專利名稱:氣動(dòng)浮體臥倒閘門(mén)及其最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺度的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明的一種氣動(dòng)浮體臥倒閘門(mén)及其最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺度,屬水利工程技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及內(nèi)、外河口界的閘門(mén)的設(shè)計(jì)與計(jì)算方法。
背景技術(shù):
目前,潮汐河流的閘門(mén)設(shè)計(jì)需求增多,而能夠適應(yīng)“靈活啟閉、雙向擋水”,并能自適應(yīng)水位變化的閘門(mén)門(mén)型沒(méi)有。本發(fā)明的閘門(mén)一般呈跨度很長(zhǎng)的箱形門(mén)體,由鉸安裝在水下基礎(chǔ)上,依靠計(jì)算機(jī)控制排、充氣、水的機(jī)電系統(tǒng)通過(guò)門(mén)體門(mén)腔內(nèi)水、氣的變化,改變門(mén)體的浮力變化,實(shí)現(xiàn)閘門(mén)自身旋轉(zhuǎn)浮、沉,從而實(shí)現(xiàn)閘門(mén)對(duì)內(nèi)外河道水位高差的調(diào)控作用滿足擋洪水、排洪澇的任務(wù),鑒于這種閘門(mén)的尺寸,特別是橫斷面尺寸對(duì)工程的難度及工程造價(jià)影響較大,為保證閘門(mén)的使用安全性,同時(shí)滿足合理性和經(jīng)濟(jì)性,需要在設(shè)計(jì)時(shí)科學(xué)合理地確定該門(mén)體結(jié)構(gòu)的最優(yōu)尺寸。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種氣動(dòng)浮體臥倒閘門(mén)及其最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺度。
本發(fā)明的技術(shù)方案是首先根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)象的實(shí)際需求確定設(shè)計(jì)方案;再根據(jù)設(shè)計(jì)方案,參照有關(guān)實(shí)例,確定設(shè)計(jì)公式和設(shè)計(jì)參數(shù);計(jì)算出的數(shù)據(jù)再與具體實(shí)例和實(shí)際需求,進(jìn)行驗(yàn)證和修正;最后再根據(jù)安全系數(shù)確定最優(yōu)的門(mén)體結(jié)構(gòu)尺寸。
確定研究對(duì)象的幾個(gè)概念本實(shí)用新型的下臥式旋轉(zhuǎn)浮體閘門(mén)在門(mén)腔內(nèi)的高度方向用鋼板約按2∶1∶2分成縱向三個(gè)腔艙,依靠門(mén)體的浮力變化完成閘門(mén)啟、閉功能;閘門(mén)浮力大小又依賴于閘門(mén)門(mén)體封閉艙腔體積大小及內(nèi)、外河水位差確定;閘門(mén)浮力變化依靠在閘門(mén)門(mén)體封閉艙腔里充、排氣、水來(lái)實(shí)現(xiàn)。
閘門(mén)結(jié)構(gòu)最優(yōu)尺寸的主要關(guān)系是在確定的內(nèi)、外河水位差的條件下,門(mén)體平衡位置的傾斜角度越大,,門(mén)體的厚度越小;閘門(mén)門(mén)體的厚度決定了閘門(mén)的結(jié)構(gòu)重量;閘門(mén)門(mén)體的重量決定了閘門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算與建造的合理性、經(jīng)濟(jì)性;研究的重點(diǎn)在于確定在不同內(nèi)、外河水位差時(shí)的閘門(mén)門(mén)體的最佳的平衡角度位置;閘門(mén)門(mén)體封閉艙腔沿高度方向用鋼板分成縱向三艙;門(mén)體兩端頂面上部焊接進(jìn)、排氣孔管,門(mén)體兩端頂面下部開(kāi)設(shè)進(jìn)、出水孔管;配合計(jì)算機(jī)控制的壓縮空氣、水泵外置方案或水泵外置方案動(dòng)力系統(tǒng)完成充、排氣、水任務(wù)。
本發(fā)明提出了的閘門(mén)形式及其最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸,為同類條件下的閘門(mén)設(shè)計(jì)和計(jì)算提供了借鑒和參考,提高了設(shè)計(jì)和建造經(jīng)濟(jì)性。
附圖1本發(fā)明的氣動(dòng)浮體臥倒閘門(mén)的使用結(jié)構(gòu)安裝示意圖圖中閘門(mén)門(mén)體1、門(mén)鉸2、水下基礎(chǔ)的底板3、內(nèi)河水位4、外河水位5。
附圖2本發(fā)明的氣動(dòng)浮體臥倒閘門(mén)的浮體臥倒閘門(mén)受力示意圖附圖3本發(fā)明的氣動(dòng)浮體臥倒閘門(mén)的浮體臥倒閘門(mén)尺寸擬定計(jì)算示意圖
