CN102912770B - 一种防沙翻板闸门 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种防沙翻板闸门，包括门板，所述门板的上部为平面板，所述门板的下部为圆弧形板。本发明的防沙翻板闸门提高了翻板闸门自身的防沙能力，减小泥沙对闸门设计要求、寿命的影响。

Description

一种防沙翻板闸门

技术领域

本发明涉及一种水工闸门，具体涉及一种防沙翻板闸门。

背景技术

翻板闸门是一种借助水力和重力作用，在一定的水位条件下，随流量的变化，自动启闭的自动化闸门，其特点是不需要外部能源、结构简单、运行可靠。

现在很多正在使用的翻板闸门，由于在设计时很少考虑到来流含沙量增加的情况，使得闸前淤沙堆积到一定高度后，抬高了翻板闸门的开启水位，甚至使翻板闸门不能开启而失去设计功能，这还会给翻板闸门及其下游的安全带来隐患。

对于闸门的设计，常用的方法有：物理模型法、数学模型法和设计公式法。物理模型法费时、费力、消耗高，不能作为常规设计方法；数学模型法的准确性很大程度依赖于数学模型理论的发展，而且多只用于科学研究方面；设计公式法是在大量实践基础上总结出来的专业公式方法，它针对性强、操作简单、精度高，所以在实际生产设计中最为常用。

目前解决翻板闸门防沙的问题，主要还是采取修建拦沙坎等辅助措施。所以要从根本上解决翻板闸门防沙的问题，就需要一种新的防沙翻板闸门。

发明内容

发明目的：本发明针对现有技术的翻板闸门在防沙方面的缺陷，提供一种防沙翻板闸门。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的防沙翻板闸门采用如下技术方案：

一种防沙翻板闸门，包括门板，所述门板的上部为平面板，所述门板的下部为圆弧形板。

有益效果：本发明的防沙翻板闸门提高了翻板闸门自身的防沙能力，减小泥沙对闸门设计功能、寿命的影响。

更进一步的，所述防沙翻板闸门还包括底板、边墙、臂杆、支墩和支铰，所述门板的底部设置有所述底板，所述底板上设置有止水坎，所述止水坎与所述门板的底部相配合，所述边墙设置在所述门板的两侧，所述支铰设置在所述边墙上，所述臂杆连接所述支铰和所述门板，所述支墩设置在所述边墙上。其中，支墩控制门板最大开启角度。

更进一步的，所述门板的平面板的高度和圆弧形板的外沿半径通过下列方法计算得到：

一、初始化参数，所述门板的高为H，开启水位为Δh，所述门板的平面板的高为h，所述门板的圆弧形板的外沿半径为r，所述门板的宽度为b，所述门板的厚度为d，所述门板的材料密度为ρ_闸；

二、根据流体静力学原理，利用步骤一的参数计算得到：所述门板的平面板受水流推力产生的顺时针力矩Ms₁、所述门板的圆弧形板受浮力产生的顺时针力矩Ms₂、所述门板的圆弧形板受水流推力产生的逆时针力矩Mn₁和所述门板受重力产生的逆时针力矩Mn₂；

三、根据力矩平衡原理得到：Ms₁+Ms₂＝Mn₁+Mn₂，求解此式即可得出所述门板的平面板的高度h和圆弧形板的外沿半径r。

附图说明

图1是传统翻板闸门运行方式示意图；

图2是本发明的防沙翻板闸门运行方式示意图；

图3是本发明中确定门板最大开启角度情况一的示意图；

图4是本发明中确定门板最大开启角度情况二的示意图；

图5是本发明中确定门板尺寸所建立的坐标系示意图；

图6是本发明推导门板的平面板受水流推力产生力矩的示意图；

图7是本发明推导门板的圆弧形板受水压力产生压力体的重心的示意图；

图8是本发明推导门板的圆弧形板受水流浮力和推力产生力矩的示意图；

图9是本发明推导门板受重力产生力矩的示意图；

图10是本发明防沙翻板闸门的结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

请参阅图10所示，本发明的防沙翻板闸门，包括门板3，门板3的上部为平面板，门板3的下部为圆弧形板。其中，还包括底板1、边墙2、臂杆4、支墩5和支铰6。其中，门板3的底部设置有底板1，底板1上设置有止水坎7，止水坎7与门板3的底部相配合。边墙2设置在门板3的两侧，支铰6设置在边墙2上。臂杆4连接支铰6和门板3。支墩5设置在边墙2上，支墩5控制门板3的最大开启角度。

