（水利水电工程专业论文）水力自动翻板门水动力荷载数值模拟.pdf

摘要 连杆滚轮式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、造 价低廉等优点，在各类水利工程中得到广泛应用，并产生了很好的经济效益。但 与此同时，此门型仍存在频繁摆动、“拍打”、水力现象比较复杂等不稳定现象。 本文对连杆滚轮式水力自动翻板闸门进行了稳定性分析，使得它们不仅能更好地 应用于各类水利水电工程中，而且能广泛应用于航运工程、城市环境保护和其他 相关工程中，将会对社会的发展和生活环境的改善有着重要的意义。本文研究的 主要内容如下： ( 1 ) 通过数值模拟计算，分析研究了自动翻板门在各种工况下，过闸水流 的流态、流速分布特性以及作用在闸门面板上时均压强的分布规律。对作用在闸 门上时均压力的计算结果与试验实测结果进行了对比，相差不大。对不同闸门开 启角度、不同闸底坎形式下的连杆受力情况进行了计算和分析比较。 ( 2 ) 通过大涡模拟数值计算方法，利用v o f 自由液面追踪技术，建立三维 有限元数学模型，采用结构化网格，给定合理的边界条件，对带自由表面的闸门 过水的流场和脉动荷载进行数值模拟，并将计算结果与实验结果进行对比，两者 吻合较好，表明大涡模型能成功地模拟出过闸门的脉动荷载，从脉动荷载角度来 分析闸门稳定性。 ( 3 ) 结合具体的工程，根据该工程的水动力荷载试验成果来分析闸门的稳 定性，找出翻板闸门运行中存在的问题，并分析问题的原因，提出一些可行的解 决方法。 关键词：水利水电工程，水力自动翻板门，水动力荷载，数值模拟，模型实验 a b s t r a c t b e c a u s eo ft h ev i r t u eo fa u t o m a t i c a l l ys w i t c h i n g ，s i m p l es 仃u c t i l r ea n dl o wc o s t ， e t c ，t h eh y d r a u l i ca u t o m a t i ct i l t i n gg a t e sw i t hc o n n e c t i n gl e v e ra n dr o l l i n gw h e e lh a v e b e e nw i l d l ya p p l i e di na l lk i n d so fw a t e rc o n s e r v a n c ya n db r o u g h tm u c he c o n o m i c b e n e f i t a tt h es a m et i m e ，t h e ya l s oh a v et h eu n s t a b l ep h e n o m e n o ns u c ha sc o n t i n u a l l y s w i n g i n g ，f l a p p i n ga n dc o m p l i c a t e dh y d r a u l i cf a c t o r s t h es t a b i l i t ya n a l y s i sa n d s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h eh y d r a u l i ca u t o m a t i ct i l t i n gg a t e sw i t hc o n n e c t i n g l e v e ra n dr o l l i n gw h e e lw e r ec a r r i e do u ti nt h ep a p e rt om a k et h e mn o to n l yb eb e t t e r a p p l i e di na l lk i n d so fw a t e rc o n s e r v a n c yb u ta l s ob ew i l d l ya p p l i e di ns h i pp r o j e c t ， c i t ye n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，a n o t h e rc o r r e l a t i v ep r o j e c t ，f u r t h e rt ob e t t e rt h es o c i a l a n dl i v i n gc o n d i t i o n t h em a i nc o n t e n t si nt h ep a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h r o u g hn u m e r i c a lm o d e l ，t h ef l o wp a t t e mo v e rg a t ea n dt h et i m e - a v e r a