闸门启闭力理论计算

时间：2023-10-18 百科知识版权反馈

【摘要】：闸门启闭力大小与闸门自重、闸门结构形式、水压力和摩擦力等有关。弧形闸门在启闭运动过程中，力的作用点、方向和力臂随运动而变化，因此，必要时可绘制启闭力过程线，以决定最大值。人字闸门主要用于船闸。因其只在静水中启闭，启闭力仅决定其在水中转动时的总的阻力矩，故所需的启闭力较小。为了了解事故检修闸门挡水运行状态下的工作特性和不能动水关闭的原因，拟对闸门进行各种工况下的启闭力检测及相应的理论计算。

8.2　闸门启闭力理论计算

闸门启闭力大小与闸门自重、闸门结构形式、水压力和摩擦力等有关。因此，闸门启闭力的理论计算分为平面门启闭力计算，弧形门启闭力计算与人字门启闭力计算3种。根据其闸门工作性质可知:一般工作门均在动水中关、闭;检修门在静水中关闭;事故门在动水中关闭、在静水中启动。在3种启闭力计算中每一种必须分动水启闭和静水启闭。具体理论计算方法与公式介绍如下。

8.2.1　平面闸门启闭力的理论计算

8.2.1.1　计算简图

平面闸门启闭力计算的简图如图8-2所示。

图8-2　平面闸门启闭力计算简图

8.2.1.2　计算公式

根据现行规范，平板闸门启闭力计算公式如下:

1.动水中启闭力计算

(1)启门力F_Q计算公式为

(2)闭门力F_W计算公式为

(3)持住力F_T计算公式为

式中:n_T、n'G和n_G——分别为摩阻力安全系数(一般采用1.2)、计算持住力及启门力用的闸门自重修正系数(一般采用1.0～1.1)和计算闭门力用的闸门自重修正系数(一般选用0.9～1.0);

G——闸门自重(kN)，应含定轮装置、拉杆(若有拉杆)等零件;

G_j——加重块重量(kN)，如果没有配重块，则G_j= 0;

Ws——作用在闸门上的水柱压力(kN)，如果为闸门前止水，Ws= 0;

P_s——下吸力(kN)，见《水利水电工程钢闸门设计规范》附录D，P_s= p_sD_zB_zs，一般p_s=20kN/m²，D_z为闸门底缘止水至主梁下翼缘的距离(m);

P_t——上托力(kN)，见《水利水电工程钢闸门设计规范》附录D，P_t=γβ_tH_sD₁ B_zs;

T_zd——支承摩阻力(kN)，当采用滑动轴承时，其滚动摩阻力T_zd=(f r+ f)，当采用滚动轴承时，其滚动摩阻力T=(+ 1)，当₁_zd采用滑动支承时，其滑动支承摩阻力T_zd= f₂ P;

T_zs——止水摩阻力(kN)，T_zs= f₂ P_zs(橡皮对不锈钢，f₂= 0.2～0.5);

P——作用在闸门上的总水压力(kN);

r——滚动轴半径(mm);

R、f——滚动半径和滚动摩阻力臂(mm)，一般取f= 1mm;

R₁——滚动轴承的平均半径(mm);

d——滚动轴承滚柱直径(mm);

f₁、f₂、f₃——滑动摩擦系数，计算持住力时应取小值，计算启门、闭门力时应取大值，可参照《水利水电工程钢闸门设计规范》附录M选用;

P_zs——作用在止水上的水压力(kN)。

2.静水中开启闸门的计算

闸门启闭力计算除计入闸门自重外，尚应考虑一定的水位差引起的摩阻力。非淹没式闸门可采用不大于1m的水位差，淹没式闸门可采用1～5m的水位差。

8.2.2　弧形闸门启闭力的理论计算

8.2.2.1　计算简图

弧形闸门启闭力计算的计算简图如图8-3所示。

图8-3　弧形闸门启闭力计算简图

8.2.2.2　计算公式

根据现行规范，弧形闸门启闭力计算公式如下。

1.闭门力F_W的计算公式

闭门力F_W的计算公式为

计算结果为“正”值时，闸门需加块重;为“负”值时，依靠自重可以关闭。

2.启门力F_Q的计算公式

启门力F_Q的计算公式为

式中:n_T、n'_G和n_G——分别为摩阻力安全系数(一般采用1.2)、计算启门力用的闸门自重修正系数(一般采用1.0～1.1)和计算闭门力用的闸门自重修正系数(一般采用0.9～1.0);

