气动浮体卧倒闸门及其最优结构尺度

摘要

本发明的一种气动浮体卧倒闸门及其最优结构尺度属设计与计算方法，涉及水利工程技术领域，通过研究浮体卧倒闸门尺度与上下游水位、水位差及门体倾角的关系，以及各因素对门体厚度影响的敏感性，从而提出确定浮体卧倒闸门门体的最优尺度的方法，研究结果认为影响浮体卧倒闸门门体厚度的主要因素为上下游水位差和门体与倾角，为相同条件下的闸门设计提供了设计依据和计算方法；可以在满足实际要求的基础上，提供可供借鉴的具体范例，可以加快水利工程的设计速度，可以提高水利工程的经济效益。

说明书

技术领域：

本发明的一种气动浮体卧倒闸门及其最优结构尺度，属水利工程技术领域，特别涉及内、外河口界的闸门的设计与计算方法。

背景技术：

目前，潮汐河流的闸门设计需求增多，而能够适应“灵活启闭、双向挡水”，并能自适应水位变化的闸门门型没有。本发明的闸门一般呈跨度很长的箱形门体，由铰安装在水下基础上，依靠计算机控制排、充气、水的机电系统通过门体门腔内水、气的变化，改变门体的浮力变化，实现闸门自身旋转浮、沉，从而实现闸门对内外河道水位高差的调控作用满足挡洪水、排洪涝的任务，鉴于这种闸门的尺寸，特别是横断面尺寸对工程的难度及工程造价影响较大，为保证闸门的使用安全性，同时满足合理性和经济性，需要在设计时科学合理地确定该门体结构的最优尺寸。

发明内容：

本发明的目的是提出一种气动浮体卧倒闸门及其最优结构尺度。

本发明的技术方案是：首先根据设计对象的实际需求确定设计方案；再根据设计方案，参照有关实例，确定设计公式和设计参数；计算出的数据再与具体实例和实际需求，进行验证和修正；最后再根据安全系数确定最优的门体结构尺寸。

确定研究对象的几个概念：

本实用新型的下卧式旋转浮体闸门在门腔内的高度方向用钢板约按2∶1∶2分成纵向三个腔舱，依靠门体的浮力变化完成闸门启、闭功能；闸门浮力大小又依赖于闸门门体封闭舱腔体积大小及内、外河水位差确定；闸门浮力变化依靠在闸门门体封闭舱腔里充、排气、水来实现。

闸门结构最优尺寸的主要关系是：在确定的内、外河水位差的条件下，门体平衡位置的倾斜角度越大，，门体的厚度越小；

闸门门体的厚度决定了闸门的结构重量；

闸门门体的重量决定了闸门结构设计、计算与建造的合理性、经济性；

研究的重点在于确定在不同内、外河水位差时的闸门门体的最佳的平衡角度位置；

闸门门体封闭舱腔沿高度方向用钢板分成纵向三舱；门体两端顶面上部焊接进、排气孔管，门体两端顶面下部开设进、出水孔管；配合计算机控制的压缩空气、水泵外置方案或水泵外置方案动力系统完成充、排气、水任务。

本发明提出了的闸门形式及其最优结构尺寸，为同类条件下的闸门设计和计算提供了借鉴和参考，提高了设计和建造经济性。

附图说明：

附图1：本发明的气动浮体卧倒闸门的使用结构安装示意图：

图中：闸门门体1、门铰2、水下基础的底板3、内河水位4、外河水位5。

附图2：本发明的气动浮体卧倒闸门的浮体卧倒闸门受力示意图：

附图3：本发明的气动浮体卧倒闸门的浮体卧倒闸门尺寸拟定计算示意图：

附图4：本发明的气动浮体卧倒闸门的不同水位差门体厚度与单位重计算结果示意图：

附图5：本发明的气动浮体卧倒闸门的不同水位差门体最佳倾角计算结果示意图：

附图6：本发明的气动浮体卧倒闸门的设计工况一条件下不同平衡角度时相应尺寸计算结果示意图：

具体实施方式：

某潮汐河流，河宽60～100m；内外河水位差4.00m～0m，且需双向挡水，拟利用水流和潮汐特性进行综合调水改善水质与水环境，因此在河口拟兴建一座水闸进行调水。水闸不仅可以挡外河潮水，而且可以挡内河水位，因此水闸受限制条件较多，既要满足“双向挡水、频繁启闭、灵活调度”的功能要求，又要满足不断流、不影响周边建筑物等施工要求，还要满足不影响周围景观的要求，考虑利用气体动力启闭的浮体卧倒闸门作为首选结构形式。门体及底部门槽在船坞或滩地预制并拼装，然后整体浮运至施工现场沉放就位。整个工程可以不受潮汐及防洪的影响，汛期也能施工，而且现场作业时间短。另外一个最突出的优点是这种门型可以适应内、外河水位差变化，当外河水位降低到一定水位时，门体会因浮力无法承当而自动向下坍塌，适应水位变化；当外河水位上涨时，门体会随水位变化而上浮，此时可通过控制门体内水位而控制门体倾角。此门型还有一个优势是不会引起内河洪水，内河水位高时，门体会自动下塌而过流。当关门挡水时，门顶可保持与水面基本齐平，开门时，门体沉入水中，对周边环境没有不利影响。