g e p r e s s u r ei n t e n s i t y a tt h eh y d r a u l i ca u t o m a t i ct i l t i n gg a t e sw e r ea n a l y z e d t h e n u m e r i c a lr e s u l t so ft i m e a v e r a g ep r e s s u r ei n t e n s i t yo ng a t ew e r ec l o s et ot h a t e x p e r i m e n t t h el o a d i n gc h a r a c t i s t i co fc o n n e c t i n gr o dw e r ec o m p u t e da n da n a l y z e d a c c o r d i n gt od i f f e r e n to p e n i n gd e g r e e sa n d d i f f e r e n tt y p e so fg a t eb o t t o ms t i l l ( 2 ) w i t hl a r g ee d d yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h r e e - d i m e n s i o n a ln u m e r i c a lm o d e l w e r ee s t a b l i s h e dt os i m u l a t ef l u c t u a t i n gp r e s s u r ew i t hf r e es u r f a c eb yv o ff r e e s u r f a c et r a c km e t h o d t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sw e r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d w i t ht h et e s tr e s u l t s ，a n dt h e ya r ew e l la g r e e dw i t he a c ho t h e r i ts h o w st h a tt h el a r g e e d d yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n c a ns i m u l a t et h ef l u c t u a t i n gp r e s s u r eo ft h eg a t e s u c c e s s f u l l y f r o mt h ep e r s p e c t i v eo ff l u c t u a t i n gl o a d ，t h es t a b i l i t yo fg a t ew e r e a n a l y z e d ( 3 ) c o m b i n a t i o nw i t hs p e c i f i cp r o j e c t ，b a s e do nt h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so f g a t em o d e l t e s tr e s u l t s ，t h es t a b i l i t yo fg a t ew e r ea n a l y z e d a n ds o m ep r o b l e m si nt h e o p e r a t i o no fh y d r a u l i ca u t o m a t i ct i l t i n gg a t e sw e r ef o u n da n da n a l y z e d ，a n ds o m e p r a c t i c a lm e a s u r e sw e f eb r o u g h tf o r w a r d k e yw o r d s ：h y d r a u l i ca n dh y d r o p o w e re n g i n e e r i n g ，h y d r a u l i ca u t o m a t i ct i l t i n gg a t e s ， h y d r o d y n a m i cl o a d s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，m o d e le x p e r i m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志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。 