请参阅图1和图2所示，传统的翻板闸门(图1)在开启时，底部产生向左的推力，当闸前淤沙堆积到一定高度后，就会产生向右的推力抵挡闸门的开启，给闸门及其下游的安全带来隐患。为了使翻板闸门从结构上就具有防沙的能力，将翻板闸门的底部设计为四分之一的圆弧，翻板闸门的转轴位于圆弧圆心处(图2)，这样使得翻板闸门在开启时，底部只在圆周上运动，并不产生向左游的推力，这样可以消除闸前淤沙对闸门开启的抵挡作用，从而提高翻板闸门自身的防沙能力。

本发明所描述防沙翻板闸门结构主要包括：上部为面板式、下部为圆弧型的门板3，位于门板3后、边墙2上的支铰6，连接门板3与支铰6的臂杆4，位于边墙2上控制门板3最大开启角度的支墩5和底板1上的止水坎7。

在本发明所述闸门设计中，关键一步是确定翻板闸门门板3的平面板与圆弧形板的尺寸。一般的闸门设计只涉及到直板型闸门或弧型闸门其中的一种，使用设计公式法就可以得到理想的结果。由于本发明提供的闸门结构同时涉及到直板型和弧型两种闸门结构，没有专门的设计公式，所以只能从原理上推导出本发明的设计公式，但是因涉及参数过多，导致推导出来的公式过于复杂，公式无法得到解，所以又对现有的推导过程进行修改，使新型闸门的设计方便快速，能满足实际生产需要。

请参阅图5所示，门板3绕转轴转动，则以转轴为坐标系原点，水平向左为X轴方向，垂直向下为Y轴方向建立坐标系。为了保证闸门开启后能够回关，闸门的重心要始终处于转轴上游一侧；同时为了减少闸门开启时对水流的阻挡，门板3直段最多能置于水平位置。请参阅图3和图4所示，当闸门重心(x,y)位于X下方时(y＞0)，门板最大开启角度为90°(图3)；当闸门重心(x,y)位于X上方时(y＜0)，门板最大开启角度为重心与Y轴小于90°的夹角(图4)。

本发明提高了翻板闸门自身的防沙能力，减小泥沙对闸门设计功能、寿命的影响；针对复合型结构闸门，提供出闸门设计方法，提高了闸门设计的效率。

门板3的平面板的高度h和圆弧形板的外沿半径r通过下列方法计算得到：

1、请参阅图4所示，初始化参数，门板3的高为H，开启水位为Δh，门板3的平面板的高为h，门板3的圆弧形板的外沿半径为r，门板3的宽度为b，门板3的厚度为d，门板3的材料密度为ρ_闸；门板3绕转轴转动，则以转轴为坐标系原点，水平向左为X轴方向，垂直向下为Y轴方向建立坐标系。

2、根据流体静力学原理，利用步骤1的参数计算得到：门板3的平面板受水流推力产生的顺时针力矩Ms₁、门板3的圆弧形板受浮力产生的顺时针力矩Ms₂、门板3的圆弧形板受水流推力产生的逆时针力矩Mn₁和门板3受重力产生的逆时针力矩Mn₂；其中，具体步骤如下：

