连杆滚轮式水力自控翻板闸门水力学试验研究

连杆滚轮式水力自控翻板闸门水力学试验研究
陈灿辉李一平程永东
（广东省水利水电科学研究院，广州，510610）
摘要：通过对3m×6m（高×宽）连杆滚轮式水力自控翻板闸门的水力学试验研究，主要介绍该闸门运行稳定最佳设计后支承点位置。

把试验成果应用于实际工程中，取得较好效果。

可供相同门型及尺寸的闸门设计参考。

关键词：水力自控翻板闸门支点运行稳定
1 前言
因水力自控翻板闸门具有结构简单，靠水的作用力自动启闭，节省能源、造价低廉、并兼有泄洪、蓄水功能，在各小型水利工程上得到广泛应用。

但是，水力自控翻板闸门的水力特性较复杂，闸门的过流特性、动水压力和运行的稳定性仍处在研究阶段。

在最早进行水力自控翻板闸门研究者发现，水力自控翻板闸门在运行中会出现周期性来回拍击支墩或坝坎的现象，破坏性极大。

“拍打”的原因是由多方面引起：（1）控制闸门运行的支承条件；（2）闸门面板压强、门后空腔泄流、下游水位顶托、门后空腔中负压等水力因素；（3）面板型式和堰的型式的形状因素。

其中支承条件是引起闸门“拍打”的主要原因。

为了解决闸门拍打问题，将最初闸门设计的两铰及多铰支承的形式进行改造。

双支点连杆滚轮式翻板闸门型式为改进后的支承形式。

其布置见图1。

通过对3m×6m（高×宽）连杆滚轮式翻板闸门的后支承点的水力学试验，研究该闸门运行的稳定性，提出闸门运行稳定的最佳后支承点位置，并将试验成果应用于工程设计中，经原体运行观测，取得较好效果。

2 试验研究与成果
2.1 模型设计
3m×6m连杆滚轮式水力自控
翻板闸门安装在曲线非真空实用
堰上，见图1。

在80cm
水槽进行试验研究。

模型比例
1∶7.5。

按弗劳德重力相似定律
设计模型。

闸门用水泥加细铁砂
混合材料浇铸而成。

连杆及两端
的活动铰用铜件制造。

做到几何
尺寸相似，容重相似。

为保证模
型制作的精度
重心进行率定
0.85%
的运动相似。

模型率定成果见表1 图1 3m×6m连杆滚轮式水力自控翻板闸门结构图
2.2 试验方案
水力自控翻板闸门稳定的运转，合理选择支承点很重要，试验中对闸门支承后支点的位置进行6个方案的试验研究，各方案后支点位置从图1座标系KOZ可见，其座标值见表2。

表1 模型率定成果
重心位置(m) 情 况
门重(T)
X C
Y C
原体门重 11.118 0.2584 1.4138 模型门理论重 0.02635 0.1885 模型门实际重 0.02613 0.1885 误 差 0.85%
注：重心座标见图1中XO ′Y 座标系。

表2 自控翻板闸门6个方案后支点坐标
K(m) Z(m)
方案 试验值 计算值
误差
试验值
计算值
误差
1 －0.8325 －0.84 0.9% 0.888 0.8674 2.3%
2 －0.7875 1.0725
3 －0.7350 －0.7
4 0.7% 0.877
5 0.8674 1.2% 4 －0.6825 0.9975 5 －0.6225
－0.64 2.7% 0.8475 0.84 0.9%
6
－0.5775 0.9825
表2中还列出了方案1、方案3、方案5的后支点座标计算值。

从表可见，由于闸门加工工艺
误差，试验中闸门后支的位置与设计值有误差，误差值小于5%。

2.3 试验分析研究
闸门后支点选择合理的标志是：闸门开度应满足设计要求；泄流能力大；上游水位变幅较小；水位与开门角度关系曲线平稳，渐开性好；闸门无“拍打”失稳的现象。