学位论文作者签名：毒村孑 签字日期： 孑矽7 年箩月彩日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 专对寺 导师签名： 签字日期：孑如7 年箩月砀日 签字日期： 孑内7 年占月 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 水力自动翻板闸门是借助水力和重力作用，在一定的水位条件下，随着水位 的变化自动启闭的一种自动化闸门。闸门在开启时，有如翻转倾倒之势，因此就 被称之为“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 拦莆河水，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，上游水位抬高时，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u 】。水力自动翻板闸门的型式多样，分为单支 铰翻板闸门、双铰轴加油压减震器翻板闸门、多铰轴翻板闸门、曲线铰式水力自 动翻板闸门以及晓起电站所应用的连杆滚轮式水力自动翻板闸门。目前，以连杆 滚轮式水力自动翻板闸门在国内外的应用最为普遍。 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( 或关闭) ，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、上游潍高水位较小、施工预制定型化、标 准化( 可工厂生产) 、管理方便、运行维修费用少且利于排沙等优点。特别是在山 区河流水土流失严重的地方，把固定坡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。因 此，对连杆滚轮式水力自动翻板闸门进行稳定性分析和结构优化，使得它不仅能 更好地应用于各类水利水电工程中，而且能广泛应用于航运工程、城市环境保护、 自然景观或其他相关工程中，将会对社会的发展和生活环境的改善有着重要意 义：探索水利工程设施自身自动化，协调社会的发展；实现管理自动化，提高安 全生产水平，改善劳动条件；改善城镇环境质量，促进社会生态走向良性循环。 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、造价低廉、利 于排沙等优点，在兼有蓄泄任务的各类水利工程中得到广泛应用，并产生了很好 的经济效益。与此同时，水力自动翻板闸门也存在值得关注的一些不稳定现象， 如闸门的频繁摆动、“拍打”，水力现象较为复杂。所谓的“拍打”是指闸门失 去稳定，绕支铰作周期性的运动，拍击支墩和底坎的现象。这种现象在以往的翻 第一章绪论 板闸门工程中尤其是单铰乃至多铰的自动翻板闸门曾多有发生，“拍打”严重时， 闸门剧烈撞击支墩或底坎，可能导致闸门、支墩或底坎结构的毁坏，是影响闸门 安全的控制因素。但是目前人们对闸门发生“拍打”的机理尚不完全清楚。因此， 有必要全面分析闸门稳定性的影响因素，并通过理论分析来探讨闸门稳定性特 征，同时对翻板闸门发生“拍打”的现象进行分析研究，明确形成“拍打”的条 件，并提出有效措施避免或减弱“拍打”。通过不断的总结经验和设计研究，用 理论与实践来完善翻板闸门的性能，使翻板闸门的设计、施工、运行管理提升到 一个新的高度。 1 2 水力自动翻板闸门的国内外发展概况 现代水力自动翻板闸门通常是指平面闸门在水压力及闸门自重的作用下，利 用力矩平衡原理使闸门绕水平铰轴转动，而达到自动启闭的一类闸门。水力自动 平面旋转闸门在国内外运用的历史悠久，但由于早期门型存在的问题较多，一度 未引起工程技术人员的重视和兴趣。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平面旋转闸门进行了广泛而长期的试验研究和工程实 践。7 0 年代初期，我国开始陆续涌现一批新型的水力自动平面旋转闸门。这类 闸门开始在防洪、灌溉、发电、航运、供水等部门中得到了广泛的应用。到了 8 0 年代，连杆滚轮式水力自动翻板闸门( 见图1 1 ) 的出现使翻板闸门的结构型式 和调节性能更加完善了，使得这类闸门的应用得到了进一步推广。尤其是在一些 城市中，这类闸门可以提高水位，美化城市环境，节省人力和能源，达到一定的 环保要求，因此得到了工程设计人员的关注【2 】。水力自动翻板闸门的型式多样， 本文主要针对晓起电站所应用的连杆滚轮式翻板闸门进行讨论。 在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，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。该 闸门有效的克服了曲线铰式翻板闸门随遇平衡的工作状态，减弱或避免了闸门的 “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。