平板闸门启闭力计算方法探析

【摘 要】闸门启闭力的计算，对于确定启闭机械的容量，牵引构建的尺寸以及对闸门吊耳的设计等都是必要的，且水工闸门启闭力的特性直接关系到水闸运行的安全，它是水闸设计的主要内容之一。而影响闸门启闭力的各要素很难通过计算精确获得，特别是上托力和下吸力，本文结合具体工程实例，通过模型试验，将试验过程中测量的部分荷载引申至原型，从而精确的计算出闸门启闭力，并分析了平板闸门在静水、动水过程中启闭力特性曲线，以及影响启闭力的各个因素在闸门启闭过程中的变化。该研究成果对闸门启闭设备的设计具有一定的借鉴意义。

【关键词】平板闸门；启闭力；模型试验；相似荷载；

引 言

闸门启闭力的计算，对于确定启闭机的容量、牵引构件的尺寸以及对闸门吊耳的设计等都是必要的。平板闸门特别是深孔闸门，在水压力作用下，由于摩阻力大，有时仅靠自重就不能关闭，因此，必须分别计算闸门闭门力和启门力。本文通过模型试验精确测量的荷载，再结合理论计算公式，对获得精确的闸门的启闭力具有重要的意义。

一、工程概况

卡基娃水电站是木里河干流水电规划“一库六级”的第二个梯级。水库最大坝高171米，正常蓄水位2850米，总库容3.745亿立方米，具有年调节性能。放空洞进口位于木里河左岸，有压段长201.958m，纵坡i=0.010592，洞径3.5m。在有压段末端设置闸门竖井，竖井内设平板事故门和工作门各一道，孔口尺寸分别为2.5m（宽）×3.5m（高）和2.5m（宽）×2.5m（高），闸门底板高程均为2728.00m。闸门竖井顶高程2856.00m，竖井开挖尺寸为12.0m×6.5m×130m（长×宽×高）。为满足无压洞段的通气要求，在闸室后边墙内预埋通气孔，通气孔采用矩形断面，尺寸3.0m×1.0m。

二、模型试验简介

采用重力相似理论建立物理模型，门槽及泄槽段采用有机玻璃制作。模型材料的糙率基本与原型相似，相对误差在5%以内，满足试验要求。模型安装采用分段安装。每一段的安装均选三个点进行高程校核，以确保模型安装的精确性。模型试验的整个启闭测试系统为：工作闸门通过一段有机玻璃启闭杆和拉压传感器连接，整个装置通过通过闸门最顶端的螺旋启闭机启闭。事故闸门启闭力的测试系统和工作闸门相同。测试仪器包括：INV306U智能信号采集处理分析仪，CY3011液位变送器。在工作闸门上游面板、下游面板、闸门底缘以及闸门顶部均匀布置多个测点，进行相应荷载的测量。

三、试验成果

（一）模型试验成果

模型试验测得的启闭力不能直接换算到原型，但是组成启闭力的一些因素与原型是具有相似性的，如上托力、下吸力、水平有效压力等，因此通过模型试验测得这些荷载，在经过计算换算到原型中，可以为原型的启闭力、持住力的计算提供直接的依据。由于上托力与下吸力与传统方法计算的结果有很大差别。所以这也直接影响了闸门启闭力的计算。

（二）原型工作闸门动水启闭力成果

1.原型工作闸门动水启闭力的计算

参照《水利水电工程钢闸门设计规范SL-95》中闸门启闭力的计算公式计算闸门动水启门力，闭门力及持住力。

1.工作闸门闭门力计算：

其中为摩擦阻力安全系数，为支承摩阻力，为止水摩阻力，为计算闸门闭门力的闸门自重修正系数，为工作闸门自重，，为上托力。

2.工作闸门启门力计算：

为下吸力；为闸门自重修正系数，采用1.1；为加重块重量；

为门顶水柱压力，，为门顶水柱高度，m2为门顶端面积。

2.工作闸门成果分析

（1）模型试验测量的闸门启闭过程中，闸门水平有效荷载与水力学试验过程中闸门处于0.25、0.5、0.75特定开度下的时均压力值比较接近，且表现的规律一致，由此判断模型试验测量的各项荷载具有可靠性。

（2）占闸门启门力的主要荷载水平有效压力和闸门门顶水柱荷载比较平稳，尽管闸门底缘开始出现下吸力，但这部分荷载所占比重较小，对闸门启门力影响不大。

（3）由动水闸门闭门力过程线可知，在工作闸门开度较大，闸门闭门力随着闸门开度的减小而逐渐减小，这是由于闸门全开时闸门底缘受到较大的上托力，随着闸门开度的减小，上托力逐渐减小转变为下吸力，工作闸门水平有效荷载虽然随着闸门开度的减小而增大，但其增长速度小于下吸力的减小速度。

结 论

（一）本文采用的技术方法在理论上是可行的，在保证模型试验基本荷载测量精度下即可计算出较准确的实际工程中的启闭力，能给启闭机的选型提供安全、经济、合理的数据。

（二）试验测量的上托力和下吸力与传统方法的计算值有较大差别，上托力和下吸力是影响闸门启闭力的重要因素，因此采用传统方法计算闸门启闭力时，启闭机的选型需慎重。

（三）动水启门过程中，在工作闸门开度较小，e<0.3的区间内，闸门启门力随着闸门开度的增大而增大；开度在0.3～0.6区间内，闸门启门力比较平稳；开度在0.7～1区间内，闸门启门力逐渐减小。

（四）动水闭门过程中，在工作闸门开度较大，e>0.8的区间内，闸门闭门力隨着闸门开度的减小而逐渐减小；开度在0.8～0.5区间内，闸门闭门力逐渐增大；开度在0.5～0.3区间内，闸门闭门力增大速度变慢；开度在0.3～0区间内，闸门闭门力增加很缓慢，比较平稳。

（五）工作闸门采用固定卷扬式启闭机，需要靠闸门自重或者加重来动水关闭闸门，通过闸门启闭力的计算结果，建议采用30t的加重块，同时选取额定启门力为1250KN的启闭机。

参考文献：

[1] 《水工模型试验》第二版.南京水利科学研究院，水利水电科学研究院.水利电力出版社.

[2] 马振海.《水工模型试验》西北农林科技大学.2006年11月.

[3] 《水利水电工程钢闸门设计规范 SL 74-2013》.2013.08.26发布.2013.11.26实施.

作者简介：

程欣（1980-），女，湖北省人，工程师，从事大坝管理工作。