下游常水位后浮箱水力自动控制闸门的设计

摘要：后浮箱水力自控闸门在突尼斯麦—崩水渠已运行20多年，发挥了很好的调节控制作用。本文结合工作实践,从闸门的工作原理、结构特点、闸门选型等方面，对该闸门进行了简明的技术分析和造型介绍及设计体会、认识。

关键词：后浮箱 水力 自动闸门 工作原理 结构特点 闸门选型

1 概述

自动化是科学技术现代化的重要内容，自动闸门则是水利工程实现自动化运行的一项重要设备。浮箱水力自动化闸门是一种借助水力和重力作用，可以自动启闭和调节的自动化闸门，具有运行可靠、结构简单等特点，越来越被广泛地应用于供水、灌溉、防洪、发电、水运等工程。

下游常水位水力自动控制闸门的特点是，在闸后为某一设计水位条件下，当下游需水量改变时，闸门能利用水力作用自动地进行启闭，以满足闸后需水量要求，无论闸上游水位如何变化，闸门的开度大小，以下游需水量的大小而变。这种闸门是专门为输水和灌溉渠道设计的，用作渠道进水闸、节制闸及分水闸等，可实现渠道水力自动调节和输水。

我国援助突尼斯共和国建设的麦－崩水渠工程，设计要求水渠的水位实现自动控制。该工程采用的控制下游水位的后浮箱闸门，是我院在国内尚无设计先例，又缺乏技术资料的情况下，自行研制设计的，经过多次室内水工模型试验和中间试验，获得了有关布置、结构主要参数等一系列技术数据后，进行了施工详图设计和制造。经安装运行后证实：下游常水位水力自动控制闸门启闭灵敏、运行可靠、易于维修，达到了预想的效果。

笔者有幸参加了突尼斯麦—崩水渠自动控制下游常水位的后浮箱闸门的设计工作，本文结合工作实践谈谈对该类型闸门的设计体会和认识，同大家交流，以有益于推广和应用。

2 闸门的工作原理

下游常水位闸门主要由面板、臂杆、配重箱、轴承以及浮箱、浮箱套等部位组成(见图1)。

图1 下游常水位水力自动控制闸门结构图

面板和浮箱的前后侧板均做成圆弧形，其圆心都和转动轴轴心重合。浮箱底部的切线方向也通过轴心，门轴高程设置在下游设计水位上，如图2所示。

图2 面板、浮箱工作原理示意图

从图2可以看出，要使闸门处于稳定平衡状态，作用在闸门上的开门力矩（Cp） 应等于关门力矩（Cf)，

即：Cp=Cf

(1)

开门力矩Cp=pdsinα

(2)

式中：p为包括配重的闸门重量；d为重心和转轴中心的距离；α为浮箱的底部和水面所形成的角度。

关门力矩

式中:w为水的单位重量；e为浮箱的宽度；R为浮箱的外径；r为浮箱的内径。将(2)、(3)式代入(1)式,

即：

由此可见，闸门的平衡与α 角值无关，即当闸后水位为设计水位时，只要在进行闸门设计和安装调整时，适当调整配重，使闸门重量和重心位置满足式(1)或式(4)的要求，则在该下游水位条件下，闸门开启到任何位置，也均能保持平衡。当下游水位降落时，闸门失去平衡，开度加大，下泄流量增加，下游水位回复到与转轴中心相同时，闸门才停止转动；当下游水位超过转轴中心时，闸门转动开度减小，至水位回落到转轴中心相同时，闸门停止转动。这样，能经常保持下游为常水位。

3 闸门的结构特点

（1）闸门是一个有两个上支臂的弧形门，其左右支铰轴由一个空心圆筒联接起来，两个上支臂支撑固定在空心圆筒上，支铰轴与弧形面板同心，浮箱则固定在空心圆筒的下游（见图1所示），浮箱外缘和内缘均为圆弧形且同心，并且圆心为支铰轴心。

（2）为防止过水时水流冲击浮箱下部，在浮箱的下部装设一个护套，让水只从箱套下游下部的孔隙中缓缓进入，以保持较平稳的运行。

（3）后浮箱水力自动闸门可以是露顶式也可以为潜没式，当上游取水的河道水位升降变化幅度大，而又能满足取水要求时，可选择为潜没式孔口，即上游设混凝土胸墙。由于弧形面板的圆心与闸门转动的支铰轴为同心，所以上游作用于弧形面板上的水压力合力作用线通过支铰轴心，不产生启、闭门力，所以闸门的动作只受下游水作用于浮箱底侧力的控制。

（4）为保证启闭灵活，门叶的两侧及顶部不与闸室两侧的闸墩以及胸墙接触，其间留一些小的缝隙，同时门叶面板为上部大底部小的梯形弧面，以确保在启闭过程中不与两侧闸墩触碰摩擦。在支铰轴上装有滚动轴承，使闸门开启转动时轴的摩阻力减小到最低限度。

（5）由于渠道内是经常有水的，所以闸门一般也均为开启状态，只是开启程度不同。当下游渠道需要检修而要求无水时，将后浮箱闸门上游的平板检修闸门关闭，使其不漏水，即可完全断流。

（6）闸门（包括浮箱）的整体重心应使其位于支铰轴心的上部并且偏下游侧，以使闸门自重为一个开度力矩，而下游浮箱（后浮箱）的浮力为一个关门力矩。调整闸门重心位置，可采用在浮箱内的适当位置加设铸铁配重块来实现。配重块是可以移动的，因此可以调整制造中产生的误差。

4 闸门的选型

下游常水位后浮箱水利自动控制闸门（简称后浮箱式闸门）的不同门型是按照浮箱半径R和孔口面积A来划分的。例如：56／25门型，即表示该门浮箱半径为56 cm孔口面积为25 dm2 。另外，按照作用水头的大小，闸门又分为高水头和低水头两种型号，两者不同之处在于两种门型具有相同的浮箱半径和孔口高度，而低水头型门的孔口宽度为高水头门的两倍。因此，当过闸水头损失相同时，低水头型门的过流能力为高水头型门的两倍，或者对于同一过闸流量，低水头型门的过闸水头损失比高水头型门的减少四倍，而最大允许水头则减少一半。

5 结语

下游常水位后浮箱水力自动控制闸门适用于采用等水位或等容量控制的输水渠道上，具有结构简单、设计方便、运行可靠和土建费用少等优点，如若与微机自动监测系统结合其效果会更加显著。我院自行研制的后浮箱自动闸门，已在我国援助突尼斯共和国麦—崩水渠工程中应用，取得了成功的设计经验。为此，建议将该类型闸门应用于南水北调配套工程中的供水渠系，依靠水力自动工作原理，做到节省能源和自动化运行，为实现南水北调工程提出的“四个一流”目标做出贡献。

What Learned from Design for Underwater Auto?Control Gate

of Floating Pontoon in the Lower Reaches

Abstract: To integrate the practice in the work, the author has introduced his experience on designing the gate related to a gate''''s working principle, its structure and how to select gate type.

Key words: floating pontoon;auto?control gate operation scheme;structure;to select gate type