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剩引。 翻板门在复杂的水流作用下或某些不利的水位组合下可能会发生自激型的 不稳定拍振( 或称拍打) 。所谓的“拍打”是指闸门失去稳定，周期性地拍击支墩 和底坎的现象。拍打可能导致闸门或支墩、底坎结构的毁坏，是影响闸门安全运 第一章绪论 行的控制凶素，受到设计者的普遍重视。 周诚等由回归给出抗倾力矩m 持( t ) 与转角曰( f ) 的相关关系，得出了闸门系统 处于临界稳定的结果。莫导贤【4 】等分析了多铰型翻板门绕支承柱点的拍打，认为 只要把闸门支承柱置于闸门全开时末端就可避免该类拍打。袁雄汉 5 1 对多铰型翻 板门运行中各种不稳定进行了较详细的阐述，并提出防止振动工程措施。朱起毅 等【6 】对曲线铰翻板闸门的稳定进行了探讨。在下游顶托、不适当的门位以及通气 不良情况下，会出现不同程度的拍打，认为适当降低闸门的支承高度，缩短曲线 支座长度和适当的门体重心位置有助于提高闸门的稳定性。叶镇引7 j 利用水力学 三大基本原理建立了水力自动翻板闸门泄流关联方程及其淹没新标准，解决了水 力自控翻板闸门水力计算的问题，其计算结果比传统的水力计算更精确。王倪进 等( 8 】通过模型实验的方法验证了连杆滚轮式水力自动翻板门的水力特性，分析了 造成闸门“摆动”的原因。刘建续【9 j 利用试验结果总结分析出影响翻板闸门稳定 的几个主要因素，提出解决闸门失稳的措施。张伟民按照静态平衡理论，对影响 连杆滚轮式水力自动翻板闸门运行稳定性的滚轮半径、连杆长度和后支点的位置 进行了优化。陈灿辉等【lo 】通过对连杆滚轮式水力自动翻板闸门的水力学试验研 究，优化出闸门运行稳定最佳设计后支承点位置。 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j 。 翻板闸门运行的整个过程是随着水位的升降而相应启闭，不需要人工和任何 设备操作，其特点为l l2 j ： ( 1 ) 不需要人工或机械操作。 ( 2 ) 保持设计正常水位，保证了发电水头和迸水流量。 第一章绪论 图1 1 连杆滚轮式翻板闸门 ( 3 ) 闸门对泄流没有影响，堰顶泄流量相当于实用堰的泄流量，对上游有 淹没赔偿的拦河坝极为有利。 ( 4 ) 投资少，仅为常规闸门的一半左右。 ( 5 ) 施工简易，工期短，从预制构件到安装完成，平均每扇闸门仅要8 1 0 天。 ( 6 ) 技术可靠，山区和平原均可用。在己建成的工程中，大多数已运行3 7 年，未出现开启失控而起不到调控水位或损坏等现象。 ( 7 ) 维修保养方便，闸门的支承部分均在门后，处在无水的状态，而且是 金属结构，所以维修非常方便。 ( 8 ) 可以改善河道景观、沉淀污物、净化水质、汛期方便冲淤。 水力自控翻板闸门虽有以上诸多优点，但也存在着值得关注的问题，例如运 转稳定性问题、翻板闸门的铁件的锈蚀问题、漂浮物的堵塞问题、止水橡皮的磨 损与老化问题掣1 3 j 。运转的稳定性问题，主要是闸门的“拍打”，所谓“拍打”， 就是闸门在某一水位情况下，产生反复开启、关闭、开关幅度较大、频率在每分 钟6 0 次以上的周期性摆动现象。“拍打”严重时，闸f - j 居l l 烈撞击支墩或底坎， 可能导致闸门、支墩或底坎结构的毁坏，是影响闸门安全的控制因素【14 1 。 除此之外，还有结构形式比较简单的单支铰翻板闸门，单支铰翻板闸门是在 6 0 年代初期逐渐建成使用的，其支铰安置在门高的1 3 处，当上游水位未超过门 项时，闸门直立挡水，当水位超过门顶一定值时，闸f - 1 自动开启，然后卧倒在与 第章绪论 水平面成一角度的位置上。当上游水位下降到某一定值时，闸f - j 贝, u 自动关闭，重 新直立挡水。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k 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，瞬时下泄流量形成溃坝式波 浪，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f - j 4 , 下部采用密度较大的材料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。但是这些措施并 不能从根本上解决单铰翻板门存在的问题，只有对单铰门从结构和构造上进行改 造，创造新的门型，才可能从根本上改变闸门的运行条件。 为了改善单铰翻板闸门突开突关的运行方式，有人在单铰翻板闸门的基础 上，设计出双铰轴加油压减震器式翻板闸门。这种翻板闸门一方面采用较矮的支 墩，支墩上设有高低铰位，在每一个门铰上设置上、下两个轴，因此闸门在开关 过程就有一个变换支承轴的过程，使闸门的开关过程分两步进行，这对减小闸门 启闭时的撞击和开关不及时等问题有了一定的改善。另一方面在门体与支墩之间 装设油压减震器，减缓了启闭的速度，消耗了门叶旋转过程中的大部分动能，较 好地解决了翻板门在回关时猛烈撞击门坎致使门体和门坎遭到破坏的问题。 