底軸式液壓鋼壩啟閉力探討

謝 濤，覃志強(qiáng)

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽(yáng) 550002)

擋水閘在河道治理、城市生態(tài)水系和河流入?？诘阮I(lǐng)域得到了迅速發(fā)展，具有水流控制、生態(tài)、景觀(guān)[1]、交通等功能，以底軸驅(qū)動(dòng)式液壓鋼壩、氣動(dòng)盾形閘門(mén)、液壓下翻轉(zhuǎn)式閘門(mén)、下翻式造型閘門(mén)等形式居多[2-3]。其中底軸驅(qū)動(dòng)式液壓鋼壩相比其他擋水閘具有造價(jià)低、壽命長(zhǎng)、防凍防腐、不淤積泥沙、管養(yǎng)方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、跨度大和啟閉靈活等特點(diǎn)，易滿(mǎn)足下游用水需求，故在實(shí)際工程中運(yùn)用較多。底軸式液壓鋼壩由門(mén)葉、固定門(mén)葉的底軸、支鉸、穿墻套、雙P側(cè)止水、底止水、液壓?jiǎn)㈤]設(shè)備及液壓鎖定裝置等組成，鋼壩的啟閉通過(guò)液壓設(shè)備驅(qū)動(dòng)底軸實(shí)現(xiàn)。在閘門(mén)啟閉運(yùn)行過(guò)程中，除承受水體載荷外，門(mén)體自重、止水摩擦和支鉸摩擦均會(huì)對(duì)門(mén)體產(chǎn)生阻力或動(dòng)力[4]。閘門(mén)受力情況比較復(fù)雜，計(jì)算較為繁瑣，因此啟閉力計(jì)算是該閘門(mén)設(shè)計(jì)時(shí)的主要難點(diǎn)。

本文以常見(jiàn)工程為實(shí)例，探討底軸式液壓驅(qū)動(dòng)鋼壩啟閉力計(jì)算方法和閘門(mén)高度與跨度對(duì)啟閉力的影響。

1 閘門(mén)調(diào)度運(yùn)行工況

液壓鋼壩主要任務(wù)是解決河流的水環(huán)境治理、防洪安全、水面生態(tài)景觀(guān)等問(wèn)題。根據(jù)擋水閘景觀(guān)和防洪功能，水閘運(yùn)行時(shí)存在著景觀(guān)蓄水和防洪兩種運(yùn)行工況。本文根據(jù)某設(shè)備生產(chǎn)廠(chǎng)家對(duì)底軸式液壓鋼壩運(yùn)營(yíng)管理，閘門(mén)運(yùn)行最不利工況為門(mén)頂過(guò)流500 mm，啟門(mén)時(shí)下游無(wú)水，閉門(mén)時(shí)下游有水。

2 底軸驅(qū)動(dòng)液壓鋼壩啟閉力計(jì)算

2.1 液壓鋼壩布置

影響閘門(mén)啟閉力的最主要因素為閘門(mén)高度H、跨度B，如圖1所示，河岸兩側(cè)為啟閉機(jī)室，左右岸驅(qū)動(dòng)室各設(shè)置一臺(tái)啟閉機(jī)，控制集中在右岸，并配有柴油機(jī)作為備用電源。

2.2 工作原理

水壓力、門(mén)體重力、止水摩擦阻力和支鉸轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻力通過(guò)懸臂門(mén)葉傳遞到底軸，底軸受到水平力、垂直力和扭矩。底軸水平力和垂直力則通過(guò)固定鉸支座傳遞到土建結(jié)構(gòu)，扭矩則傳遞到液壓?jiǎn)㈤]設(shè)備。水閘在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，液壓?jiǎn)㈤]機(jī)通過(guò)拐臂驅(qū)動(dòng)底軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使固連在底軸上的懸臂門(mén)葉繞著以底軸中心和圓心的扇形轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)水閘的啟閉。水閘的開(kāi)度范圍為0°～90°，全關(guān)位置可溢流達(dá)到景觀(guān)效果，全開(kāi)位置則放水泄洪[5]。

圖1 底軸驅(qū)動(dòng)液壓鋼壩布置圖

2.3 啟閉力最大值分析

根據(jù)水閘啟閉運(yùn)行原理，液壓裝置動(dòng)力通過(guò)拐臂作用于底軸產(chǎn)生扭矩克服由水壓力、摩擦力等作用于底軸產(chǎn)生的扭矩從而實(shí)現(xiàn)水閘開(kāi)啟和關(guān)閉。當(dāng)水閘開(kāi)啟時(shí)，為防止閘門(mén)在水壓力和重力的作用下快速啟門(mén)(考慮閘門(mén)下游無(wú)水)，門(mén)體受力分析如圖2所示，啟門(mén)力計(jì)算公式為：

圖2 水閘啟門(mén)力受力分析

(1)

