关于渐开式翻板闸门几个问题的讨论(1)程力学(2)

2. 工程实例
某闸，门高2.6米，门宽6米，挡水高度2.51米。运行特征水位：（均以相对高程表示）门底坎高程0.00米，闸门顶高程2.51米，启动水位2.60米，全开水位2.87米，全开角度78度，关闭水位2.51米，最大设计水头6.50米。滚轮的直径d=0.53m、连杆的长度l=1.487m，
在门重g，门叶上游面、底缘、顶缘和下游面所承受的水压力合力p1、p2、p3、p4，门下空腔负压的下拉力p5，以及滚轮的支承力n及连杆的内力t的作用下，根据力的平衡关系（m开＝m关），计算出上游水位h不断变化过程中闸门的开度a，得到h～a关系曲线。
闸门在开关门过程中上游水位与闸门转角的关系曲线如图3所示。从图中可以看出，闸门在任意开度位置，其开门水位较关门水位高，差值基本为2ｃｍ左右。可见闸门对防止“拍打”有一定的阻尼作用。这种阻尼作用主要是由滚轮、连杆机构本身决定的。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，阻尼越大，抗“拍打”的能力越强，闸门的连杆和滚轮设计合理时，基本不会发生拍打现象。
当开门力矩与关门力矩总和为零，闸门处于稳定状态。若来流量稍有增加，动水压力增大，开门力矩有一微小增量，这时连杆会产生反力，形成阻抗力矩来阻止其旋转，该阻抗力矩随着来水流量的增加而逐渐增大，当其达到最大值时，则闸门将处于向右转动前的极限平衡状态。反之，若来水流量稍有减少，动水压力减小，则产生一微小关门力矩，这时连杆将产生拉力，拉力形成的力矩使闸门维持稳定。连杆的位置随闸门的开启(或关闭)是会发生变化的。当动水压力增加(或减少)到一定值时，闸门将增加(或减少)其开度，从而使动水压力增量又发生改变，闸门在新的位置通过新的连杆反力矩(或拉力矩)重新维持稳定。因此，连杆的反力不是不变的，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，使闸门必须在克服连杆反力矩(或拉力矩)的最大值后才能转到新的开度。这样，就保证了闸门的开启和关闭达到相对稳定。

为了便于分析连杆长度对闸门运行的影响，本文设计了五种典型方案，即保持翻板闸门的滚轮半径和连杆后支点高度不变，后支点向上下游水平移动，各方案间的后支点水平距离间隔为5cm，方案①：l＝1. 581m，方案②：l＝1.534m，方案③：l＝1.487m，方案④：l＝1.439m，方案⑤：l＝1.393m，如图4所示。

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图4 改变连杆长度的五种典型方案

通过自己编写的开门运行程序open.for的运算，可以得到各方案闸门在开门过程中上游水位h与闸门的角度f的关系曲线，如图5所示。

图5 不同连杆长度的开门曲线

图5反映了连杆长度的变化对闸门开门曲线的影响，从图中可看出：连杆长度设计不合理，连杆长度过长，翻板闸门启动后迅速达到全开位置，翻板闸门运行不稳定，如方案①。连杆长度不够，闸门的开门曲线过于平缓，闸门最大开度较小，影响泄洪排涝，且全开水位较大，上游水位涨幅过大，会造成上游农田的淹没，如方案⑤。方案③的开门曲线较平稳光滑，闸门最大开度也较大，表明闸门运行较稳定，且全开水位较低，上游水位涨幅较小。各方案对应的各项指标如表1所示。

表1各方案对应的各项指标

对应不同的连杆长度，翻板闸门运行时所能达到的最大开门角度θ_m也不同，其变化规律如图6所示。

图6 连杆长度与闸门最大开度的关系曲线

图中曲线有唯一的极值点（1.477，79.97），即θ_m最大值为79.97，对应的l＝1.477m。因此，l＝1.477为连杆的优化长度。

3.结论

在平原地区，尤其是城市的水渠中应用翻板闸门，由于水流比较清彻，漂浮物和杂物都比较少，所以不必考虑排漂的问题，但在山区中，由于山上冲下来的树枝、杂草很多，所以都要考虑用拦污栅来防止铰座被缠住而影响翻板闸门的运行稳定。

通过以上的分析，我们认为连杆长度，和后支点的高度对翻板闸门运行稳定的影响很大，因此对翻板闸门的设计中，应该考虑连杆长度的优化问题，找一个合适的连杆长度和后支点的位置以便使翻板闸门的开启角度最大，从而保证翻板闸门的运行稳定。

参考文献

1.       任广云等，渐开式翻板闸门的几个设计问题[j]，水利水电科技进展，1999，10

2.       李宗健等，水力自动闸门，水利水电出版社，1987，8

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