这种翻板闸门虽然初步改善了开关水位和撞击问题，但仍存在以下几个主要 缺点：( 1 ) 闸门的回关水位仍然较低，不能及时挡水，当闸门全开后，要待水位 降低到正常挡水位的5 0 左右，闸门才能自动回关，蓄水量和水头损失较大；( 2 ) 每扇闸门需要用两个油压减震器，这种装置结构复杂，要求的机械加工精度高， 不易制作，成本也高，维修也很麻烦；( 3 ) 闸门在全开泄洪，处于淹没出流时， 在上下游的某一水位差范围内，会出现门叶反复拍击支墩、拍坏门体的现象( 即 所谓的“拍打”) ；( 4 ) 漂浮物容易卡铰。但此门型的设计把闸门的启闭过程分成 两步进行的实践经验，为以后的多铰轴翻板闸门的应用奠定了基础。 为了进一步改善闸门的调节性能，减小开门前上游水位的雍高和关门前上游 水位的降落，保证闸门安全运行，有人在双铰翻板闸门的基础上，对闸门的构造 做了进一步的改造，设计出多铰轴翻板闸门，它具有多个铰轴位和开度，提高了 闸门的调节精度，使闸门能随水位的涨落而逐渐启闭，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。 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，并逐次支承于不 第一章绪论 同的铰位的过程。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，取消了油 压减震器等。 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。 曲线铰式翻板闸门与多铰相比，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。 随着经济的发展与科技的进步，水力自动翻板闸门的型式会更加多样化，结 构也会更加的完善起来，并不断提高其运行稳定性及结构的稳定性来满足国民生 产的需要。 1 3 本文所做的工作 连杆滚轮式翻板闸门的优点很多，应用前景很广，但是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的稳定性问题，做了一些研究工作，本研 究拟对水力自控翻板门的稳定性进行理论分析和数值模拟计算分析，分析影响稳 定性的因素，为工程设计提供理论上的支撑。主要内容如下： ( 1 ) 通过数值模拟计算，分析研究了自动翻板门在各种工况下，过闸水流 的流态、流速分布特性以及作用在闸门面板上时均压强的分布规律。对作用在闸 门上时均压力的计算结果与试验实测结果进行了对比，相差不大。对不同闸门开 启角度、不同闸底坎形式下的连杆受力情况进行了计算和分析比较。 ( 2 ) 通过大涡模拟数值计算方法，利用v o f 自由液面追踪技术，建立三维 有限元数学模型，采用结构化网格，给定合理的边界条件，对带自由表面的闸门 过水的流场和脉动荷载进行数值模拟，并将计算结果与实验结果进行对比，两者 第一章绪论 吻合较好，表明大涡模型能成功地模拟出过闸门的脉动荷载，从脉动荷载角度来 分析闸门稳定性。 ( 3 ) 结合具体的工程，根据该工程的水动力荷载试验成果来分析闸门的稳 定性，找出翻板闸门运行中存在的问题，并分析问题的原因，提出一些可行的解 决方法。 第二章水力自动翻板门的工作原理与振动机理 第二章水力自动翻板门的工作原理与振动机理 2 1 翻板门的工作原理 翻板闸门是利用力矩平衡的原理进行工作的，按照翻板闸门的工作状态，可 分为静态和动态两种。所谓静态，是指闸门在某一开度上静止不动，作用在闸门 上的诸力构成一个静定平衡的状态。此时，闸下出流量与实际需求相符，闸的上、 下游水位也稳定不变。当实际需求改变时，闸门的开度也随之改变。闸门随需求 变化从某一开度过渡到另一开度的过程，称之为闸门的动态过程。处于动态过程 中运动着的闸门，作用在闸门上的诸力是变化的，而且并不平衡【1 引。 按照闸门在静态时门上诸力的大小和它们之间的平衡关系来分析闸门的工 作状态，称之为闸门的静态工作原理。按照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，来分析闸门在运动过程中的工作状态称之为闸门的动态工 作原理。 2 1 1 闸门的静态工作原理 按照静态工作原理，翻板闸门在某一开度上固定不动时，作用在门上的诸力 形成一个平衡力系。当闸门处于任一开度时，作用在门上的荷载有：闸门的自重 形，门叶上游面、下游面、底缘和顶缘所承受的水压力合力尸，、b 、b 、b ，滚 轮的支承力，连杆的内力乃以及滚轮与导轨之间的综合摩擦力，。闸门各个 开度都能自动的保持平衡，要求各个力对铰支座的力矩之和为零。连杆滚轮式翻 板闸门的受力图如图2 1 所示。 为了说明连杆的作用及阻尼原理，我们把结构体系简化成图2 2 。 设闸门在水压力的r 、足及自重形的共同作用下，处于平衡状态，即对d 点的力矩总和为零，肋一m w = o 。这时连杆不受力，内力为零。