底轴式液压钢坝启闭力探讨

谢 涛，覃志强

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550002)

挡水闸在河道治理、城市生态水系和河流入海口等领域得到了迅速发展，具有水流控制、生态、景观[1]、交通等功能，以底轴驱动式液压钢坝、气动盾形闸门、液压下翻转式闸门、下翻式造型闸门等形式居多[2-3]。其中底轴驱动式液压钢坝相比其他挡水闸具有造价低、寿命长、防冻防腐、不淤积泥沙、管养方便、结构简单、跨度大和启闭灵活等特点，易满足下游用水需求，故在实际工程中运用较多。底轴式液压钢坝由门叶、固定门叶的底轴、支铰、穿墙套、双P侧止水、底止水、液压启闭设备及液压锁定装置等组成，钢坝的启闭通过液压设备驱动底轴实现。在闸门启闭运行过程中，除承受水体载荷外，门体自重、止水摩擦和支铰摩擦均会对门体产生阻力或动力[4]。闸门受力情况比较复杂，计算较为繁琐，因此启闭力计算是该闸门设计时的主要难点。

本文以常见工程为实例，探讨底轴式液压驱动钢坝启闭力计算方法和闸门高度与跨度对启闭力的影响。

1 闸门调度运行工况

液压钢坝主要任务是解决河流的水环境治理、防洪安全、水面生态景观等问题。根据挡水闸景观和防洪功能，水闸运行时存在着景观蓄水和防洪两种运行工况。本文根据某设备生产厂家对底轴式液压钢坝运营管理，闸门运行最不利工况为门顶过流500 mm，启门时下游无水，闭门时下游有水。

2 底轴驱动液压钢坝启闭力计算

2.1 液压钢坝布置

影响闸门启闭力的最主要因素为闸门高度H、跨度B，如图1所示，河岸两侧为启闭机室，左右岸驱动室各设置一台启闭机，控制集中在右岸，并配有柴油机作为备用电源。

2.2 工作原理

水压力、门体重力、止水摩擦阻力和支铰转动摩擦阻力通过悬臂门叶传递到底轴，底轴受到水平力、垂直力和扭矩。底轴水平力和垂直力则通过固定铰支座传递到土建结构，扭矩则传递到液压启闭设备。水闸在实际运行过程中，液压启闭机通过拐臂驱动底轴转动，从而使固连在底轴上的悬臂门叶绕着以底轴中心和圆心的扇形转动，实现水闸的启闭。水闸的开度范围为0°～90°，全关位置可溢流达到景观效果，全开位置则放水泄洪[5]。

图1 底轴驱动液压钢坝布置图

2.3 启闭力最大值分析

根据水闸启闭运行原理，液压装置动力通过拐臂作用于底轴产生扭矩克服由水压力、摩擦力等作用于底轴产生的扭矩从而实现水闸开启和关闭。当水闸开启时，为防止闸门在水压力和重力的作用下快速启门(考虑闸门下游无水)，门体受力分析如图2所示，启门力计算公式为：

图2 水闸启门力受力分析

(1)

式中：nT为摩擦阻力安全系数;nG为自重修正系数;Tz d为支铰摩擦阻力,kN;Tz s为止水摩擦阻力(包括预压缩力和水压力作用产生的摩阻力),kN;G为重力,kN;Ws为水压力;r1、r2、lG和l3分别为支铰摩擦阻力臂、止水摩擦阻力臂、重力力臂和水压力作用力臂，m;R为液压装置作用力臂,m。

以B=10 m，H=2 m为例，分别计算门叶与水平方向呈不同角度时的启门力，计算结果如表1所示。

表1 启门力结算结果

通过表1分析知：启门力开始随着角度的减小而增大，在60°左右水压力和门体重力对底轴产生的扭矩最大，使启门力达到最大值，后随着角度的增加，由于水压力作用力臂减小幅度大，故对底轴产生的扭矩减小，使启门力减小。

当水闸关闭时，考虑在正常蓄水位时的不利工况，闸门下游有水，门体受力分析如图3所示，闭门力计算公式为：

F闭=(nTTzdr1+nTTzsr2-nGGlG-WSl3)/R

(2)

式中字母代表意义同式(1)。

图3 水闸闭门力受力分析

同样以B=10 m，H=2 m为例，分别计算门叶与水平方向呈不同角度时的闭门力，计算结果如表2所示。

表2 闭门力结算结果

通过表2分析知：考虑闸门下游有水则上下游水位差为零，水压力可忽略不计，随着闭门角度增大，闭门力增大，故闸门在90°关闭瞬时所受水压力最大。

3 闸门高度和跨度对启闭力影响

利用式(1)计算不同跨度和不同高度在启门角度为60°时的启门力，闭门力计算和启门力不同之处在于支铰摩擦阻力与止水摩擦阻力方向相反，故随闸门跨度和高度变化趋势一致，不再进行讨论。计算结果如表3所示，闸门高度H从2 m递增到5 m(以0.5 m递增)，闸门跨度B从10 m递增到50 m(以5 m递增)，分析跨度和高度对闸门运行时启闭力的影响。

表3 闸门启门力大小受高度、跨度影响分析表

启门力随闸门跨度和高度的变化采用单一变量法，分别选取H和B中一个因子变化，另一个因子保持不变。启门力随闸门跨度B和高度H的变化如图4所示。

图4 启门力随闸门高度H和跨度B变化示意图

由图4分析可知：启门力与闸门高度H、跨度B均呈正相关。当跨度B一定时，启门力随闸门高度H的增加而呈下凹性的抛物线变化，且随着H的增加，单位跨度的启门力增幅变大；当跨度B一定时，启门力随闸门跨度B的增加而呈线性变化，且随着B的增加，单位跨度的启门力增幅变大；两幅图对比发现，在实际闸门跨度和高度取值范围内，影响因子H对启门力的影响要高于影响因子B。因此在实际工程设计中，在保证液压钢坝景观和防洪工况的情况下，为实现工程经济性和安全性的最大化，在设计中应优先考虑闸门高度H值进行结构优化。

4 结 论

本文分析了底轴驱动式液压钢坝作为挡水闸的特点，通过对底轴驱动液压钢坝启闭力的计算，研究结果表明：

(1)在启门角度为60°左右时启门力达到最大值，在闭门角度接近90°时闭门力达到最大值。

(2)启门力与闸门高度和跨度均呈正相关，且闸门高度对启门力的影响高于跨度，设计中结构优化时应优先考虑闸门高度。