关于渐开式翻板闸门几个问题的讨论

摘要：针对漂浮物的问题提出解决方案，分析了影响闸门运行稳定的因素，并论证了连杆的长度对运行稳定的影响，优化了连杆的尺寸，使闸门运行更加稳定。

关键词：水闸 闸门 连杆滚轮式翻板闸门 优化 稳定

渐开式水力自动翻板闸门靠水压力及闸门自重自动启闭，无需启闭机械及其他动力，只需少量人员管理，可节省大量工程投资及管理费用，与机械启闭闸门相比可节省投资50%以上。尤其在偏远的陡涨陡落的河流，水位低时闸门自动关闭，蓄水灌溉；汛期水位高时闸门自动开启、泄洪；洪水过后，水位下降，闸门自动及时回关，可充分利用水利资源，提高水的利用率。它能保证较大的过水能力和上游水位较小的壅高值，使堤防工程量大为减少。正是由于以上的特点，渐开式水力自动翻板闸门在交通航道工程和水利工程中得到越来越广泛的应用。例如临沂市费县北石沟拦河闸、引黄济青大沽河水利枢纽工程、沂南县黄埠拦河闸等都采用这种形式的翻板闸门。但是这类闸门在运行中也存在着一些问题，本文下面将针对连杆滚轮式翻板闸门（如图1）的一些常见的问题例如漂浮物的堵塞、闸门运行的稳定问题，闸门的结构优化问题进行研究进而探讨其解决方法。

图 1

1.常见的几个问题及其解决方法

1.1漂浮物堵塞铰座

当闸门建在山区河道上时，河道行洪时具有来势猛，速度大，冲刷强，漂浮物多等特点。当杂草、树枝、树干等杂物堵塞在铰座周围，会影响闸门的回关，严重的将在闸门与底板之间形成缝隙，闸前蓄不上水。汛后清理这些杂物也比较困难，需要千斤顶、吊车或滑轮组把闸门开启起来清除，给管理工作带来很大的麻烦，还会造成一定的经济损失。因此如何解决排漂的问题是翻板闸门能否在山区河道应用的关键问题。

图 2

解决方法有以下几种：（1）在上游设置导流墩，将漂浮物导向铰座两边，减少漂浮物对铰座的堵塞。缺点由于回流等因素的影响仍有剩余漂浮物会冲到铰座里。（2）是在门前设置拦污栅，缺点是要定期的清除栅前的漂浮物。（3）是在连杆上焊接一个弧形的拦污栅，大小视保护的范围而定，在闸门开启或关闭时，连杆和拦污栅一起运动，这种方案效果比较好。翻板闸门弧形拦污栅剖面示意图如图2所示。

1.2 运行稳定问题

水力自控翻板门因其能随水位涨落而自动启闭、结构简单、运行可靠、便于管理和造价低廉等优点，在中小型闸坝、山塘水库的溢洪道、山区渠道排洪建筑物以及人工湖中得到广泛的应用，发挥了很好的效益。然而，由于这种闸门的运行环境和受力情况比较复杂，而其设计计算理论目前尚不十分完善，运行中普遍存在着诸多不稳定现象，如突然翻倒、频繁摆动和“拍打”现象，这些就是通常所说的“失稳”。所有这些失稳现象，对闸门的正常运行是非常有害的，轻者能引起工程结构的整体振动，产生噪音，重者可导致闸门破坏。

影响闸门稳定的因素很多，其中主要有：（1）闸门面板上的溢流水舌与闸下孔流间形成空腔，空腔中的空气被水流带走形成不稳定的负压。（2）闸门两侧边壁使过闸水流两侧形成漏斗，带入空气使空腔压力不稳。（3）闸门刚开启时远驱水跃在闸门底部产生的负压。（4）闸门开度小时形成的波状水跃。（5）闸门全开时临界淹没水跃（6）风浪造成闸上游水位不稳定也影响闸门的运行稳定。

为了保证闸门的稳定运行可在闸门后设置两道通气孔，通气孔面积应超过闸门淹没面积的5%。在水工结构上要保证水流流态平顺，边墙头部、闸墩、支墩、防护墩等的迎水部分尽量做成流线型。要从结构上保证闸门自身的阻尼作用从而保证闸门的稳定运行，例如连杆滚轮式翻板闸门的连杆长度和后支点高度要合适。而连杆长度及其后支点纵坐标对稳定的影响则需要论证。以下将通过工程实例具体分析讨论。

1.3结构优化问题

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，这种闸门的连杆、滚轮的尺寸大小和位置设置得当时，基本不会发生拍打现象。因此，在进行闸门设计时，要合理确定滚轮的直径、连杆的长度及连杆后支点位置，选择连杆阻尼作用大，启闭水位低的尺寸作为设计值，从结构上保持闸门自身的阻尼作用，保证其运转的稳定性。在以下的工程实例中，针对连杆滚轮式水力自动翻板闸门的连杆长度，通过对几个方案的比较，得出一个较好的方案，进而说明连杆长度对运行稳定的影响。

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。

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

方案

方案①

方案②

方案③

方案④

方案⑤

连杆长度（m）

1.581

1.534

1.487

1.439

1.393

最大开门角度（°）

79.79

79.85

79.96

79.92

79.91

上游启动水位（m）

2.55

2.55

2.55

2.55

2.55

上游全开水位（m）

2.78

2.81

2.85

2.87

2.92

上游水位涨幅（m）

0.27

0.30

0.34

0.36

0.41

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θm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θm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