若上游来水量增 加，则水压力增加一个增量f ，相应增加力矩z 3 m f ，结构体系有向右转的趋势， 此时连杆会产生反力尺，形成阻抗力矩m r = r x e 来阻止其运转。m r 随着来水量 的增加而逐渐增大，当m r 达到最大值时，则结构体系将处于向右转动前的极限 平衡状态。这时的静力平衡方程式为 ( m f + z 3 m f ) 一m w m r = 0( 2 1 ) 相反，当上游来水量减小时，则增加反向力矩厶坼，连杆将产生拉力，其 第二章水力自动翻板门的工作原理与振动机理 极限平衡状态时的静力平衡方程式为 ( m f a m f ) - m w + m r = 0 二之 图2 1 连杆滚轮式翻板闸门的受力图 图2 2 连杆阻尼原理图 1 一门体；2 一连杆；卜滚轮 9 ( 2 2 ) 第二章水力自动翻板门的工作原理与振动机理 由以上两式可见，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，但是由于是连杆结构，不能保证结构不变形，当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( 或减小) 开度，从而使厶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维持稳定。同时，由于连杆 的存在，缓冲了闸门的转动速度，使闸门必须克服m r 的最大值才能转到新的开 度。这样就保证了闸门的开启和关闭达到相对稳定。 2 1 2 闸门的动态工作原理 翻板闸门是以上游控制水位的方式来运行的，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，随着闸下过流量的 改变，门前水位也随之改变，运动中的闸门将受到水流作用于它的惯性阻力、运 动阻力以及连杆阻尼力的作用。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 在闸门上的诸力又趋于平衡，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。 为了说明翻板闸门的运转机理，我们采用图2 3 的框图来说明。翻板闸门可 以看成是一种自动控制调节装置，它根据上游来水量的变化进行自动控制【1 引。 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口表示，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 q 来的变化，造成来水量大于泄水量，即q 来+ a q 来 q 泄，引起门前水位暂时 壅高阢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 m 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8 + a 8 ，相应有一泄量的增量n 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，取决于以下两个条件： ( 1 ) 来水量与泄水量是否相适应 如果来水量与泄水量相适应，即q 来+ n q 来= q 溃+ a q 泄，也就是q 来= n q 澄， 使新的开度与新的来水量相适应，闸门仍维持h 上不变，处于稳定运行状态。 如果q 来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。 第二章水力自动翻板门的工作原理与振动机理 图2 3 翻板闸门运转机理图 ( 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。但如果是淹没出流或者是波状水跃或者门顶水舌与下 部孔流水面间形成负压则都有可能使紊动的水流波及闸门，影响泄流，从而反馈 于闸前水位。 需要说明的是，当开门力矩增量m 矸小于摩擦力矩时，闸门的开度不变化， 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。 第二章水力自动翻板门的工作原理与振动机理 2 2 翻板闸门受力情况及运动分析 连杆滚轮式水力自动翻板闸门在运行中受的作用力有：门重形，门叶上游面、 下游面、底缘和顶缘所承受的水压力合力尸1 2 、b 4 、 、r ，滚轮的支承力连 杆的内力r ，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。翻板闸门的受力图( 见图2 - 4 ) 。按照作用于闸门上的各力相对于 转轴的合力矩平衡原理进行分析，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。 