式中：nT為摩擦阻力安全系數(shù);nG為自重修正系數(shù);Tz d為支鉸摩擦阻力,kN;Tz s為止水摩擦阻力(包括預(yù)壓縮力和水壓力作用產(chǎn)生的摩阻力),kN;G為重力,kN;Ws為水壓力;r1、r2、lG和l3分別為支鉸摩擦阻力臂、止水摩擦阻力臂、重力力臂和水壓力作用力臂，m;R為液壓裝置作用力臂,m。

以B=10 m，H=2 m為例，分別計(jì)算門(mén)葉與水平方向呈不同角度時(shí)的啟門(mén)力，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 啟門(mén)力結(jié)算結(jié)果

通過(guò)表1分析知：?jiǎn)㈤T(mén)力開(kāi)始隨著角度的減小而增大，在60°左右水壓力和門(mén)體重力對(duì)底軸產(chǎn)生的扭矩最大，使啟門(mén)力達(dá)到最大值，后隨著角度的增加，由于水壓力作用力臂減小幅度大，故對(duì)底軸產(chǎn)生的扭矩減小，使啟門(mén)力減小。

當(dāng)水閘關(guān)閉時(shí)，考慮在正常蓄水位時(shí)的不利工況，閘門(mén)下游有水，門(mén)體受力分析如圖3所示，閉門(mén)力計(jì)算公式為：

F閉=(nTTzdr1+nTTzsr2-nGGlG-WSl3)/R

(2)

式中字母代表意義同式(1)。

圖3 水閘閉門(mén)力受力分析

同樣以B=10 m，H=2 m為例，分別計(jì)算門(mén)葉與水平方向呈不同角度時(shí)的閉門(mén)力，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 閉門(mén)力結(jié)算結(jié)果

通過(guò)表2分析知：考慮閘門(mén)下游有水則上下游水位差為零，水壓力可忽略不計(jì)，隨著閉門(mén)角度增大，閉門(mén)力增大，故閘門(mén)在90°關(guān)閉瞬時(shí)所受水壓力最大。

3 閘門(mén)高度和跨度對(duì)啟閉力影響

利用式(1)計(jì)算不同跨度和不同高度在啟門(mén)角度為60°時(shí)的啟門(mén)力，閉門(mén)力計(jì)算和啟門(mén)力不同之處在于支鉸摩擦阻力與止水摩擦阻力方向相反，故隨閘門(mén)跨度和高度變化趨勢(shì)一致，不再進(jìn)行討論。計(jì)算結(jié)果如表3所示，閘門(mén)高度H從2 m遞增到5 m(以0.5 m遞增)，閘門(mén)跨度B從10 m遞增到50 m(以5 m遞增)，分析跨度和高度對(duì)閘門(mén)運(yùn)行時(shí)啟閉力的影響。

表3 閘門(mén)啟門(mén)力大小受高度、跨度影響分析表

啟門(mén)力隨閘門(mén)跨度和高度的變化采用單一變量法，分別選取H和B中一個(gè)因子變化，另一個(gè)因子保持不變。啟門(mén)力隨閘門(mén)跨度B和高度H的變化如圖4所示。

圖4 啟門(mén)力隨閘門(mén)高度H和跨度B變化示意圖

由圖4分析可知：?jiǎn)㈤T(mén)力與閘門(mén)高度H、跨度B均呈正相關(guān)。當(dāng)跨度B一定時(shí)，啟門(mén)力隨閘門(mén)高度H的增加而呈下凹性的拋物線(xiàn)變化，且隨著H的增加，單位跨度的啟門(mén)力增幅變大；當(dāng)跨度B一定時(shí)，啟門(mén)力隨閘門(mén)跨度B的增加而呈線(xiàn)性變化，且隨著B(niǎo)的增加，單位跨度的啟門(mén)力增幅變大；兩幅圖對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際閘門(mén)跨度和高度取值范圍內(nèi)，影響因子H對(duì)啟門(mén)力的影響要高于影響因子B。因此在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，在保證液壓鋼壩景觀(guān)和防洪工況的情況下，為實(shí)現(xiàn)工程經(jīng)濟(jì)性和安全性的最大化，在設(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)先考慮閘門(mén)高度H值進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

4 結(jié) 論

本文分析了底軸驅(qū)動(dòng)式液壓鋼壩作為擋水閘的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)底軸驅(qū)動(dòng)液壓鋼壩啟閉力的計(jì)算，研究結(jié)果表明：

(1)在啟門(mén)角度為60°左右時(shí)啟門(mén)力達(dá)到最大值，在閉門(mén)角度接近90°時(shí)閉門(mén)力達(dá)到最大值。

(2)啟門(mén)力與閘門(mén)高度和跨度均呈正相關(guān)，且閘門(mén)高度對(duì)啟門(mén)力的影響高于跨度，設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮閘門(mén)高度。