CN117291024A - 一种多工况底轴驱动翻板闸门消能防护范围设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多工况底轴驱动翻板闸门消能防护范围设计方法，具体涉及钢坝闸技术领域，具体包括以下步骤：给定来流水力参数及闸门结构参数；在设计前计算溢流水舌的抛射距离，水舌的抛射距离处应避免设置底板分缝；计算临界跃后水深以确定是否需要设置消力池；计算主消能区长度和防护范围长度，根据消能防冲水力计算得到主消能区与防护区范围。本发明根据消能防冲水力计算得到主消能区与防护区范围，方便工程设计人员快速评判钢坝闸的消能防护范围，适用于钢坝闸多种运行工况的消能防护范围设计。

Description

一种多工况底轴驱动翻板闸门消能防护范围设计方法

技术领域

本发明涉及钢坝闸技术领域，具体涉及一种多工况底轴驱动翻板闸门消能防护范围设计方法。

背景技术

底轴驱动翻板闸门(简称“钢坝闸”)，主要由门叶、底轴、拐臂、液压启闭机和闸门锁定装置等组成，闸门门叶固定在悬臂梁纵向主梁，纵梁的悬臂固定端与底轴刚性连接，水压力可通过门叶结构传递到底轴，底轴承受力和扭矩两种荷载，力通过底轴固定铰支座传递给基座，扭矩通过底轴传递给液压启闭结构或锁定装置。钢坝闸具有结构简单、启闭灵活、闸门开度可实现无级调配且无碍防汛和通航，可通过闸门顶部跌流形成瀑布景观等优点，在水闸设计中已得到广泛应用，前景十分广阔。

目前为止，在钢坝闸水力设计方面仍缺乏相关的标准，主要借鉴传统水闸设计规范和单级跌水经验公式，而钢坝闸过流以门顶或表层溢流为主，与传统闸门门底过流差异较大，底流消能防冲设计并不适用；而按单级跌水经验公式设计，因未考虑闸门开度、门顶溢流角度等因素的影响，将造成抛射距离计算偏差，直接影响消能防冲范围的判定。

从实际运行情况看，存在过闸流态及运行方式不够合理，产生异常抖振或水流衔接不畅等现象，现有设计方法未涉及钢坝闸消力池设置条件及任意开度下消能防护范围的判定，影响了国内钢坝闸的运行推广，迫切需要提出一种适用钢坝闸复杂运行工况的消能防护范围设计方法。

发明内容

为此，本发明提供一种多工况底轴驱动翻板闸门消能防护范围设计方法，以解决背景技术中提出的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种多工况底轴驱动翻板闸门消能防护范围设计方法，具体包括以下步骤：

步骤一，给定来流水力参数及闸门结构参数；

步骤二，在水力设计前，确定钢坝闸溢流水舌抛射最远距离l_d：

l_d＝(0.792h_d+0.807p)(h₀/H)^0.404

其中，h_d为下游水深，p为跌流高度，h₀为溢流水头，H为闸门竖直时，自转轴中心到门叶最高点间距离；

步骤三，确定钢坝闸临界水跃水深h_c”：

h_c”＝1.63(h₀/p)^0.879p

步骤四，确定钢坝闸主消能区长度l_m和防护区范围长度l_p：

l_m＝H sinθ+l_d+1.2H

l_p＝H sinθ+l_d+4.621h_d

其中，闸门开度是闸门中轴线与竖直线的角度θ。

优选的，在步骤二中，钢坝闸上游设置拦砂坎，确定转轴中心到底板的距离Δh；在一定开度θ时，闸门最高点到转轴中心的竖直距离Hcosθ；闸门最高点到闸底板距离为跌流高度p＝Hcosθ+Δh。

优选的，在步骤二中，通过下游水位h_d和临界水跃h_c”的相对大小作为设置消力池的判据。

优选的，若下游水位h_d大于等于临界跃后水位h_c”，则不需要设置消力池；若下游水位h_d小于临界跃后水位h_c”，则需要设置高度为(h_c”-h_d)的消力池。

优选的，闸门开度θ是0～90°。

本发明具有如下优点：

1、本发明通过给定来流水力参数及闸门结构参数确定确定钢坝闸溢流水舌抛射最远距离和钢坝闸临界水跃水深，进而得到钢坝闸主消能区长度和防护区范围长度，与现有技术相比，根据消能防冲水力计算得到主消能区与防护区范围，方便工程设计人员快速评判钢坝闸的消能防护范围。