图2 _ 4 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 当门叶在某一开度日处于平衡状态时，其平衡方程为：z k - - o ，即： 一亿2 一只4 ) c o s 一缈一) + 限一p s ) s i n ( o 一缈彳) + n c o s e p + f s i n p t s i n r p 7 = 0 ( 2 3 ) y z = o ，即： 一心2 一只4 ) s i n ( r p - c p _ ) - 一化一) c o s 0 一伊一) + 碡i n 妒一，c o s 妒+ t c o s 伊r 一形= 0 ( 2 4 ) 各作用力对滚轮与导轨的接触点求矩，z m = o ，即： 只2 ，1 2 + 匕k + 只，5 一只，6 一形，7 + 丁0 = 0( 2 - 5 ) 第二章水力自动翻板门的工作原理与振动机理 式中： p 1 2 、马4 、b 、p 6 一门叶上游、下游、底缘、顶缘所承受的水压力的合力； 口一y 轴与z 轴的夹角； 妒。一y 轴与门叶上游平面的夹角； 工一连杆内力，受拉为正、受压为负； 9 ，一连杆与z 轴的夹角； f 比一门体自重； z 小1 3 4 、如、j 6 一p 小乃4 、b 、r 作用线至滚轮与导轨的接触点的距离。 具体计算时将p 门分解成三角形部分p 和矩形部分乃，将乃。分解成三角形 部分b 和矩形部分r ，设玑1 2 、1 3 、1 4 分别为p 卜乃、b 、只作用线至滚轮与 导轨的接触点的距离。 2 2 2 闸门所受的力及其力矩计算 ( 1 ) 重力力矩( 开门方向为正) m g = 一僻3 一r 2 c o s q o ) w ( 2 - 6 ) 式中：也为滚轮半径，3 点为重心点。 ( 2 ) 上游面水压力 1 ) 当上游水位坐标历大于闸门上缘点坐标乃时， 鼻= 去，( z 一z 2 谚。b ( 2 7 ) 忍= 妻厂( z 。一z ，够。b i i ：3 ( z 。+ 2 z ：) c 。s 一妒) 一三僻。+ 2 k ：) s i n 一吼) 一吃s i n 伊。 1 1 = 吉( z 。+ 2 z ：) c 。s 一吼) 一三伍。+ 2 k ：) s i n 如一纵) 一吃s i n 其中h o 、b 分别为面板高度和宽度。 2 ) 当上游水位坐标z u 小于闸门上缘点坐标z i 时， 尸l = i 1 丫( z - 9 2 ) 2 b p 2 = 0 扛化：) c o s 仉) 一 绎扛- z 2 ) 胁仉归吨) 叫i n 钆 ( 3 ) 下游面水压力 c o s ( o 一妒一) ( 2 1 3 ) 印 d 刁 q q 厶 q q 弘 p 弘 第二章水力自动翻板门的工作原理与振动机理 1 ) 当下游水位坐标z d 小于闸门底缘点坐标历时， 尸3 = = 0 ，只= 0 ( 2 1 4 ) 2 ) 当z 2 z 1 时， b = 去y ( z ，一z 2 奶。b ( 2 1 8 ) 只= i 1y ( z d z 。h b ( 2 1 9 ) 己：昙伍。+ 2 k ：) s i n 一伊一) 一委( z 。+ 2 z ：) c 。s 如一缈。) + r 2 s i n 缈。( 2 - 2 0 ) z 。：丢伍，+ 2 k ：) s i n 一伊一) 一丢( z 。+ 2 z ：) c 。s 一驴彳) + 吃s i n 9 一( 2 - 2 1 ) ( 4 ) 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 d - z 2 溉b( 2 2 2 ) ，5 = z 2s i n ( 妒一缈) + k 2c o s ( 伊一妒爿) 一r 2c o s 伊彳一b _ o( 2 2 3 ) 其中，b o 为闸门上缘或底缘宽度。 ( 5 ) 上缘水压力 p 6 = 一1 ，( 乙- z o b o b ( 2 2 4 ) ，6 = z 1s i n ( a p 一妒 ) + k 1c o s ( 缈一伊_ ) 一r 2c o s t p 月一_ b - 0 ( 2 2 5 ) ( 6 ) 连杆内力r 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，f l j ( 2 3 ) 、( 2 - 4 ) 和( 2 5 ) - - _ 式联 立求解得： 。 t ：竺! ! ! 竺! 墨二墨! ! ! ! 丝二! 刍；二墨! ! ! 虫丝( 2 - 2 6 ) c o s ( t p r 一9 j ，r ；z 8s i n 伊7 + k 8c o s 伊r - r 2c o s ( 妒7 _ 一伊)( 2 - 2 7 ) m r = t l( 2 - 2 8 ) 一1 4 第二章水力自动翻板门的工作原理与振动机理 ( 7 ) 滚轮的支承力、滚轮与导轨间的摩擦力 n = 2 一只。) c o s ( 2 9 一缈。) + ( i 气一p 5 ) s i n 6 p a t s i n ( t p 一伊。) + w s i n c p ( 2 2 9 ) f = 眈2 一只4 ) s i n p a 化- p 5 ) c o s ( 2 p 一伊a ) + 丁c o s + 妒7 - ) 一w o o s 妒( 2 3 0 ) 肘，s = 2 p 喜去h ( 刀m ( y ) 等】t a n h ( 专如s i n ( 专j ，? ( 2 3 1 ) 2 2 3 闸门运动分析 滚轮连杆式翻板闸门采用双支点结构，是一种渐开式水力自动闸门，并且具 有较好的稳定性。