G——闸门自重(kN);

G_j——加重块重量，弧门一般不设加重块(kN);

P_t=γβ_tH_sD₁ B_zs——上托力(kN)(D₁= 0);

P_s= pD₂ B_zs——下吸力(kN);

T_zd= f₂ P——转动支铰的摩擦阻力(kN)，如钢对青铜则f₂= 0.12～0.25;

T_zs= f₃ P_zs——止水摩阻力(kN)，(如考虑轨道有锈蚀，则取f₃= 0.05～0.2);

P——作用在闸门上的总水压力，根据实际设计水头等资料，依规范计算而得(kN);

R₁、R₂——分别为加重块和启门力对弧形闸门转动中心的力臂(m);

r₀、r₁、r₂、r₃、r₄——分别为转动铰摩阻力、止水摩阻力、闸门自重、上托力和下吸力对弧形闸门转动中心的力臂(m)。

弧形闸门在启闭运动过程中，力的作用点、方向和力臂随运动而变化，因此，必要时可绘制启闭力过程线，以决定最大值。

8.2.3　人字闸门启闭力的理论计算

人字闸门主要用于船闸。因其只在静水中启闭，启闭力仅决定其在水中转动时的总的阻力矩，故所需的启闭力较小。

计算人字闸门的启闭力，必须首先计算其转动的总的阻力矩，然后计算其启闭力。

8.2.3.1　闸门转动的总的阻力矩M

闸门转动总力矩包括六个部分，分别介绍如下。

1.顶枢和底枢的摩擦阻力矩M₁

顶枢和底枢的摩擦阻力矩M₁为

式中: f——摩擦系数0.4～0.5;

N——门叶在竖直荷载作用下所引起的顶枢水平支承反力;

d₁——顶枢销轴直径(m);

G₀——包括门顶工作桥荷载的门叶竖直荷载(kN);

d₂——底枢半圆球轴的直径(m)。

M1值在整个开启过程保持不变。

2.水位壅高的阻力矩M₂

由于闸门转动，使闸门运动方向的一侧水位壅高ΔH所引起的阻力矩M2为:

式中:h——一扇门叶淹没在水中的高度(m);

l——门叶宽度(m);

V_B——门叶端点平均移动速度，一般为0.2～0.4(m/s)。

3.动水压力阻力矩M3

动水压力阻力矩M3为

式中:V——门叶移动的平均速度(m/s)，V=φl/2t₀;(8-8')

φ——闸门全开的转动角度(rad);

t₀——开启所需的总时间(s);

l——门叶宽度(m);

h——一扇门叶淹没在水中的高度(m)。

4.风压力阻力矩M4

风压力阻力矩M4为

式中:q——风压强度，通常采用q=(0.039～0.049)×10⁴(Pa);

α——门叶和闸墙的夹角(rad);

h'——闸门门叶露出水面以上部分的高度(m);

M₄在开启和关闭时最大，随α减小而减小。

5.门叶自重惯性力矩M₅

门叶自重惯性力矩M₅为

t= 0时，M₅最大;

t= t₀时，M₅= 0。

式中:t——任意时刻;

其他符号意义同前。

6.静水压力阻力矩M6

闸门开启前，上、下游(闸门两侧)残余水位差Z所引起的阻力矩M₆为

水中:Z——一般取0.1～0.2m;

其他符号意义同前。

闸门转动的总阻力矩M为

8.2.3.2人字闸门的启门力T式中:R——为牵引力到旋转中心的力臂。该值随启闭机械形式及作用点位置而异。一般取R=(～)l;