经试验观测分析整理，自控翻板闸门后支点6个方案水位与闸门开门角度关系见图2。

方案1、方案3、方案5的水位与开门角度的理论计算值也绘在同一图中，以便对比分析，试验结果见表3。

表3 自控翻板闸门后支点6个方案水位与闸门开门角度特征成果
项号 1 2 3
开关门过程
计算与试验水位比较 (m)
较接近部分
距离较大处
方案 序号
最大 开度
最高堰 上水深 (m)
最低堰 上水深 (m)
差值/相应开度
差值/相应开度 1 74° 3.27 2.89 °
°°°47~5.460225.0~
26~24015.0
0.54/72° 2 65° 3.43 3.08
3 73° 3.28 2.88 °
°
42038.0~26023.0
.54/72° 4 68.5° 3.36 3.08
5 74° 3.23 2.63 °
°°°41~3612.0~
20~18068.0
0.83/70° 6 65.5° 3.43 3.09
注：第3项差值指理论计算曲线与试验曲线之间的水位差。

图2 闸门后支点各方案水位与闸门开门角度关系曲线
试验表明：
（1）双支点连杆滚轮式翻板闸门系统的配置合理，在各方案中，闸门运转的渐开性较好，水位与流量关系曲线较平滑，避免了因水位突变导致闸门失稳发生“拍打”。

在运转中会有些摆动现象，但闸门运行稳定。

（2）后支点位置采用高点，开门门顶水深增加。

当后支点座标提高10cm，门顶开门水深约增加3～5cm，闸门在开关过程中，最大的堰上水深增加约20cm。

（3）后支点高度不变，后支点向下游移，即连杆加长，闸门在运转中出现摆动的幅度较小，运行较稳定。

（4）在闸门运转中，当下游水位对闸门有顶托时，闸门摆动的幅度较大，闸门容易出现不稳定的现象。

（5）从图2可见，当闸门小开度时，水位与闸门开度的理论计算曲线与试验曲线值较为接近，差值在0.015～0.12m。

各方案稍有差异。

从本院所测试连杆滚轮式翻板闸门运行与闸门动力压力关系的资料分析，主要是由于闸门底缘的动水压力的变化引起。

（6）当闸门开度较大时，试验值水位与计算值差别较大，最大差距出现在闸门达最大开度时，是由于闸门开度加大，门背气腔形成，产生负压作用于门背，另一方面是受到水流直接冲击闸门底缘的影响。

但两曲线趋势是一致的。

2.4 翻板闸门运行稳定性理论分析
在进行翻板闸门后支点研究的同时，本院与天津大学对连杆滚轮式翻板闸门的振动和水流压
力脉动进行测试分析，在此基础上开展了翻板闸门运行稳定性的理论分析。

水力自控翻板闸门的运动是绕瞬心的往复运动，在运动过程中当作用在闸门上的动力大于阻尼力时，闸门不能达到平衡状态，闸门在运转中将产生“拍打”。

翻板闸门可视为单自由度振动体系，其振动方程可写为：
()()()()()ϕϕϕ
ϕϕϕi ti n
i L t P L G t J ⋅+⋅−=Φ
∑
=,,,1
&&&&&
其中J （ϕ）为绕瞬心点的转动惯量，),,,(t p ti ϕϕϕ&&&表示闸门运动过程中水流对闸门的作用力，是水流和闸门运动耦合的结果。

作用力包括时均部分力i P （水位和闸门开度ϕ的函数）和脉动部分力i p ~（为水位和ϕϕϕ&&&,,的函数）。

把作用于闸门上的重力力矩，门叶的迎水面、底部、顶部、背水面的水压力矩，连杆作用力矩，滚轮支承力矩，摩擦力矩， 上下游闸门板上的动水压力
矩代入上述闸门的运动方程，得出关于入的特征方程[4]
：
()[]()[]013
12
3
2
11
2=+−+−−−P P P P P M K M M M M J ϕλϕλ
求解该特性方程可得闸门系的稳定性特征。