当上游水位超过设计水位，闸门顶缘开始过水。当水流对闸门 的倾覆力矩大于闸门的抗倾力矩时，闸门启动，门底开始过流，此时，门顶纵粱 将门上过流挑开，使门后不形成空腔，闸门稳定开启，至一定角度后，水流漫过 挑粱，门后空腔开始封闭，形成门后负压。在空腔负压的影响不足以克服阻尼的 影响之前，对应于上游的来流量，闸门仍有稳定的开度。但存在一最大空腔稳定 角，闸门运行超过此最大稳定角，并且当流量小于使闸门全开的流量时，闸门处 于不稳定状态。此时空腔负压的作用，使闸门倒下至全开位置，由于流量不够， 上游水位逐渐降低，至关门水位时闸门回关。然后又逐渐开启，重复这一过程。 试验研究结果表明，此最大的空腔稳定角。随滚轮阻尼的增加和连杆初始水平夹 角的增加而略有增加。 上游来流量达到一定值后，闸门倒在全开位置。但如果滚轮连杆位置选择不 当，闸门全开后可能达不到设计值，即闸门不能倒在支墩上。这种情况是不能允 许的，因为很快就会引起拍打失稳。连杆的初始水平夹角和滚轮位置，对闸门全 开所倒的角度影响较大。连杆的初始水平夹角越小，滚轮位置布置在阀门全开时 离重心点越近，均能使闸门全开角度增加。而这两种影响主要都是使闸门全开后， 使其所受的开门力矩增大，从而使全开角度增大，增加过流能力。 当上游来流量减小，上游水位降低，至开门力矩小于关门力矩时，闸门迅即 回关至关门状态，但基本不产生碰撞现象。 综上所述，该闸门运动过程有三个不同的阶段，存在三种不同的运动和稳定 特点【17 1 。 第一阶段：闸门开启至最大空腔稳定角。在此阶段，门后为大气压力，或空 腔负压很小( 不足以克服阻尼) ，其受力特点为上游压力与闸门自重和阻尼平衡。 可能引起闸门失稳的原因为库水位波动，特别是在小开度条件下。一般说来，这 可以通过选型设计和增加阻尼来克服。 第二阶段：为空腔区，即最大空腔的稳定角之后至全开。此时，闸门除第一 阶段所受作用力之外，还受到大于阻尼力的不稳定空腔压力影响。在一般情况下， 第二章水力自动翻板门的工作原理与振动机理 闸门将产生低频的有周期的往复运动，但不至“拍打”失稳。 第三阶段：全开后，在此阶段闸门受力包括，双层水流压力、冲击力、升力、 浮力和绕流尾涡作用力。研究表明，在此阶段闸门失稳可能性最大，闸门的稳定 性随水位流量的增大而降低。 闸门运动过程有三个不同的阶段，存在三种不同的运动和稳定特点，即：第 一阶段：闸门开启至最大空腔稳定角。其受力特点为上游压力与闸门自重和阻尼 平衡，可能引起闸门失稳的原因为库水位波动，可以通过选型设计和增加阻尼来 克服。第二阶段：为空腔区，即最大空腔的稳定角之后至全开，闸门将产生低频 的有周期的往复运动，但不至“拍打”失稳。第三阶段：全开后，闸门受双层水 流压力、冲击力、升力、浮力和绕流尾涡作用力。此阶段闸门失稳可能性最大， 闸门的稳定性随水位流量的增大而降低。 2 3 水力自动翻板闸门振动的分类与减振措施 2 3 1 振动原因 闸门是水闸等水工建筑物的重要组成部分，是关闭孔口及调节孔口开度的活 动结构，按照实际需要用以挡水、调节上下游水位和过闸流量。闸门设备在水工 建筑物总造价中所占的比重较大，它的安全性和适用性在很大程度上保证着水工 建筑物的使用效果，闸门运行灵活与否，不仅影响工程的运用，甚至威胁到建筑 物的安全。因此闸门的重要性非同一般。然而，在复杂的水流条件和外力作用下， 往往会发生闸门振动，有时振动还相当严重。振动给人以不安全感，闸门产生的 剧烈振动有可能引起金属构件的疲劳，导致门叶发生变形，甚至杆件弯曲断裂、 焊缝开裂、铆钉或螺栓松动，以致闸门整体结构遭到破坏，严重的闸门振动还有 可能导致水工建筑物失事【18 1 。所以，闸门的振动是一个值得注意的问题。闸门振 动是一种特殊的水力学问题，涉及水流条件、闸门结构及其相互作用。闸门结构 在水中的振动是弹性系统和流体相互作用、相互影响的复杂过程，通常与闸门开 度、门后淹没水跃、止水漏水、闸门底缘形式等因素有关。但总体来说，振动是 由于动水作用的不平稳引起的。工程实践证明，闸门在泄流或在动水操作中受到 水流作用时都会发生不同程度的振动。一般情况下，振动比较微弱，不致影响闸 门的安全运行。但在某些特定条件下，闸门将产生强烈振动，甚至产生共振或动 力失稳现象。 连杆滚轮式水力自动翻板闸门是根据水位涨落，在水压力和闸f - j 自重的作用 下，利用力矩平衡原理达到自动启闭目的。利用连杆的阻尼作用，连杆滚轮式水 第二章水力自动翻板门的工作原理与振动机理 力自动翻板闸门大大改善了运行的稳定性，但在复杂的水流作用下，仍有可能发 生水力振动。模型实验结剁1 9 】表明，连杆滚轮式水力自动翻板闸门存在三种类型 振动：水流脉动压力作用下引起的微幅随机振动、有限范围内的不稳定振动、大 幅度“拍打”。 连杆滚轮式水力自动翻板闸门在