M _max——总阻力矩的最大值。

在式(8-12)中除M₁外，其余阻力矩均随时间而变化，故需绘出各阻力矩曲线(如图8-4所示)，以求阻力矩的最大值。

图8-4　人字闸门启闭过程阻力矩曲线示意图

8.2.4　工程算例

8.2.4.1　算例1

四川省大渡河上某水电站主要任务是发电，兼有防洪、航运、灌溉等作用。该电站设有5m×10.5m(水头56m)冲沙底孔，其事故检修平板门采用坝顶450t门机启闭，弧形工作门采用卷扬式固定启闭机启闭。该闸门已运行30多年，原设计是链轮式平板门，后改为定轮式平板门，其静力荷载27810kN，要求能够在动水条件下关闭运行。但在2001年发现事故检修闸门在静水条件可以启闭，但在动水条件不能关闭。为了了解事故检修闸门挡水运行状态下的工作特性和不能动水关闭的原因，拟对闸门进行各种工况下的启闭力检测及相应的理论计算。

闸门基本资料如表8-1、表8-2所示。

表8-1　冲沙底孔事故检修闸门定轮装置零件

表8-2　冲沙底孔事故检修闸门基本参数

闸门布置图如图8-5所示。

图8-5　冲沙底孔事故检修闸门布置图

按《水利水电工程钢闸门设计规范》(DL/T5013－95)计算该电站冲沙底孔事故闸门启闭力，冲沙底孔事故闸门是潜孔平板闸门，闸门的启闭条件是:静水平压开门、事故动水关门。在此采用理论公式计算的办法校核闸门的启闭力。

Ⅰ.启闭力计算表达式

根据现行的规范，事故检修平板闸门启闭门力的计算公式见式(8-1)、式(8-2)、式(8-3)。

(1)启门力计算

启门力为

F_Q= n_T(T_zd+ T_zs)+ P_s+ n'GG+G_j+W_s

(2)闭门力计算

闭门力为

F_W= n_T(T_zd+ T_zs)+ P_t－n_GG－G_j－W_s

(3)持住力计算

持住力为

F_T= G+G_j+Ws+ P_s－P_t－(T_zd+ T_zs)

式中:n_T、n'G和n_G——分别为摩擦阻力安全系数(采用1.2)、计算持住力及启门力用的闸门自重修正系数(采用1.0～1.1)和计算闭门力用的闸门自重修正系数(采用0.9～1.0);

G——闸门自重(含定轮装置零件)，kN，参考龚嘴电站底孔事故检修平板闸门图纸，闸门自重为748kN(门体655kN+定轮39kN+链条轮54kN);

G_j——加重块重量，kN(闸门配重，G_j= 1770kN);

W_s——作用在闸门上的水柱压力，kN(闸门前止水，Ws= 0);

P_s= p_sD₂B_zs——下吸力，kN(D₂=D= 1.3m，p_s=20kN/m²，B=_zs5.16m);

P_t=γβ_tH_sD₁ B_zs——上托力(包括止水上托力)，kN(D₁= 0);

T_zd=(f₁r+ f)——滑动轴承的滚动摩擦阻力;

T_zd= f₂ P——滑动支承的摩擦阻力;

T_zs= f₂ P_zs——止水摩阻力(含橡皮预压摩阻力)(橡皮对不锈钢，f₂= 0.2～0.5)，kN;

P——作用在闸门上的总水压力，kN;

r——滚轮轴半径，mm(r= 35mm);

R、f——滚轮半径和滚动摩擦力臂，mm(R= 75mm，f= 1mm);

f₁、f₂——滑动摩擦系数(油尼龙轴套，f₁= 0.10～0.14，计算取0.12)。

(4)总水压力

总水压力为: P=γ(2H_s－h)hB/2(Hs≥h)其中:H_s为闸门水头;h为闸门止水高度(h= 10.633m);B为闸门止水宽度(B= 5.16m)。

Ⅱ.校核水位下闸门启闭力

图8-6　事故检修门静水压力图

库水位为校核水位528.0m(底孔H_s= 56.0m)时。

1.动水启闭闸门

检修闸门的总水压力:

