陳 端，王忠亮，陳秀玲

（1．長江科學(xué)院水力學(xué)研究所，武漢 430010；2．中國科學(xué)院研究生院，北京 100085；3．中國水利投資集團(tuán)公司建設(shè)管理部，北京 100053；4．中國華水水電開發(fā)總公司項(xiàng)目管理部，北京 100054）

偏心鉸式弧形閘門啟閉力試驗(yàn)研究

陳 端1，2，王忠亮3，陳秀玲4

（1．長江科學(xué)院水力學(xué)研究所，武漢 430010；2．中國科學(xué)院研究生院，北京 100085；
3．中國水利投資集團(tuán)公司建設(shè)管理部，北京 100053；4．中國華水水電開發(fā)總公司項(xiàng)目管理部，北京 100054）

偏心鉸式弧形閘門在啟閉過程中其受力狀態(tài)與常規(guī)閘門有所不同，受力條件較為復(fù)雜，準(zhǔn)確計(jì)算閘門啟閉力難度較大。設(shè)計(jì)人員在確定該類閘門的啟閉機(jī)容量時(shí)尚無統(tǒng)一的規(guī)范可循。以水布埡放空洞工作閘門為研究實(shí)例，通過水工模型全程模擬了偏心鉸閘門啟閉的運(yùn)行狀況，利用脈動壓力和拉壓傳感器測量無摩擦情況下的閘門啟閉力，在此基礎(chǔ)上，分析計(jì)算了原型閘門運(yùn)行時(shí)所受止水摩擦力后的閘門啟閉力，重點(diǎn)研究了偏心鉸閘門運(yùn)行時(shí)啟閉力的變化特征，并將試驗(yàn)和計(jì)算成果繪制成啟閉力曲線，為設(shè)計(jì)人員選取啟閉機(jī)容量提供了依據(jù)。原型閘門在投入運(yùn)行后經(jīng)過了超高設(shè)計(jì)水頭的考驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求，閘門運(yùn)行正常。

偏心鉸式弧形閘門；啟閉力；模型試驗(yàn)

1 概 述

常規(guī)的弧形閘門在啟閉過程中閘門門葉始終圍繞固定的軸心轉(zhuǎn)動。而偏心鉸式弧形閘門啟閉門時(shí)，由偏心操作機(jī)構(gòu)帶動軸心后撤，然后進(jìn)行運(yùn)行操作，待啟閉門完畢后，軸心再前推壓緊止水，完成啟閉門過程。在啟閉過程中，閘門受力條件較為復(fù)雜，受力狀態(tài)和施力對象均有較大變化，常規(guī)的閘門受力計(jì)算公式難以準(zhǔn)確衡量偏心鉸閘門啟閉過程的受力狀態(tài)，為該類型閘門啟閉機(jī)容量的選擇帶來一定的難度。

本文以水布埡放空洞偏心鉸弧形閘門（設(shè)計(jì)水頭152．2 m）為研究對象，通過1／25大比例尺水工模型對閘門啟閉力進(jìn)行了較為深入的研究，對各種典型閘門操作工況進(jìn)行了模擬，測試了偏心鉸閘門啟閉力的變化特征。受現(xiàn)有研究手段的限制，模型中無法直接模擬和量測摩擦力，因此本研究的思路為首先通過模型量測在無摩擦（或摩擦力極?。┣闆r下的閘門啟閉力，然后再分析計(jì)算原型閘門運(yùn)行時(shí)所受止水摩擦力后的閘門啟閉力變化特征。

2 偏心鉸弧形閘門原型受力分析

以閘門開啟為例，在偏心鉸閘門開啟過程中，門體受重力、動水壓力、止水摩擦力、啟門力及支鉸反力共同作用。啟門過程的受力示意見圖1。

圖1 閘門開啟過程中受力情況簡圖Fig．1 Schematic draw ing of the forces acting on a gate during operation

