值也繪在同一圖中，以便對比分析，試驗結果見表3。

表3自控翻板閘門后支點6個方案水位與閘門開門角度特征成果

項號123

方案序號最大開度開關門過程計算與試驗水位比較(m)

最高堰上水深(m)最低堰上水深(m)較接近部分距離較大處

差值/相應開度差值/相應開度

174°3.272.890.54/72°

265°3.433.08

373°3.282.88.54/72°

468.5°3.363.08

574°3.232.630.83/70°

665.5°3.433.09

注：第3項差值指理論計算曲線與試驗曲線之間的水位差。

圖2閘門后支點各方案水位與閘門開門角度關系曲線

試驗表明：

（1）雙支點連桿滾輪式翻板閘門系統的配置合理，在各方案中，閘門運轉的漸開性較好，水位與流量關系曲線較平滑，避免了因水位突變導致閘門失穩發生“拍打”。在運轉中會有些擺動現象，但閘門運行穩定。

（2）后支點位置采用高點，開門門頂水深增加。當后支點座標提高10cm，門頂開門水深約增加3～5cm，閘門在開關過程中，最大的堰上水深增加約20cm。

（3）后支點高度不變，后支點向下游移，即連桿加長，閘門在運轉中出現擺動的幅度較小，運行較穩定。

（4）在閘門運轉中，當下游水位對閘門有頂托時，閘門擺動的幅度較大，閘門容易出現不穩定的現象。

（5）從圖2可見，當閘門小開度時，水位與閘門開度的理論計算曲線與試驗曲線值較為接近，差值在0.015～0.12m。各方案稍有差異。從本院所測試連桿滾輪式翻板閘門運行與閘門動力壓力關系的資料分析，主要是由于閘門底緣的動水壓力的變化引起。

（6）當閘門開度較大時，試驗值水位與計算值差別較大，最大差距出現在閘門達最大開度時，是由于閘門開度加大，門背氣腔形成，產生負壓作用于門背，另一方面是受到水流直接沖擊閘門底緣的影響。但兩曲線趨勢是一致的。

2.4翻板閘門運行穩定性理論分析

在進行翻板閘門后支點研究的同時，本院與天津大學對連桿滾輪式翻板閘門的振動和水流壓力脈動進行測試分析，在此基礎上開展了翻板閘門運行穩定性的理論分析。水力自控翻板閘門的運動是繞瞬心的往復運動，在運動過程中當作用在閘門上的動力大于阻尼力時，閘門不能達到平衡狀態，閘門在運轉中將產生“拍打”。

翻板閘門可視為單自由度振動體系，其振動方程可寫為：

其中J（）為繞瞬心點的轉動慣量，表示閘門運動過程中水流對閘門的作用力，是水流和閘門運動耦合的結果。作用力包括時均部分力（水位和閘門開度的函數）和脈動部分力（為水位和的函數）。把作用于閘門上的重力力矩，門葉的迎水面、底部、頂部、背水面的水壓力矩，連桿作用力矩，滾輪支承力矩，摩擦力矩，上下游閘門板上的動水壓力矩代入上述閘門的運動方程，得出關于入的特征方程[4]：

求解該特性方程可得閘門系的穩定性特征。當翻板閘門形成“拍打”特征值入實部即衰減率為正，并且閘門運行各角度總力矩的平均值為正，此條件可作為閘門穩定性的判定準則。對3（m）×6（m）翻板閘門進行驗算，當閘下游水位較低時，力矩變化率為負，即閘門開度增大開門力矩減小，對閘門“拍打”有抑制作用；當閘下游水位升高，力矩的變化率逐漸由負轉為正，即閘門開度增大開門力矩也增大，不穩定性因素擴大，閘門的穩定運行受到影響。對上游水壓力力矩隨開度的變化率計算，其值為負，說明上游水壓力對閘門“拍打”有抑制作用，因此可以認為下游水壓力的作用是形成“拍打”的主要因素。這一結論在模型試驗中也加以驗證。

2.5試驗成果

（1）各后支點方案試驗表明：閘門最大開度不相同，在65°～74°之間。閘門運行無“拍打”失穩現象，閘門運行是穩定的。

（2）閘門后支點提高，開門與關門的水位與開門角度關系曲線間距增大，即閘門運行阻尼增大。

（3）閘門開門的曲線與關門曲線的差距，初步認為是水力自控翻板閘門結構體系的阻尼值。阻尼越大，閘門抗“拍打”的能力越強。

（4）為保證閘門有較大的開度，閘門在運轉過程中有平穩的阻尼值，閘門漸開性好，具有較好的抗“拍打”性能，試驗表明方案1為較優方案。

（5）當閘下游水位對閘門有頂托時，為保證工程的安全，最好進行水工模型試驗。

3實際工程應用

3.1廣東省紫金縣洋頭下寨子水電站，電站裝機容量800kw。漿砌石溢流壩，壩面為曲線實用堰型，采用面流消能。在壩上設8扇3m×6m（高×寬）連桿底滾輪式水力自控翻板閘門。設計流量2065m/s，上游水位178.95m，下游水位175.35m；校核流量2928.5m/s，上下游水位分別是180.76m、176.90m。閘門的后支點位置，按推薦方案1的位置設計，閘門于1996年建成投入運用。根據多年現場觀察，閘門開關自如，最大開度74°，保持正常蓄水位，閘門無“拍打”失穩的現象發生，運行良好。

3.2廣東和平縣鐵潭水陂位于明鎮東南。具有灌溉、發電、排洪和美化城鎮環境的作用。水坡斷面為曲線實用堰，壩高3m，堰頂高程98.0m。在其上安裝10扇3m×6m連桿滾輪式水力自控翻板閘門。閘下采用底流消能。設計流量920m3/s，上游水位102.80m，下游水位99.56m，上下游水位差值較小。閘門支承后支的設計采用上述的方案1。閘門于1998年3月建成，在閘門運轉過程中，支點設計合理，閘門運行穩定，發揮工程的綜合效益。

4結語

試驗研究與實際工程應用表明，3m×6m連桿滾輪式水力自控翻板閘門，其后支點的設計采用試驗推薦的方案1，閘門開度較大、漸開性好、運轉穩定。本試驗成果可供相同門型及尺寸的閘門設計參考。

參考文獻

[1]李一平，連桿滾輪式水力自控翻板閘幾個水力學問題的試驗研究廣東省水利水電科學研究院，1991.3。

[2]葉鎮國，梁其泰，水力自控翻板閘門防拍打理論及水力計算理論研究湖南大學土木系，廣州市白云區水電局，1993.5。

[3]陳繼建，連桿滾輪式水力自控翻板閘門的振動和水流壓力脈動測試分析報告天津大學水資源與港灣工程學，1992

[4]陳繼建，李一平，水力自控翻板門拍振機理的研究水利學報，1997，11