P= 1×(2×56.0－10.633)10.633×5.16/2= 2781^(t)= 27 10kN

将检修闸门具体参数代入启闭力的计算公式，可得到闸门启闭力:

T_zd= 2781(0.12×35+ 1)/75= 193^(t)= 1930kN(油尼龙轴套f₁= 0.12)

T_zs= 0.06×10.633(56.0－10.633/2)×0.5×2+ 0.06×5.16×(56－10.633)×0.5+ 0.58(2×10.633+ 5.16)= 54.9^(t)= 549kN

P_s= 2×1.30×5.16= 13.4^(t)= 134kN

P _t= 0.20×5.16×(56－10.633)×1= 46.8^(t)= 468kN

(1)启门力计算:

F_Q= 1.2(193+ 54.9)+ 13.4+ 1.1×74.8+ 177= 570.2^(t)= 5702kN＞4500kN(不能动水启门)

(2)闭门力计算:

F_W= 1.2(193+ 54.9)－0.9×74.8+ 46.8= 277^(t)= 2720kN＞

G_j= 1770kN(不能动水落门)

(3)持住力计算:

F_T= 1.1×74.8+ 177+ 13.4－46.8－(193+ 54.9)=－22.0^(t)

　　=－220kN

2.静水启门力

考虑5m水位差，检修闸门的总水压力:

P= 1×5.0×10.633×5.16= 274^(t)= 2740kN

将检修闸门具体参数代入启闭力的计算公式，可得到闸门启闭力:

T_zd= 274(0.12×35+ 1)/75= 19.0^(t)= 190kN(油尼龙轴套f₁= 0.12)

T_zs= 0.06×5.0×(10.633×2+ 5.16)×0.5+ 0.58(2×10.633+ 5.16)= 19.3^(t)= 193kN

F_Q= 1.2(19.0+ 19.3)+ 1.1×74.8+ 177= 304.4^(t)= 3044＜4500kN(可以静水启门)

F_W= 1.2(19.0+ 19.3)－0.9×74.8=－21.4^(t)=－214kN＜G_j

　　= 1770kN(可以静水落门)

Ⅲ.试验水位下闸门启闭力

2004年8月29日上午试验库水位为522.1m(流量为2710m³/s，底孔H_s= 50.1m)。

1.动水启闭闸门

检修闸门的总水压力:

P= 1×(2×50.1－10.633)×10.633×5.16/2= 2457^(t)

　　=24570kN

将检修闸门具体参数代入启闭力的计算公式，可得到闸门启闭力:

T_zd= 2457(0.12×35+ 1)/75= 170^(t)= 1700kN(油尼龙轴套f₁= 0.12)

T_zs= 0.06×10.633(50.1－10.633/2)×0.5×2+ 0.06×5.16×(50.1－10.633)×0.5+ 0.58(2×10.633+ 5.16)= 50^(t)= 500kN

P_s= 2×1.30×5.16= 13.4^(t)= 134kN

P _t= 0.20×5.16×(50.1－10.633)×1= 40.7^(t)= 407kN

(1)启门力计算:

F_Q= 1.2(170+ 50)+ 13.4+ 1.1×74.8+ 177= 536.7^(t)= 5367＞4500kN(不能动水启门)

(2)闭门力计算:

F_W= 1.2(170+ 50)－0.9×74.8+ 40.7= 237^(t)= 2370kN＞G_j= 1770kN(不能动水落门)

(3)持住力计算:

F_T= 1.1×74.8+ 177+ 13.4－40.7－(170+ 50)= 12.0^(t)= 120kN

2.静水启门力

考虑5m水位差，计算结果与上相同。

Ⅳ.小结

从以上计算可知:底孔事故检修闸门在校核水位528.0m下，动水启门力为5702kN(570.2^(t))，大于门机的额定容量，闸门不能动水启门，但静水启门力为3044kN(304.4^(t))，小于门机的额定容量，闸门可以静水启门;动水闭门力为2720kN(272^(t))，大于闸门的配重1770kN(177^(t))。闸门的计算配重应当达到2720kN(272^(t))，实际还差950kN(95^(t))，由于配重不足，底孔事故检修闸门不能落到底，即检修闸门不能动水闭门。