下卧式旋转浮体闸门由具有一定空腔的箱形门体通过铰座与设置在河床基础上的沉箱底板组成；门体可绕铰链上下转动，其挡水原理是箱形门库门体的浮力产生的向上的力矩与潮差及门体自重产生的向下力矩相平衡。水流、波浪、风力等动力扰动可由门体在一定范围内的摆动来抵抗。门体的上浮下卧通过对门腹内充气、排水或抽水进气，或排气充水来调节箱内水体水量来完成。平时门体内充满水，门体自重及箱体内剩余水体重产生的力矩大于浮力矩，门体沉入底板门库中，不影响通航与过水，也不影响周围景观。当需要关门挡内河水时，通过向门腹内注入压缩空气或水泵由腹内向外抽水、进气，使门体内的水在要求的时间内排出，浮力矩大于门体及箱体内剩余水体重力产生的力矩而浮起，门体逐渐浮出水面，平衡在某一角度，挡住内河高水位。

根据下卧式旋转浮体闸门的启闭原理，闸门的设计平衡位置可以在一定范围内选取。设计平衡位置的选取直接关系着浮体卧倒闸门的长度与厚度尺寸，平衡位置的倾斜角越大，所需的门厚越小，而门体的长度则越长，门体的不同长度和厚度组合决定了门体的结构重量的变化。因此，必需研究计算确定下卧式旋转浮体闸门的最佳结构尺寸。

为简化计算，假定门铰链两侧止水条件良好，没有水流动，即门体能有效隔断高低水位的水体，并假定门体腔内无水等，仅考虑水体的静力作用，对水流的动水压力、浪压力、风压力等忽略不计，即仅仅考虑门体两侧水的静压力。则作用在门体上的力有与水接触面的静压力，门体自重力，以及铰链的反力。

为便于计算，进一步简化计算模型。上述门体两侧水压力可以简化为浮力与潮差压力。

根据以上计算模型，假定门体的重量与其体积成正比，门体所受各力可以由下式分别确定：

$>\begin{array}{}>>W>=>C>·>D>·>>B>>cos>\alpha >>>>>>>l>1>>=>a>·>D>·>tg\alpha >+>>B>>2>cos>\alpha >>>>>>>M>S>>=>>>a>·>C>·>>D>2>>·>B>·>sin>\alpha >>>>cos>2>>\alpha >>>+>>>C>·>D>·>>B>2>>>>2>>cos>2>>\alpha >>>>>>>->->->>(>1>)>>>>>\end{array}$

$>\left(\begin{array}{}>>>P>1>>=>>1>2>>·>\gamma >·>t>·>>t>>cos>\alpha >>>>>>>l>2>>=>>(>>1>3>>t>+>h>)>>>1>>cos>\alpha >>>>>>>M>>P>1>>>=>>1>>2>>cos>2>>\alpha >>>>(>>1>3>>·>\gamma >·>>t>3>>+>\gamma >·>>>t>2>>·>h>)>>>>>>->->->>(>2>)>>>>\end{array}\right)$

$>\left(\begin{array}{}>>F>=>\gamma >·>t>·>>h>>cos>\alpha >>>>>>>l>3>>=>>h>>2>cos>\alpha >>>>>>>M>>P>2>>>=>>>\gamma >·>t>·>>h>2>>>>2>>cos>2>>\alpha >>>>>>>->->->>(>3>)>>>>\end{array}\right)$

$>\begin{array}{}>>F>=>>>\gamma >·>h>·>B>>>cos>\alpha >>>>>>>l>4>>=>>>h>·>tg\alpha >>2>>+>>B>>2>cos>\alpha >>>>>>>M>F>>=>>>\gamma >·>>h>2>>·>B>·>sin>\alpha >>>2>>cos>2>>\alpha >>>+>>>\gamma >·>h>·>>B>2>>>>2>>cos>2>>\alpha >>>>>>>->->->>(>4>)>>>>>\end{array}$

闸门挡水时，门体内假定无水，即Ww＝0，建立门体平衡方程：

M_P1+M_P2+M_S＝M_F                                            (5)

其中，C为结构重量系数；B为门体厚度；D为门体平衡时垂向高度；a为门体重心位置系数；α为平衡时门体的倾斜角度；t为门两侧水位差；h为低水位水深；γ为水的比重；W_w为门体内水重；M_P1、M_P2为潮差力矩；M_S为门体自重力矩；M_F为浮力力矩。

所以，影响门体厚度的因素可以表示为：

f(B)＝f(h，t，α，D，C，α)                                (6)

因在门体确定的情况下，C、a为常数；D又是t与h的函数，所以有

f(B)＝f(h，t，α)                                         (7)

