平板閘門啟閉力計算方法探析

【摘 要】閘門啟閉力的計算，對于確定啟閉機械的容量，牽引構建的尺寸以及對閘門吊耳的設計等都是必要的，且水工閘門啟閉力的特性直接關系到水閘運行的安全，它是水閘設計的主要內容之一。而影響閘門啟閉力的各要素很難通過計算精確獲得，特別是上托力和下吸力，本文結合具體工程實例，通過模型試驗，將試驗過程中測量的部分荷載引申至原型，從而精確的計算出閘門啟閉力，并分析了平板閘門在靜水、動水過程中啟閉力特性曲線，以及影響啟閉力的各個因素在閘門啟閉過程中的變化。該研究成果對閘門啟閉設備的設計具有一定的借鑒意義。

【關鍵詞】平板閘門；啟閉力；模型試驗；相似荷載；

引 言

閘門啟閉力的計算，對于確定啟閉機的容量、牽引構件的尺寸以及對閘門吊耳的設計等都是必要的。平板閘門特別是深孔閘門，在水壓力作用下，由于摩阻力大，有時僅靠自重就不能關閉，因此，必須分別計算閘門閉門力和啟門力。本文通過模型試驗精確測量的荷載，再結合理論計算公式，對獲得精確的閘門的啟閉力具有重要的意義。

一、工程概況

卡基娃水電站是木里河干流水電規劃“一庫六級”的第二個梯級。水庫最大壩高171米，正常蓄水位2850米，總庫容3.745億立方米，具有年調節性能。放空洞進口位于木里河左岸，有壓段長201.958m，縱坡i=0.010592，洞徑3.5m。在有壓段末端設置閘門豎井，豎井內設平板事故門和工作門各一道，孔口尺寸分別為2.5m（寬）×3.5m（高）和2.5m（寬）×2.5m（高），閘門底板高程均為2728.00m。閘門豎井頂高程2856.00m，豎井開挖尺寸為12.0m×6.5m×130m（長×寬×高）。為滿足無壓洞段的通氣要求，在閘室后邊墻內預埋通氣孔，通氣孔采用矩形斷面，尺寸3.0m×1.0m。

二、模型試驗簡介

采用重力相似理論建立物理模型，門槽及泄槽段采用有機玻璃制作。模型材料的糙率基本與原型相似，相對誤差在5%以內，滿足試驗要求。模型安裝采用分段安裝。每一段的安裝均選三個點進行高程校核，以確保模型安裝的精確性。模型試驗的整個啟閉測試系統為：工作閘門通過一段有機玻璃啟閉桿和拉壓傳感器連接，整個裝置通過通過閘門最頂端的螺旋啟閉機啟閉。事故閘門啟閉力的測試系統和工作閘門相同。測試儀器包括：INV306U智能信號采集處理分析儀，CY3011液位變送器。在工作閘門上游面板、下游面板、閘門底緣以及閘門頂部均勻布置多個測點，進行相應荷載的測量。

三、試驗成果

（一）模型試驗成果

模型試驗測得的啟閉力不能直接換算到原型，但是組成啟閉力的一些因素與原型是具有相似性的，如上托力、下吸力、水平有效壓力等，因此通過模型試驗測得這些荷載，在經過計算換算到原型中，可以為原型的啟閉力、持住力的計算提供直接的依據。由于上托力與下吸力與傳統方法計算的結果有很大差別。所以這也直接影響了閘門啟閉力的計算。

（二）原型工作閘門動水啟閉力成果

1.原型工作閘門動水啟閉力的計算

參照《水利水電工程鋼閘門設計規范SL-95》中閘門啟閉力的計算公式計算閘門動水啟門力，閉門力及持住力。

1.工作閘門閉門力計算：

其中為摩擦阻力安全系數，為支承摩阻力，為止水摩阻力，為計算閘門閉門力的閘門自重修正系數，為工作閘門自重，，為上托力。

2.工作閘門啟門力計算：

為下吸力；為閘門自重修正系數，采用1.1；為加重塊重量；

為門頂水柱壓力，，為門頂水柱高度，m2為門頂端面積。

2.工作閘門成果分析

（1）模型試驗測量的閘門啟閉過程中，閘門水平有效荷載與水力學試驗過程中閘門處于0.25、0.5、0.75特定開度下的時均壓力值比較接近，且表現的規律一致，由此判斷模型試驗測量的各項荷載具有可靠性。

（2）占閘門啟門力的主要荷載水平有效壓力和閘門門頂水柱荷載比較平穩，盡管閘門底緣開始出現下吸力，但這部分荷載所占比重較小，對閘門啟門力影響不大。

（3）由動水閘門閉門力過程線可知，在工作閘門開度較大，閘門閉門力隨著閘門開度的減小而逐漸減小，這是由于閘門全開時閘門底緣受到較大的上托力，隨著閘門開度的減小，上托力逐漸減小轉變為下吸力，工作閘門水平有效荷載雖然隨著閘門開度的減小而增大，但其增長速度小于下吸力的減小速度。

結 論

（一）本文采用的技術方法在理論上是可行的，在保證模型試驗基本荷載測量精度下即可計算出較準確的實際工程中的啟閉力，能給啟閉機的選型提供安全、經濟、合理的數據。

（二）試驗測量的上托力和下吸力與傳統方法的計算值有較大差別，上托力和下吸力是影響閘門啟閉力的重要因素，因此采用傳統方法計算閘門啟閉力時，啟閉機的選型需慎重。

（三）動水啟門過程中，在工作閘門開度較小，e<0.3的區間內，閘門啟門力隨著閘門開度的增大而增大；開度在0.3～0.6區間內，閘門啟門力比較平穩；開度在0.7～1區間內，閘門啟門力逐漸減小。

（四）動水閉門過程中，在工作閘門開度較大，e>0.8的區間內，閘門閉門力隨著閘門開度的減小而逐漸減??；開度在0.8～0.5區間內，閘門閉門力逐漸增大；開度在0.5～0.3區間內，閘門閉門力增大速度變慢；開度在0.3～0區間內，閘門閉門力增加很緩慢，比較平穩。

（五）工作閘門采用固定卷揚式啟閉機，需要靠閘門自重或者加重來動水關閉閘門，通過閘門啟閉力的計算結果，建議采用30t的加重塊，同時選取額定啟門力為1250KN的啟閉機。

參考文獻：

[1] 《水工模型試驗》第二版.南京水利科學研究院，水利水電科學研究院.水利電力出版社.

[2] 馬振海.《水工模型試驗》西北農林科技大學.2006年11月.

[3] 《水利水電工程鋼閘門設計規范 SL 74-2013》.2013.08.26發布.2013.11.26實施.

作者簡介：

程欣（1980-），女，湖北省人，工程師，從事大壩管理工作。