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现代水利水电工程抗震防灾研究与进展 复杂水流条件下平面钢闸门启闭力数值计算方法探讨 张冬1 张燎军1 陈超2 郑宏伟1关超年” (1．河海大学水利水电学院，江苏南京210098 2．安徽六安恒源机械有限公司 安徽六安237000 3．中国水电顾问集团中南勘测设计研究院，湖南长沙410014) 摘要：闸门启闭力的估算对启闭机的选型起到决定性作用，是闸门正常开启、关闭、发 挥功能的前提。本文利用有限元软件ADINA，结合某水电站主底孔高水头平面钢闸门， 法，综合考虑了垂直动水压力随闸门开度变化的折减。研究探讨了平面钢闸门在不同开 度F，启门力和闭门力的变化规律。并将数值计算成果与物理模型试验资料对比分析， 证明了计算方法的可行性，为闸门启闭机的选型设计提供科学参考依据。 关键词：高水头；平面钢闸门；启闭力；动水压力；ADINA 0引言 平面钢闸门具有门叶结构简单、制造安装便捷、检修维护方便等优点，是最早被广泛应用的 一种闸门形式。闸门运行过程中依靠启闭机提供动力，而启闭机的选型主要依据闸门启闭力的大 小；因此，启闭力的研究是关系到闸门正常运行、水工建筑物安全的重点。高水头闸门启闭时门 前高速水流流态复杂，启闭时作用在门体上的动水压力、及水流脉动压力一直在不停变化。闸门 启闭力与闸门承受的水压、门体与导轨的水封接触、启闭的速度都有关系，实际过程中其变化规 律是相当复杂的。在现有的研究中，启闭力的计算往往来自物理模型试验。文献[1～2]ee通过物理 模型试验对平面钢闸门的启闭力特性进行了深入的研究；垂直动水压力(门顶下压力、上托力与 下吸力)迄今为止还没有精确的计算方法，文献【3~4】分别给出了各自的试验资料或经验公式。试 验过程中门顶的下压力、底缘的上托力或下吸力、止水和支承的摩阻力受到水流的流态、闸门开 度、水流的通气情况、底缘的布置形式、监测仪器的位置影响很大，具有一定的误差。 由于闸门开启和关闭过程中动水压力变化十分复杂，至今鲜有资料对平面钢闸门启闭过程进 行数值仿真模拟的成果。常规的物理模型试验需耗费大量的时间、人力、财力。因此，本文基于 某水电站主底孔工作闸门利用有限元软件ADINA，探讨了高水头闸门启闭力的计算方法。闸门 与闸墙采用水封接触，研究了平面钢闸门在不同开度下启门力和闭门力的变化规律，并与物理模 型试验资料15J比较验证，为闸门启闭机的选型设计提供科学参考依据。 1 闸门启闭力计算的理论方法 根据《水利水电工程钢闸门设计规范》(SL74-95)№1，平面钢闸门启闭力的计算包括闸门门 项下压力、底缘上托力、下吸力、止水和支承的摩阻力、闸门自重。闸门在开启过程中近似处于 匀速运动状态，上述各力在力系中应当满足受力平衡： 闭门力： 昂=件(乙+乏)一ncG+只 (1) 启门力：吃=唧(乙+疋)+只+喀G+q+睨 (2) 其中：唧为摩擦阻力安全系数，可采用1．2；％为计算闭门力用的闸门自重修正系数，可采用 0．9～1．o；本工程中取为0．9；喀为计算持住力和启门力用的闸门自重修正系数，可采用1．o～ 1．1，本工程中取为1．1；G为闸门自重，当有拉杆时应计入拉杆重量，计算闭门力时选用浮重； 彬为作用在闸门上的水柱压力；q为加重块的重量；C为上托力，包括底缘上托力及止水上托 作者简介：张冬(1989-)，男，硕士研究生，研究方向为水工结构抗震，E—mail：hhzhdg@126．COrn 现代水利水电工程抗震防灾研究与进展 力；只为下吸力；乙为支承摩阻力；Z。为止水摩阻力。 启闭力计算中对于闸门门顶下压力和底缘的上托力一直是国内外研究的重点和热点，问题比 较复杂。早在1964年，德国的奈塔沙就通过对高压平面闸门进行了系统的水力学试验研究H1，引 入门井相对水头h／风(h表示门井水头，风表示门前能头)，随着闸门开度的增大，门顶水压 力要进行折减，办／风随着／7(开度)的增大而减小，当o水o．5时，厅／风=o．9’1．o。奈塔沙 h／风’／／的关系曲线与国内外模型试验的实测资料规律基本吻合，已经被日本水力公式集采纳。 1978年沙嘎从理论计算方面进行了门顶水柱压力的研究，他提出在闸门部