由于閘門為勻速開啟，受力體系應(yīng)滿足力矩平衡和力的平衡。

（1）力矩平衡。由轉(zhuǎn)動過程中的力矩平衡條件，對閘門支鉸O有 M（O）i＝0，即

式中：Fq為啟門力（kN）；G為重力（kN）；rq，rG為啟門力和重力對支鉸O的力臂（m）；Mf，Mpf為閘門開啟時(shí)止水摩擦力和動水摩擦力對支鉸的轉(zhuǎn)動力矩（kN·m）；動水壓力Pw和支鉸反力N的方向通過了支鉸O，其力矩為0。

（2）力的平衡。由閘門受力簡圖，列徑向和切向的力平衡方程。

由上述受力分析可知，閘門啟門過程中，啟門力需要時(shí)刻大于克服重力、止水摩擦力（頂止水、側(cè)止水和支鉸的摩擦力）以及動水摩擦力才能成功開啟閘門，因此需要對啟門過程中上述各力的變化過程進(jìn)行研究。閘門重力可視為已知，而動水摩擦力和止水摩擦力則需分別進(jìn)行研究。

3 模型設(shè)計(jì)

根據(jù)對原型閘門運(yùn)行時(shí)的受力分析，模型試驗(yàn)需量測閘門啟閉過程中的動水摩擦力和止水摩擦力，而現(xiàn)階段無法通過相應(yīng)的水工測量儀器量測摩擦力，同時(shí)模擬也不具有相似性。因此，本次模型研究將動水摩擦力和止水摩擦力分2個(gè)階段進(jìn)行研究。第一階段是測量不含止水摩擦力項(xiàng)的閘門啟閉力成果，仍以啟門過程為例，如果模型中沒有止水摩擦力，則公式（1）變?yōu)椋?/p>

式中：F′q為不含摩擦力項(xiàng)的啟門力；其余同公式（1）。由于公式中重力可視為已知，而模型啟門力可通過拉壓傳感器測量，從而可間接地得到動水摩擦力的變化過程。第二階段是通過測量和分析各種止水處動水壓力的變化，然后分析計(jì)算啟門過程中閘門運(yùn)行時(shí)所受止水及轉(zhuǎn)鉸處的摩擦力（摩擦力＝壓力×摩擦系數(shù)）。再結(jié)合第一階段的研究成果，可分析實(shí)際原型閘門操作過程中的啟閉力變化特征。

3．1 減輕模型摩擦力

根據(jù)試驗(yàn)要求和現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備選用模型比尺Lr＝25，按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，為便于觀測流態(tài)，模型采用有機(jī)玻璃制作，模型工作閘門與原型閘門幾何相似，門體重量和重心預(yù)先求出。

根據(jù)上述模型設(shè)計(jì)步驟，加之模型試驗(yàn)中難以模擬原型止水摩阻力，故模型閘門與邊壁不接觸，間隙約2 mm（對應(yīng)偏心鉸的偏心行程）以消除閘門運(yùn)行時(shí)閘門與邊壁及頂框的摩擦，另外在支鉸處安裝滾輪軸承進(jìn)一步減輕支鉸處的摩擦以提高模型閘門啟閉力的量測精度。

在試驗(yàn)過程中，模型閘門與邊壁的間隙未見明顯的縫隙射流現(xiàn)象，且閘門啟閉力的主要組成部分閘門自重和閘門與止水間摩擦力，縫隙流態(tài)對閘門啟閉力的研究影響很小，不會降低啟閉力量測精度。

3．2 模型閘門啟閉系統(tǒng)

模型閘門的啟閉由一臺與原型閘門操作原理相同的擺缸式液壓啟閉機(jī)來完成，油缸的支承型式為中部支承，支承點(diǎn)的高程和樁號與原型一致，保證模型閘門啟閉力的大小和方向（即力矩的變化）與原型一致。同時(shí)在啟閉過程中利用背壓系統(tǒng)，確保了閘門勻速、穩(wěn)定的運(yùn)行，啟閉速度不受啟閉力及來流的影響。該模型啟閉系統(tǒng)是模型設(shè)計(jì)的重要部分，也是保證研究相似性的必要條件。

3．3 測點(diǎn)布置及測量方法

測點(diǎn)布置：在液壓啟閉系統(tǒng)油缸與閘門連接桿的中部串接一拉壓傳感器，測量模型閘門啟閉過程中的啟閉力。另外，在閘門頂止水位置處布置一脈動壓力傳感器，測量閘門啟閉過程中止水位置處的動水壓力。