当翻板闸门形成“拍打”特征值入实部即衰减率为正，并且闸门运行各角度总力矩的平均值为正，此条件可作为闸门稳定性的判定准则。

对3（m ）×6（m ）翻板闸门进行验算，当闸下游水位较低时，力矩变化率为负，即闸门开度增大开门力矩减小，对闸门“拍打”有抑制作用；当闸下游水位升高，力矩的变化率逐渐由负转为正，即闸门开度增大开门力矩也增大，不稳定性因素扩大，闸门的稳定运行受到影响。

对上游水压力力矩随开度的变化率计算，其值为负，说明上游水压力对闸门“拍打”有抑制作用，因此可以认为下游水压力的作用是形成“拍打”的主要因素。

这一结论在模型试验中也加以验证。

2.5 试验成果
（1）各后支点方案试验表明：闸门最大开度不相同，在65°～74°之间。

闸门运行无“拍打”失稳现象，闸门运行是稳定的。

（2）闸门后支点提高，开门与关门的水位与开门角度关系曲线间距增大，即闸门运行阻尼增大。

（3）闸门开门的曲线与关门曲线的差距，初步认为是水力自控翻板闸门结构体系的阻尼值。

阻尼越大，闸门抗“拍打”的能力越强。

（4）为保证闸门有较大的开度，闸门在运转过程中有平稳的阻尼值，闸门渐开性好，具有较好的抗“拍打”性能，试验表明方案1为较优方案。

（5）当闸下游水位对闸门有顶托时，为保证工程的安全，最好进行水工模型试验。

3 实际工程应用
3.1 广东省紫金县洋头下寨子水电站，电站装机容量800kw 。

浆砌石溢流坝，坝面为曲线实用堰型，采用面流消能。

在坝上设8扇3m ×6m （高×宽）连杆底滚轮式水力自控翻板闸门。

设计流量2065m/s ，上游水位178.95m ，下游水位175.35m ；校核流量2928.5m/s ，上下游水位分别是180.76m 、176.90m 。

闸门的后支点位置，按推荐方案1的位置设计，闸门于1996年建成投入运用。

根据多年现场观察，闸门开关自如，最大开度74°，保持正常蓄水位，闸门无“拍打”失稳的现象发生，运行良好。

3.2 广东和平县铁潭水陂位于明镇东南。

具有灌溉、发电、排洪和美化城镇环境的作用。

水坡断面为曲线实用堰，坝高3m ，堰顶高程98.0m 。

在其上安装10扇3m ×6m 连杆滚轮式水力自控翻板
闸门。

闸下采用底流消能。

设计流量920m3/s，上游水位102.80m，下游水位99.56m，上下游水位差值较小。

闸门支承后支的设计采用上述的方案1。

闸门于1998年3月建成，在闸门运转过程中，支点设计合理，闸门运行稳定，发挥工程的综合效益。

4 结语
试验研究与实际工程应用表明，3m×6m连杆滚轮式水力自控翻板闸门，其后支点的设计采用试验推荐的方案1，闸门开度较大、渐开性好、运转稳定。

本试验成果可供相同门型及尺寸的闸门设计参考。

参考文献
[1] 李一平，连杆滚轮式水力自控翻板闸几个水力学问题的试验研究广东省水利水电科学研究
院，1991.3。

[2] 叶镇国，梁其泰，水力自控翻板闸门防拍打理论及水力计算理论研究湖南大学土木系，广州
市白云区水电局，1993.5。

[3] 陈继建，连杆滚轮式水力自控翻板闸门的振动和水流压力脉动测试分析报告天津大学水资源
与港湾工程学，1992
[4] 陈继建，李一平，水力自控翻板门拍振机理的研究水利学报，1997，11。