在上游水位确定的情况下，h与t又互为函数，所以最终f(B)可以表示为

f(B)＝f(t，α)                                           (8)

即，在上游水位确定的情况下，门体的厚度主要取决于外河水位下降程度和门体的倾角。

水位差与倾角对门体厚度影响的敏感性分析如下：

在平衡角度与维持上游水位不变的情况下，门体的厚度与内、外河水位差的关系密切，即在内河水位一定下，门体的厚度与外河水位下降程度关系较大，参考国内外有关资料，根据船舶结构系数及平面钢闸门结构系数，拟定闸门的结构系数C选取为0.104；考虑闸门设备主要位于水面下方，所以，结构重心系数a选取为0.45。根据假定的系数，由上述平衡方程，计算不同水位差情况下相应门体厚度与单位重。

计算结果显示，门体厚度与单位重与门体挡水的水位差成正比。为减小门体厚度与单位重，减少基础深度与门槽厚度，减少门体用材，增加门体运行灵活性，在满足功能的条件下应尽可能选用较小的潮位差作为门体尺度选择的条件，而利用浮体卧倒闸门自身优势，适应水位变化。当外河水位较低，内外水位差超过选定值时，门体自动塌落，门顶溢流，再次寻找新的平衡。根据计算，选用1.5～2.0m左右的水位差比较适合，此时门体的厚度较适宜。按照拟定的水位及水位组合，设计工况最大水位差为1.71m在此范围内，是比较合适的。

在内河水位确定的条件下，不同的水位差对门体的最佳平衡位置也有关系。当内河水位为3.5m，外河水位变化时，不同的水位差对门体的最佳平衡位置计算结果如图5显示。由图可得，水位差越大，门体与水平面的倾角越小。所以，针对不同的水位差应选择不同的最佳倾角。

在内外河水位差确定的条件下，选定不同的平衡位置，对门体的尺度影响也比较大。根据假定的系数，由上述平衡方程，计算不同水位工况条件下及不同平衡角度时所需门体的尺度。

由表1可以看出，门体在各个工况均能满足运行要求时，所选用的较大的尺度。

      表1  不同工况下最佳平衡角时门体相应尺寸计算结果

  工况  倾角(°)  门厚(m)  门高(m)  单位重(t/m)  工况一  工况二  工况三  30  26  22  2.00  2.60  2.56  7.50  6.67  6.47  2.10  2.60  2.50

由表2可以看出不同水位工况条件下，门体所能承受的水位差和最佳平衡角时的相应尺寸。

         表2  确定门体尺寸下不同工况相应倾角计算结果

  设计工况  内河水位  外河水位  水位差  倾角  备注  工况一   工况二   工况三  工况四  工况五  4.00   3.50   3.00  2.50  1.50  2.21   2.21   1.29  0.85  0.24  1.79   1.29   1.71  1.65  1.21  α＞35   α＜35   49  50  42  可充水控制   α＞35

根据前面计算，结合图5的趋势显示，本工程确定在1.5～2.0m的潮差下，选择的倾角取值范围在35°～50°以内。

门体的尺度，特别是门体厚度的确定与诸多因素有关，经过试算。为保证门体在各个工况均能满足运行要求，门体应选用各方面均较大的尺度。由图5、6可以看出，门体结构重量在一定角度范围(22°～35°)内每延米的单位重量较小，且差异不大。另根据受力分析，铰链的受力随平衡角度的加大而减小，而且可调节的范围也随之加大。综合各方面的因素，在选取平衡角度35°，设计最高挡水位4.0m，门顶与水面齐平时，本发明的门体结构的最优尺寸确定：

门体厚度2.6m。门体高度为8.0m，门体每延米自重为3.10t。

在假定的系数情况下进行门体尺度拟定以后需进行结构布置与计算，确定门体实际单位重，然后再进行调整计算。初步布置以后，计算门体单重为2.9t/m，考虑门体设备重，门体实际重量与按假定计算的门体重量基本一致，所以无须再调整计算。

影响门体厚度的因素众多，其中上下游水位差及门体的倾角的选择对门体厚度的影响较大，所以在确定闸门运行水位时要与门体厚度、底板厚度进行综合性考虑。

闸门尺度还包括闸门的总宽度。闸门的总宽度与闸孔过流要求、航运功能要求，以及工程总体布置密切相关。所以，闸门的总宽按设计过流要求进行确定。闸孔内可以分成一扇、三扇或五扇闸门；虽然多扇闸门的门铰受力小，但各个门扇相互间同步以及止水不易实现；而一扇闸门的优点是整体性好，自控容易，所以在这样孔径的河道内最佳组合是一扇门的闸门。

由于门体起浮时受到附加重量及门库对门的吸附力等附加阻力，起浮时门体的浮力矩要超过自重力矩一倍以上。门体的浮力矩与自重力矩的比值在2～4之间时，可确保门体正常起浮，但又不能太大，否则门体上浮时通过铰链把上浮力传递给底板，对底板产生一个上浮力，影响底板稳定。门体下卧时，重力矩与浮力矩之比应不小于0.95。