測量方法：利用拉壓傳感器和脈動壓力傳感器采集啟閉力信號，經(jīng)華東電子儀器廠生產(chǎn)的YD－28型動態(tài)應(yīng)變儀放大后，進(jìn)入由北京東方振動和噪聲技術(shù)研究所研制生產(chǎn)的INV306G智能信號采集處理分析系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析。采樣頻率f0＝100 Hz，分析頻率fs＝50 Hz，采樣時(shí)間S＝模型關(guān)門時(shí)間＋模型開門時(shí)間。

4 試驗(yàn)條件及研究內(nèi)容

模型試驗(yàn)按上游庫水位作為控制條件，測量庫水位300 m，330 m，360 m時(shí)閘門運(yùn)行啟閉力（不計(jì)摩擦力）的變化特征，閘門啟閉速度按照設(shè)計(jì)提供的閘門開門及關(guān)門時(shí)間換算得到。

設(shè)計(jì)開門時(shí)間t開＝12．0 min，開門速度V開＝0．013 6 m／s；

設(shè)計(jì)關(guān)門時(shí)間t關(guān)＝17．5 min，關(guān)門速度V關(guān)＝0．009 32 m／s。

5 試驗(yàn)成果及分析

5．1 啟門力試驗(yàn)成果及分析

5．1．1 不含摩擦力的啟門力F′q試驗(yàn)成果

由于模型試驗(yàn)無法模擬原型摩擦力，模型試驗(yàn)量測結(jié)果為沒有摩擦力（或摩擦力極?。┣闆r下閘門的啟門力。該啟門力僅與門體自重和啟門過程中作用在閘門面板上動水壓力有關(guān)，即：F′qrq＝GrG＋Mpf，試驗(yàn)工況下的啟門力測試成果見圖2。（受篇幅限制，文中僅列出最高設(shè)計(jì)水位的試驗(yàn)成果，下同）。

測試結(jié)果表明，在各級庫水位下，試驗(yàn)所測啟門力隨著閘門開啟逐漸增大，這是由于模型試驗(yàn)啟門力幾乎不受摩擦力的影響，而重力力矩在啟門過程中不斷增大同時(shí)啟門力對轉(zhuǎn)動中心的力臂不斷減小所致。重力力矩啟門工況過程線示于圖3，啟門力力臂過程線示于圖4；在閘門開啟至閘門底緣脫離水體后，閘門啟門力僅與門體重力有關(guān)，即F′qrq＝GrG，故各級工況下啟門力的最大值幾乎相同，而剛啟門時(shí)的閘門啟門力的微小差別則是由于門體所受動水壓力不同所引起的，同時(shí)也反映了動水摩阻力Pf對弧形閘門的啟門力影響較小。

圖2 不含摩擦力項(xiàng)啟門力F′q過程線Fig．2 Duration curve of lifting force F′qw ithout friction

圖3 閘門重力力矩過程線（啟門工況）Fig．3 Duration curve of gravity moment（gate during opening）

圖4 閘門啟門力力臂過程線（啟門工況）Fig．4 Duration curve of lifting force arm（gate during opening）

5．1．2 計(jì)及原型摩擦力的啟門力計(jì)算成果

根據(jù)鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范［1］，弧形閘門啟門力按下式計(jì)算：

式中：Fq為計(jì)及摩擦力的啟門力（kN）；rq為啟門力對支鉸O的力臂（m）；nT為摩擦阻力安全系數(shù)；TZr1為止水摩阻力矩，其中TZ為止水摩阻力（kN）；r1為其對支鉸O的力臂（m）；Tjr2為支鉸摩阻力矩，其中Tj為支鉸摩阻力（kN）；r2為其對支鉸O的力臂（m）；nG為計(jì)算啟門力時(shí)閘門自重修正系數(shù)；GrG為重力力矩，其中G為閘門重力（kN）；rG為其對支鉸O的力臂（m）；Pfr3為動水摩阻力矩，其中Pf為閘門運(yùn)動過程中作用在閘門面板上的動水壓力切向分力（kN）；r3為其對支鉸O的力臂（m）。