一、请参阅图6所示，门板3的平面板受水流推力产生的顺时针力矩为Ms₁：

平面板所受静水压力，

静水压力作用点到坐标原点的距离(力臂)：

$L1=\sqrt{{\left(\frac{h}{3}\right)}^2+r^2}$

力臂与水平坐标轴(X轴)的夹角：

$\mathrm{\α}1=\arctan \left(\frac{-h/3}{r}\right)$

F1在垂直于力臂方向上的投影：F1v＝F1·sinα1

门板3的平面板受水流推力产生的顺时针力矩：Ms1＝F1v·L1

其中，ρ_水是水的密度；g是重力加速度；h_形心是门板3的平面板形心到水面的高度；A是门板3的平面板面积。

二、请参阅图7所示，门板3的圆弧形板受水压力产生的水压力体重心坐标为(xe1,ye1)：水压力体可由X轴分为上、下两部分，分别求出其重心坐标，再计算总的水压力体重心坐标。

水压力体上部分重心坐标(x1，y1)和所受重力G1：

x1＝r/2

y1＝-(h+Δh)/2

V1＝(h+Δh)rb

G1＝m1·g＝V1·ρ_水g

水压力体下部分重心坐标(x2，y2)和所受重力G2：

$x2=\frac{4}{3}\·\frac{r}{\mathrm{\π}}$

y2＝x2

$V2=\frac{1}{4}\mathrm{\π}{r}^{2}b$

G2＝m2·g＝V2·ρ_水g

门板3的圆弧形板受水压力产生的水压力体重心(xe1,ye1)坐标，

$\mathrm{xe}1=\frac{G1\·x1+G2\·x2}{G1+G2}$

$\mathrm{ye}1=\frac{G1\·y1+G2\·y2}{G1+G2}$

其中，V1是水压力体上部分体积；V2是水压力体下部分体积。

三、请参阅图8所示，门板3的圆弧形板受浮力产生的顺时针力矩为Ms₂和门板3的圆弧形板受水流推力产生的逆时针力矩为Mn₁：

压力体作用点(xe1,ye1)与圆弧形板水平方向作用点(r/3处)延长线交于m点，过m点作与水平成αq角的直线，与曲面的交点n为作用点，其中，αq为所述门板(3)的圆弧形板所受水压力与水平面夹角，α2为F2x同圆心O与曲面的交点n连线的夹角。在实际推导过程中，因涉及参数过多，导致推导出来的公式过于复杂，公式无法得到解，所以需要对现有的推导过程进行修改。因为α2与实际受力角度αq相差很小，我们可以近似认为α2＝αq，这样不带可以使方程求解难度大大降低，而且可以得到较为理想的结果。

门板3的圆弧形板受水压力F2在坐标轴上的分量，

F2y＝G1+G2

代替αq的α2，

$\mathrm{\α}2=\arctan \left(\frac{F2y}{F2x}\right)$

F2y，F2x在垂直于力臂方向上的投影，

F2yv＝F2y·cosα2

F2xv＝F2x·sinα2

门板3的圆弧形板受浮力产生的顺时针力矩Ms₂：Ms2＝F2yv·r

门板3的圆弧形板受水流推力产生的逆时针力矩Mn₁：Mn1＝F2xv·r

四、请参阅图9所示，门板3受重力产生的逆时针力矩Mn₂：

门板3还是以X为界，分为平面板和圆弧形板计算，然后再计算门板3的重心(xe2,ye2)位置。

平面板重心(x3,y3)和所受重力G3，

$x3=r-\frac{d}{2}$

$y3=-\frac{h}{2}$

V3＝hdb

G3＝V3·ρ_闸g

圆弧形板重心(x4,y4)和所受重力G4，

$S=\underset{0}{\overset{\mathrm{\π}/2}{\∫}}\sin \mathrm{\θd\θ}\·\underset{r-d}{\overset{r}{\∫}}{r}^2\mathrm{dr}$