2、本发明的多工况底轴驱动翻板闸门消能防护范围设计方法，设置钢坝闸消力池条件以及对任意闸门开度下消能防护范围进行判定，实现对国内钢坝闸的运行推广，适用于钢坝闸多种运行工况的消能防护范围设计。

附图说明

图1为钢坝闸挡水时溢流水舌水力参数特征示意图；

图2为钢坝闸抛射距离与溢流水头关系；

图3为钢坝闸抛射距离与跌流高度关系；

图4为钢坝闸临界跃后水深与溢流水头关系；

图5为钢坝闸主消能区长度拟合曲线；

图6为钢坝闸消能防护范围拟合曲线。

图7为钢坝闸计算流程图

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例提供了一种多工况底轴驱动翻板闸门消能防护范围设计方法，本方法简便、准确、实用，同时利用本方法可以为类似的顶部溢流结构消能防护范围计算提供参考依据。

为进一步说明本发明内容及功效，结合附图详细说明书如下：

请参阅图1～图7，图1所示，闸门结构参数主要有闸门门高H、闸门开度θ、转轴半径Δh及跌流高度p；来流水力参数主要有溢流水头h₀，溢流水头抛射距离l_d，水跃长度l_j，下游水深h_d等。

如图2～图3所示，水舌抛射距离l_d与跌流高度p和溢流水头h₀有关，通过拟合分析可得，在不同下游水深下，水舌抛射距离相对值l_d/H与溢流水头相对值h₀/H具有一定的函数关系，抛射距离与跌流高度规律不明显。溢流水头相对值的幂指数数值较为集中，取其平均值0.404作为溢流水头相对值的幂指数，乘积系数K与水深h_d具有一定线性关系。因此得到抛射距离表达式：

l_d/H＝K·(h₀/H)^0.404 (1)

关键在于得到幂指函数前的系数多项式K。根据抛射距离相对值l_d/H与下游水深相对值h_d/H和跌流高度相对值p/H有关，初步分析发现，该系数与下游水深相对值h_d/H呈正相关关系，进一步分析系数K与水深h_d关系得到k₁＝0.792，将系数K视为下游水深h_d和跌流高度p影响，现扣除水深影响系数k₁，得到跌流影响系数k₂＝0.807。因此得到拟合经验公式：

l_d＝(0.792h_d+0.807p)(h₀/H)^0.404 (2)

p＝H cosθ+Δh (3)

其中，p为跌流高度(m)；H为闸顶到转轴中心距离(m)；Δh为转轴与底板的竖直距离(m)。

建立跃后水深h_c”与溢流水头h₀之间关系并将其进行无量纲化，将模型试验临界跃后水深与跌流高度比值h_c”/p为纵轴，溢流水头与跌流高度比值h₀/p为横轴(见图4)，通过线性拟合得到：

h_c”＝1.63p(h₀/p)^0.879 (4)

式中：h_c”为跃后水深，h₀为溢流水头，p为跌流高度。

主消能区范围与闸门高度、开启角度、单宽流量、下游水深等因素有关，考虑到前文跌流抛射距离已经包含了多个影响因素，因此，换个角度，主消能区与跌流位置(抛射距离)应密切相关，为了简化，拟建立主消能区长度l_m与闸门高度H、开启角度θ及抛射距离l_d之间的关系：

(l_m-H sinθ-l_d)/H＝ξ (5)

式中，(l_m-H sinθ-l_d)为主消能区范围扣除闸门水平投影距离及抛射距离的长度。

闸门开度是0～90°，根据试验可知，开启角度45°时影响范围最大，因此，建议闸门开度θ按45°取值(不利工况)，根据不利工况45°开度，不同闸门高度H的4组工况主消能区范围，建立关系如图5所示，通过拟合得到系数ξ，略偏保守取值。

l_m＝H sinθ+l_d+1.2H (6)

式中，H sinθ为闸门水平投影，l_d为水舌抛射距离。

同样地，建立简化的防护范围l_p计算公式：

(l_p-H sinθ-l_d)/H＝ψ(h_d/H) (7)