該公式中動水摩阻力、止水摩阻力和支鉸摩阻力需通過計(jì)算得到。

（1）動水摩阻力矩Pfr3：動水摩阻力是反映閘門在啟閉過程中對水流對閘門運(yùn)動產(chǎn)生的阻力，動水摩阻力矩Pfr3可通過試驗(yàn)量測的閘門啟閉力計(jì)算得到，即

庫水位360 m試驗(yàn)工況下計(jì)算結(jié)果見圖5。試驗(yàn)結(jié)果表明，閘門剛開啟時(shí)的動水摩阻力矩最大，隨著門體的開啟，動水摩阻力矩逐漸減小。動水摩阻力矩為0的時(shí)間為664 s，與按設(shè)計(jì)啟門速度計(jì)算的閘門底緣脫離水體的時(shí)間吻合，其后由于閘門底緣脫離水流表面，動水摩阻力消失。

圖5 動水摩阻力力矩過程線圖（啟門工況）Fig．5 Duration curve of dynam ic water resistance moment（gate during opening）

（2）止水摩阻力矩TZr1：偏心鉸閘門在啟閉過程中由于閘門后撤，閘門埋件上的壓緊式水封對閘門的摩阻力為0，但為防止縫隙射流，布置在原型閘門門體上的常規(guī)側(cè)止水及門楣處的轉(zhuǎn)鉸止水仍然發(fā)揮作用，在閘門開啟過程中與閘門構(gòu)件摩擦，引起啟門力的增加。根據(jù)止水的形式及運(yùn)用情況，其摩阻力矩主要由常規(guī)側(cè)止水和門楣處的轉(zhuǎn)鉸止水2部分的摩阻力構(gòu)成，即

式中：Tzc為側(cè)止水摩阻力（kN），由兩部分構(gòu)成，一部分為止水橡皮預(yù)壓縮后形成的摩阻力Tzc1，一部分為止水處的動水壓力作用引起的摩阻力Tzc2，Tzc2＝f1Pzc；Tzd為頂部止水摩阻力（kN），Tzd＝f2Pzd，f1，f2為止水橡皮對鋼的摩擦系數(shù)，Pzd，Pzc為作用在頂、側(cè)止水的動水壓力（kN）。

側(cè)止水處動水壓力近似按靜水壓力計(jì)算。頂止水處動水壓力已繪成過程線，結(jié)果見圖6。庫水位360 m試驗(yàn)工況下止水摩阻力矩TZr1計(jì)算結(jié)果見圖7。

圖6 頂止水處動水壓力過程線圖（啟門工況）Fig．6 Duration curves of dynam ic water pressure at top seal（gate during opening）

圖8 支鉸反力過程線圖（啟門工況）Fig．8 Duration curve of anti force at hinge（gate during opening）

圖7 止水摩擦力矩及支鉸摩阻力矩過程線圖（啟門工況）Fig．7 Duration curves of seal and hinge resistance moment（gate during opening）

研究成果表明，閘門剛開啟時(shí)的頂止水處動水壓力最大，隨著門體的開啟，頂止水動水壓力逐漸減小，隨著門體開度約0．8后，動水壓力快速下降，至閘門全開后，壓力降至0。

側(cè)止水與頂止水摩阻力矩的變化規(guī)律基本一致，均隨著閘門開啟而逐漸減小，當(dāng)閘門開啟完成后，側(cè)止水與頂止水摩阻力消失，相應(yīng)摩阻力矩則變?yōu)?。

（3）支鉸摩阻力矩Tjr2：閘門在轉(zhuǎn)動過程中，支鉸處也有一定的摩阻力Tj，即

式中：f3為支鉸處摩擦系數(shù)，取f3＝0．08；N為支鉸反力（kN）；由公式（2）計(jì)算，結(jié)果見圖8。支鉸摩阻力矩Tjr2的計(jì)算結(jié)果見圖7。

研究成果表明，支鉸反力與支鉸摩阻力矩在啟門過程逐漸減小，其中支鉸反力主要閘門面板所受徑向的動水壓力相關(guān)，閘門啟門后，動水壓力不斷減少，因此支鉸反力相應(yīng)減小。