$A=\frac{1}{4}\mathrm{\π}[r^2-{(r-d)}^2]$

$x4=\frac{S}{A}$

y4＝x4

V4＝Ab

G4＝V4·ρ_闸g

门板3重心(xe2,ye2)的位置，和所受重力G5，

$\mathrm{xe}2=\frac{G3\·x3+G4\·x4}{G3+G4}$

$\mathrm{ye}2=\frac{G3\·y3+G4\·y4}{G3+G4}$

G5＝G3+G4

门板3所受重力的力臂及与X轴夹角α3，

$L2=\sqrt{{\left(\mathrm{xe}2\right)}^2+{\left(\mathrm{ye}2\right)}^2}$

$\mathrm{\α}3=\arctan \left(\frac{\mathrm{ye}2}{\mathrm{xe}2}\right)$

门板3所受重力在与力臂垂直方向上的投影G5v和门板3受重力产生的逆时针力矩Mn₂，

G5v＝G5·cosα3

Mn2＝G5v·L2

其中，ρ_闸是门板密度；V3是平面板体积；S是圆弧形板界面面积矩；A是圆弧形板界面面积；V4是圆弧形板弧段体积。

3、根据力矩平衡原理得到：Ms₁+Ms₂＝Mn₁+Mn₂，求解此式即可得出门板3的平面板的高度h和圆弧形板的外沿半径r。

实施例1

某工程设计，门板高为H＝4m、门板宽度为b＝6m、开启水位为Δh＝0.2m。

首先，取0.01m厚的钢板制作门板(门板材料密度为ρ_闸＝7850m³/s)，实际设计的门板(空心)厚度为0.15m，在计算时需要转化为实心厚度，计算方法一般是钢板厚度乘以转换系数(0.2～0.3)，选取转换系数0.25计算出门板厚度为d＝0.025m，另外，水体密度ρ_水＝1000m³/s、重力加速度g＝9.81m/s²。

通过计算机程序可以求解出r＝0.64028π，所以门板直段高为h＝2m、闸门圆弧段外沿半径为r＝2m。

其次，依照《水利水电工程钢闸门设计规范(SL63-94)》和《水工钢闸门设计》(安徽省水利局勘测设计院，水利出版社，1970年)对闸门进行设计。

Claims (4)

1.一种防沙翻板闸门，包括门板(3)，其特征在于，所述门板(3)的上部为平面板，所述门板(3)的下部为圆弧形板，还包括底板(1)、边墙(2)、臂杆(4)、支墩(5)和支铰(6)，所述门板(3)的底部设置有所述底板(1)，所述底板(1)上设置有止水坎(7)，所述止水坎(7)与所述门板(3)的底部相配合，所述边墙(2)设置在所述门板(3)的两侧，所述支铰(6)设置在所述边墙(2)上，所述臂杆(4)连接所述支铰(6)和所述门板(3)，所述支墩(5)设置在所述边墙(2)上，支墩(5)控制门板(3)的最大开启角度，其中，所述平面板为竖直平面板，所述圆弧形板为四分之一的圆弧，防沙翻板闸门的转轴位于所述圆弧形板的圆心处，所述门板(3)的平面板的高度和圆弧形板的外沿半径通过下列方法计算得到： 

一、初始化参数，所述门板(3)的高为H，开启水位为Δh，所述门板(3)的平面板的高为h，所述门板(3)的圆弧形板的外沿半径为r，所述门板(3)的宽度为b，所述门板(3)的厚度为d，所述门板(3)的材料密度为ρ_闸； 

二、根据流体静力学原理，利用步骤一的参数计算得到：所述门板(3)的平面板受水流推力产生的顺时针力矩Ms₁、所述门板(3)的圆弧形板受浮力产生的顺时针力矩Ms₂、所述门板(3)的圆弧形板受水流推力产生的逆时针力矩Mn₁和所述门板(3)受重力产生的逆时针力矩Mn₂； 

三、根据力矩平衡原理得到：Ms₁+Ms₂＝Mn₁+Mn₂，求解此式即可得出所述门板(3)的平面板的高度h和圆弧形板的外沿半径r。 

2.如权利要求1所述的防沙翻板闸门，其特征在于，所述门板(3)的平面板受水流推力产生的顺时针力矩Ms₁通过下式计算得到：所述门板(3)绕转轴转动，则以转轴为坐标系原点，水平向左为X轴方向，垂直向下为Y轴方向建立坐标系： 