在试验水位522.1m下，闸门也不能动水启门，但可以静水启门;其动水闭门力为2370kN(237^(t))，大于闸门的配重，闸门也不能落到底，即闸门也不能动水闭门。

应当指出:在校核水位528.0m下，闸门静水启门力为3044kN(304.4^(t))、动水闭门力为2720kN，根据门机的额定容量(450^(t))，再增加1000kN(100^(t))配重、同时采用低摩擦系数新型材料轴套，闸门才能够动水关门、静水启门。但实际上，底孔事故检修闸门要再增加1000kN的配重，在空间位置上有一定的困难。

8.2.4.2　算例2

地处重庆市丰都县境内、长江上游南岸龙河干流上的某水电站，其主要水工建筑物包括挡、泄水建筑物，右岸引水系统和厂区枢纽三大部分。电站装机容量为115MW，是地区已建电站中容量最大、又具有季节性能的水电站。枢纽中的金属结构已使用9年。根据国内外水利枢纽闸门泄洪运行实践及大坝安全定期检查的要求，须对该水电站水工金属结构进行安全检测与复核。本算例就是为闸门的安全复核而对其启闭力进行理论计算。

闸门基本资料如表8-3至表8-5所示。

表8-3　水电站金属结构简要资料表

表8-4　表孔工作弧门启闭机基本参数表

表8-5　中孔工作闸门启闭机基本参数表

将设计水头增加1m，按《水利水电工程钢闸门设计规范》(DL/ T5013－95)计算该水电站表孔工作弧门、中孔工作弧门的启闭力，在此仍采用理论计算公式计算的办法校核闸门的启闭力。

Ⅰ.启闭力计算表达式

根据现行的规范，弧形闸门启闭力的计算公式(如式(8-4)、式(8-5))为:

(1)闭门力计算:

闭门力计算表达式为

(2)启门力计算:

启门力计算表达式为

式中:n_T、n'_G和n_G——分别为摩擦阻力安全系数(采用1.2)、计算启门力用的闸门自重修正系数(采用1.0～1.1)和计算闭门力用的闸门自重修正系数(采用0.9～1.0);

G——闸门自重(kN)，参考该水电站弧形闸门图纸(成都勘测设计研究院)，计算得到表孔工作弧门自重为751.2kN(考虑1m加高后闸门的自重)、中孔弧门自重为404kN(不含支铰的重量)。

G_j——加重块重量(弧门没有加重块)，kN(G_j= 0);

P_t=γβ_tH_sD₁ B_zs——上托力，kN(D₁= 0);

P_s= p_sD₂B_zs——下吸力，kN(D₂=D≈0.4m，p_s=2t/m²= 20kN/m²);

T_zd= f₂ P——转动支铰的摩擦阻力，取f₂= 0.12～0.25(钢对青铜)，kN;

T_zs= f₃ P_zs——止水摩阻力(考虑轨道锈蚀，取f₃= 0.05～0.2)，kN;

P——作用在闸门上的总水压力，kN;

R₁、R₂——分别为加重块和启门力对弧形闸门转动中心的力臂(表孔工作弧门:R₂= 15.6m;中孔弧门:R₂= 9.6m);

r₀、r₁、r₂、r₃、r₄——分别为转动铰摩阻力、止水摩阻力、闸门自重、上托力和下吸力对弧形闸门转动中心的力臂。表孔工作弧门:r₀= 0.23、r₁= 16.1、r₂= 11.8、r₃= 15.9、r₄= 15.9m;中孔闸门: r₀= 0.21、r₁= 10.1、r₂= 7.4、r₃= 9.9、r₄= 9.9m。