圖9 計(jì)算啟門力過程線圖（啟門工況）Fig．9 Duration curve of com puted lifting force（gate during opening）

將（1）、（2）、（3）各項(xiàng)結(jié)果代入公式（4）計(jì)算庫水位360 m時(shí)的實(shí)際啟門力，成果見圖9。由于受摩擦力的影響，計(jì)算啟門力與試驗(yàn)啟門力（無摩擦力）的規(guī)律有所不同，最大值出現(xiàn)在剛啟門時(shí)，（Fq）max＝5 200 kN（此時(shí)閘門所受的止水摩擦力最大）；隨著閘門開啟過程中止水摩擦力的減小，啟門力也逐漸減小，當(dāng)閘門底緣脫離水面時(shí)（t＝664 s），啟門力出現(xiàn)最小值（Fq）min＝3 823 kN；之后，隨著閘門進(jìn)一步提升，啟門力基本不受摩擦力影響，而啟門力力臂逐漸減小，故啟門力反而呈增大趨勢，到閘門開啟到位時(shí)，F(xiàn)q＝3 952 kN。

5．2 閉門力試驗(yàn)成果及分析

5．2．1 不含摩擦力的閉門力F′w試驗(yàn)成果

模型設(shè)計(jì)讓閘門關(guān)門過程中的摩擦力極小，可忽略其影響，閉門力F′w僅與門體自重和閉門過程中作用在閘門面板上動水摩阻力有關(guān)，即

由于動水摩阻力相對較小，閘門可利用自重關(guān)閉，故模型量測的閉門力為拉力，各級試驗(yàn)工況下的試驗(yàn)成果見圖10。

5．2．2 計(jì)及原型摩擦力的閉門力計(jì)算成果

根據(jù)鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范［1］，弧形閘門閉門力按下式計(jì)算：

式中：Fw為計(jì)及摩擦力的閉門力（kN）；n′G為計(jì)算閉門力時(shí)閘門自重修正系數(shù)，0．9～1．0；其他符號意義同公式（3）。

圖10 不含摩擦力項(xiàng)閉門力F′w過程線（閉門工況）Fig．10 Duration curve of closed force w ithout friction（gate during closing）

閉門力Fw的計(jì)算過程和方法與啟門力類似，不再贅述。庫水位360 m時(shí)閉門力的計(jì)算成果見圖11。由于閘門自重較大，閘門剛關(guān)閉時(shí)，閉門力小于0，為拉力。此時(shí)閉門力的主要作用是保持閘門關(guān)閉過程力和力矩的平衡，使閘門在勻速狀態(tài)下關(guān)閉；隨著閘門的下降，止水摩阻力矩和支鉸摩阻力矩增大，閉門力（拉力狀態(tài)）逐漸減小，當(dāng)閘門自重所產(chǎn)生力矩小于摩阻力矩時(shí)，閉門力表現(xiàn)為壓力，以幫助閘門自重實(shí)現(xiàn)勻速關(guān)閉。

圖11 計(jì)算閉門力過程線圖（閉門工況）Fig．11 Duration curve of com puted closed force（gate during closing）

6 閘門及啟閉機(jī)原型運(yùn)用情況

2005年5月，該弧形工作閘門在原型上安裝完畢，起吊鎖定度汛，汛后進(jìn)行初、精調(diào)試。完工后經(jīng)過無水調(diào)試，各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。2007年7月，事故檢修閘門在上游水位356 m（相應(yīng)水頭106 m）條件下進(jìn)行了閘門靜水啟閉試驗(yàn)，閘門在啟閉過程中運(yùn)行平穩(wěn)，無卡阻現(xiàn)象，充水閥在行程范圍內(nèi)升降自如。泄洪期間，弧形工作閘門共啟閉11次，均操作自如，弧形工作閘門最大操作水位359．83 m，相應(yīng)水頭109．83 m。2007年11月25日，弧形工作閘門最高擋水位392 m，相應(yīng)水頭142 m，水封無泄漏，閘門及啟閉機(jī)設(shè)備運(yùn)行正常。