平面板所受静水压力， 

静水压力作用点到坐标原点的距离(力臂)为： 

力臂与水平坐标轴(X轴)的夹角为： 

F1在垂直于力臂方向上的投影为：F1v＝F1·sinα1， 

所述门板(3)的平面板受水流推力产生的顺时针力矩：Ms1＝F1v·L1， 

其中，ρ_水是水的密度；g是重力加速度；h_形心是所述门板(3)的平面板形心到水面的高度；A是所述门板(3)的平面板面积。 

3.如权利要求1所述的防沙翻板闸门，其特征在于，所述门板(3)的圆弧形板受浮力产生的顺时针力矩Ms₂和所述门板(3)的圆弧形板受水流推力产生的逆时针力矩Mn₁通过下式计算得到：所述门板(3)绕转轴转动，则以转轴为坐标系原点，水平向左为X轴方向，垂直向下为Y轴方向建立坐标系： 

所述门板(3)的圆弧形板受水压力产生的水压力体可由X轴分为上、下两部分，分别求出其重心坐标，再计算总的水压力体重心坐标(xe1,ye1)， 

水压力体上部分重心坐标(x1，y1)和所受重力G1为： 

x1＝r/2 

y1＝-(h+Δh)/2 

V1＝(h+Δh)rb 

G1＝m1·g＝V1·ρ_水g 

水压力体下部分重心坐标(x2，y2)和所受重力G2为： 

y2＝x2 

G2＝m2·g＝V2·ρ_水g 

所述门板(3)的圆弧形板受水压力产生的水压力体重心(xe1,ye1)坐标为 

其中，V1是水压力体上部分体积；V2是水压力体下部分体积； 

所述门板(3)的圆弧形板受水压力F2在X轴上的分量为F2x，F2在Y轴上的分量为F2y， 

F2y＝G1+G2 

其中，水压力体作用点(xe1,ye1)与圆弧形板水平方向作用点的延长线交于m点，过m点作与水平成αq角的直线，与曲面的交点n为作用点，其中，αq为所述门板(3)的圆弧形板所受水压力与水平面夹角，α2为F2x同圆心O与曲面的交点n连线的夹角； 

令α2代替αq，其中，α2通过下式得到： 

F2y，F2x在垂直于力臂方向上的投影为： 

F2yv＝F2y·cosα2 

F2xv＝F2x·sinα2 

所述门板(3)的圆弧形板受浮力产生的顺时针力矩Ms₂为：Ms2＝F2yv·r 

所述门板(3)的圆弧形板受水流推力产生的逆时针力矩Mn₁为：Mn1＝F2xv·r。

4.如权利要求1所述的防沙翻板闸门，其特征在于，所述门板(3)受重力产生的逆时针力矩Mn₂通过下式计算得到： 

所述门板(3)绕转轴转动，则以转轴为坐标系原点，水平向左为X轴方向，垂直向下为Y轴方向建立坐标系，所述门板(3)以X为界，分为平面板和圆弧形板计算，然后再计算所述门板(3)的重心(xe2,ye2)位置， 

平面板重心(x3,y3)和所受重力G3， 

V3＝hdb 

G3＝V3·ρ_闸g 

圆弧形板重心(x4,y4)和所受重力G4为： 

y4＝x4 

V4＝Ab 

G4＝V4·ρ_闸g 

所述门板(3)重心(xe2,ye2)的位置，和所受重力G5为： 

G5＝G3+G4 

所述门板(3)所受重力的力臂及与X轴夹角α3为： 

所述门板(3)所受重力在与力臂垂直方向上的投影G5v和所述门板(3)受重力产生的逆时针力矩Mn₂为： 

G5v＝G5·cosα3 

Mn2＝G5v·L2 

其中，ρ_闸是门板密度；V3是平面板体积；S是圆弧形板界面面积矩；A是圆弧形板界面面积；V4是圆弧形板弧段体积。