式中，ψ为系数，仍考虑以相对不利工况45°开度作为基本条件，根据不同溢流水头h₀、下游水深h_d、45°开度试验工况流速调整范围，建立关系如图6所示。通过拟合得到系数ψ约为4.621。

l_p＝H sinθ+l_d+4.621h_d (8)

式中，h_d为下游水深，H sinθ为闸门水平投影，l_d为水舌抛射距离。

通过主消能区范围长度l_m确定钢坝闸闸下防护范围长度l_p，该区域水舌入水后经闸底板折冲后形成两股附壁射流，小股附壁射流向上游扩散并导致闸后水面波动振荡，大股附壁射流向下游发生水跃形成面流旋滚区，则将该区域设计为主消能区，通过防护区范围确定水流流动均匀处。

实施例2

基于实施例1，以闸门高度H＝5m，闸门运行角度为0～90°(单向挡水工况)，溢流水头h₀＝0.5m为例，在下游水位h_d未知时，假设下游水位h_d低于闸门跌流高度p，若下游水位h_d已知则取多年平均水位；

步骤一，在水力设计前，确定钢坝闸溢流水舌抛射最远距离l_d；

l_d＝(0.792h_d+0.807p)(h₀/H)^0.404

其中，h_d为下游水深，p为跌流高度，h₀为溢流水头，H为闸门竖直时，自转轴中心到门叶最高点间距离；

步骤二，确定钢坝闸临界水跃水深h_c”：

h_c”＝1.63(h₀/p)^0.879p

步骤三，确定钢坝闸主消能区l_m和防护区范围长度l_p：

l_m＝H sinθ+l_d+1.2H

l_p＝H sinθ+l_d+4.621h_d

其中闸门开度是闸门中轴线与竖直线的角度θ；

作为本申请优选的技术方案，在步骤一中，钢坝闸上游设置拦砂坎，确定转轴中心到底板的距离Δh；在一定开度θ时，闸门最高点到转轴中心的竖直距离H cosθ；闸门最高点到闸底板距离为跌流高度p＝H cosθ+Δh；

表1单孔门高5m钢坝闸消能防护范围参数

注：△h≤0时不需设计消力池，△h＞0需设计相应深度△h的消力池

通过下游水位h_d和临界水跃h_c”的相对大小作为设置消力池的判据：

若下游水位h_d大于等于临界跃后水位h_c”，则不需要设置消力池；若下游水位h_d小于临界跃后水位h_c”，则需要设置高度为(h_c”-h_d)的消力池。

根据本设计方法可知，在闸门高度5m，溢流水头0.5m单向挡水工况下，无需设置消力池，且主消能区范围在12m内，消能防护区随水深增大而增大，且控制在闸下22m范围内。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (4)

1.一种多工况底轴驱动翻板闸门消能防护范围设计方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤一，给定来流水力参数及闸门结构参数；

步骤二，在水力设计前，确定钢坝闸溢流水舌抛射最远距离l_d：

l_d＝(0.792h_d+0.807p)(h₀/H)^0.404

其中，h_d为下游水深，p为跌流高度，h₀为溢流水头，H为闸门竖直时，自转轴中心到门叶最高点间距离；

步骤三，确定钢坝闸临界水跃水深h_c”：

h_c”＝1.63(h₀/p)^0.879p

步骤四，确定钢坝闸主消能区长度l_m和防护区范围长度l_p：

l_m＝Hsinθ+l_d+1.2H

l_p＝Hsinθ+l_d+4.621h_d

其中，闸门开度是闸门中轴线与竖直线的角度θ。

2.根据权利要求1所述的一种多工况底轴驱动翻板闸门消能防护范围设计方法，其特征在于：在步骤二中，钢坝闸上游设置拦砂坎，确定转轴中心到底板的距离Δh；在一定开度θ时，闸门最高点到转轴中心的竖直距离Hcosθ；闸门最高点到闸底板距离为跌流高度p＝Hcosθ+Δh。

3.根据权利要求2所述的一种多工况底轴驱动翻板闸门消能防护范围设计方法，其特征在于：在步骤二中，通过下游水位h_d和临界水跃h_c”的相对大小作为设置消力池的判据。

4.根据权利要求3所述的一种多工况底轴驱动翻板闸门消能防护范围设计方法，其特征在于：若下游水位h_d大于等于临界跃后水位h_c”，则不需要设置消力池；若下游水位h_d小于临界跃后水位h_c”，则需要设置高度为(h_c”-h_d)的消力池。