7 結(jié) 論

偏心鉸式弧形閘門在啟閉過程中其受力狀態(tài)與常規(guī)閘門有所不同，受力條件較為復(fù)雜，常規(guī)的閘門受力計(jì)算公式難以準(zhǔn)確衡量偏心鉸閘門啟閉過程的受力，可通過水工模型對偏心鉸式弧形閘門啟閉力進(jìn)行研究。通過模型量測不含摩擦力項(xiàng)的閘門啟閉力，然后通過對閘門運(yùn)行時(shí)的受力分析，計(jì)算計(jì)及原型摩擦力后的閘門啟閉力變化特征，可為設(shè)計(jì)在考慮啟閉機(jī)容量時(shí)提供試驗(yàn)依據(jù)。

［1］ DL／T5013－95，水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．（DL／T5013－95，Design specification on the steel gate for hydro project standard collection of electric power［S］．（in Chinese））

［2］ 陳 端，張?jiān)迹紙核麡屑~放空洞工作閘門區(qū)1／25水工模型試驗(yàn)研究報(bào)告［R］．武漢：長江科學(xué)院，2002．（CHEN，Duan，ZHANG Yuan liang．Research re portof hydraulicmodel teston the operation gate region of shuibuya emptying tunnel（scale 1∶25）［R］．Wuhan：CRSRI，2002．（in Chinese））

［3］ 向光紅，汪魯明，黃國兵，等．水布埡高水頭放空洞關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)踐［R］．武漢：長江水利委員會長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，2008．（XIANG Guang hong，WANG Lu ming，HUANG Guo bin，et al．Research and practice on the key technique in the high water head emp tying tunnel of shuibuya project［R］．Wuhan：CJWCSPDI，2008．（in Chinese））

［4］ 陳 端，王才歡．水布埡水利樞紐放空洞工作閘門水力學(xué)及啟閉力水工模型試驗(yàn)研究報(bào)告［R］．武漢：長江科學(xué)院，2003．（CHEN Duan，WANG Cai huan．Re search report of hydraulicmodel teston the operation gate force of shuibuya emptying tunnel［R］．Wuhan：CRSRI，2003．（in Chinese））

（編輯：曾小漢）

Analysis on Characteristics and Laws of Seism ic Damage of W ater Conservancy and Hydropower Engineering w ithin W enchuan Earthquake

WU Shi ze，MAN Zuo wu，MEIYing tang
（Three Gorges Geotechnical Consultants Co．，LTD，Wuhan 430010，China）

In order to sum up the characteristics and laws of seismic damage of water conservancy and hydropower engineering within the great earthquake，i．e．the magnitude Ms 8．0 Wenchuan earthquake occurring on 12 may 2008，the authorsmade field surveys and collected the data on geological conditions of the dam foundation，seismic damage characteristics，anti infiltration types，engineering treatmentmeasures and so on，of large ，medium and small sized water conservancy and hydropower engineering in highly seismic region where the seismic intensity was greater than 8．After classification and statistics，the laws are as follows：The dam body composed of the rigidmate rialswasmore severely damaged than that built by the flexible one；the vertical deformation of dam body was pro portional to the filling height，while the dam heightwas 156 m，themaximum vertical deformation was 744．3 mm；the horizontal displacementwas no significant relationship with dam height；the destructive deformation of dam was decreased form up to down；the treated slopes produced less earthquake damagewhile the untreated slopes occurred some slides and slumps；the destruction of cavernswas not obvious and so on．These results accumulated invaluable experience for earthquake seismic design in the construction of southwest China’swater conservancy and hydropower projects．It provided a reference for the amendmentof“Specifications for Seismic Design of Hydraulic Structures”．

Wenchuan earthquake；highly seismic intensity region；water conservancy and hydropower engineer ing；characteristics of seismic damage；law；seismic design

TV66

A

1001－5485（2010）05－0044－05

2009 04 22

陳 端（1978 ），男，四川大竹人，工程師，博士研究生，主要從事水工水力學(xué)及生態(tài)水力學(xué)研究，（電話）027 82823059（電子信箱）chenduan＠m(xù)ail．crsri．cn。