附圖4本發(fā)明的氣動(dòng)浮體臥倒閘門(mén)的不同水位差門(mén)體厚度與單位重計(jì)算結(jié)果示意圖附圖5本發(fā)明的氣動(dòng)浮體臥倒閘門(mén)的不同水位差門(mén)體最佳傾角計(jì)算結(jié)果示意圖附圖6本發(fā)明的氣動(dòng)浮體臥倒閘門(mén)的設(shè)計(jì)工況一條件下不同平衡角度時(shí)相應(yīng)尺寸計(jì)算結(jié)果示意圖
具體實(shí)施例方式某潮汐河流,河寬60~100m;內(nèi)外河水位差4.00m~0m,且需雙向擋水,擬利用水流和潮汐特性進(jìn)行綜合調(diào)水改善水質(zhì)與水環(huán)境,因此在河口擬興建一座水閘進(jìn)行調(diào)水。水閘不僅可以擋外河潮水,而且可以擋內(nèi)河水位,因此水閘受限制條件較多,既要滿足“雙向擋水、頻繁啟閉、靈活調(diào)度”的功能要求,又要滿足不斷流、不影響周邊建筑物等施工要求,還要滿足不影響周圍景觀的要求,考慮利用氣體動(dòng)力啟閉的浮體臥倒閘門(mén)作為首選結(jié)構(gòu)形式。門(mén)體及底部門(mén)槽在船塢或?yàn)┑仡A(yù)制并拼裝,然后整體浮運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)沉放就位。整個(gè)工程可以不受潮汐及防洪的影響,汛期也能施工,而且現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)間短。另外一個(gè)最突出的優(yōu)點(diǎn)是這種門(mén)型可以適應(yīng)內(nèi)、外河水位差變化,當(dāng)外河水位降低到一定水位時(shí),門(mén)體會(huì)因浮力無(wú)法承當(dāng)而自動(dòng)向下坍塌,適應(yīng)水位變化;當(dāng)外河水位上漲時(shí),門(mén)體會(huì)隨水位變化而上浮,此時(shí)可通過(guò)控制門(mén)體內(nèi)水位而控制門(mén)體傾角。此門(mén)型還有一個(gè)優(yōu)勢(shì)是不會(huì)引起內(nèi)河洪水,內(nèi)河水位高時(shí),門(mén)體會(huì)自動(dòng)下塌而過(guò)流。當(dāng)關(guān)門(mén)擋水時(shí),門(mén)頂可保持與水面基本齊平,開(kāi)門(mén)時(shí),門(mén)體沉入水中,對(duì)周邊環(huán)境沒(méi)有不利影響。
下臥式旋轉(zhuǎn)浮體閘門(mén)由具有一定空腔的箱形門(mén)體通過(guò)鉸座與設(shè)置在河床基礎(chǔ)上的沉箱底板組成;門(mén)體可繞鉸鏈上下轉(zhuǎn)動(dòng),其擋水原理是箱形門(mén)庫(kù)門(mén)體的浮力產(chǎn)生的向上的力矩與潮差及門(mén)體自重產(chǎn)生的向下力矩相平衡。水流、波浪、風(fēng)力等動(dòng)力擾動(dòng)可由門(mén)體在一定范圍內(nèi)的擺動(dòng)來(lái)抵抗。門(mén)體的上浮下臥通過(guò)對(duì)門(mén)腹內(nèi)充氣、排水或抽水進(jìn)氣,或排氣充水來(lái)調(diào)節(jié)箱內(nèi)水體水量來(lái)完成。平時(shí)門(mén)體內(nèi)充滿水,門(mén)體自重及箱體內(nèi)剩余水體重產(chǎn)生的力矩大于浮力矩,門(mén)體沉入底板門(mén)庫(kù)中,不影響通航與過(guò)水,也不影響周圍景觀。當(dāng)需要關(guān)門(mén)擋內(nèi)河水時(shí),通過(guò)向門(mén)腹內(nèi)注入壓縮空氣或水泵由腹內(nèi)向外抽水、進(jìn)氣,使門(mén)體內(nèi)的水在要求的時(shí)間內(nèi)排出,浮力矩大于門(mén)體及箱體內(nèi)剩余水體重力產(chǎn)生的力矩而浮起,門(mén)體逐漸浮出水面,平衡在某一角度,擋住內(nèi)河高水位。
根據(jù)下臥式旋轉(zhuǎn)浮體閘門(mén)的啟閉原理,閘門(mén)的設(shè)計(jì)平衡位置可以在一定范圍內(nèi)選取。設(shè)計(jì)平衡位置的選取直接關(guān)系著浮體臥倒閘門(mén)的長(zhǎng)度與厚度尺寸,平衡位置的傾斜角越大,所需的門(mén)厚越小,而門(mén)體的長(zhǎng)度則越長(zhǎng),門(mén)體的不同長(zhǎng)度和厚度組合決定了門(mén)體的結(jié)構(gòu)重量的變化。因此,必需研究計(jì)算確定下臥式旋轉(zhuǎn)浮體閘門(mén)的最佳結(jié)構(gòu)尺寸。
為簡(jiǎn)化計(jì)算,假定門(mén)鉸鏈兩側(cè)止水條件良好,沒(méi)有水流動(dòng),即門(mén)體能有效隔斷高低水位的水體,并假定門(mén)體腔內(nèi)無(wú)水等,僅考慮水體的靜力作用,對(duì)水流的動(dòng)水壓力、浪壓力、風(fēng)壓力等忽略不計(jì),即僅僅考慮門(mén)體兩側(cè)水的靜壓力。則作用在門(mén)體上的力有與水接觸面的靜壓力,門(mén)體自重力,以及鉸鏈的反力。
為便于計(jì)算,進(jìn)一步簡(jiǎn)化計(jì)算模型。上述門(mén)體兩側(cè)水壓力可以簡(jiǎn)化為浮力與潮差壓力。
根據(jù)以上計(jì)算模型,假定門(mén)體的重量與其體積成正比,門(mén)體所受各力可以由下式分別確定
W=C·D·Bcosαl1=a·D·tgα+B2cosαMS=a·C·D2·B·sinαcos2α+C·D·B22cos2α---(1)]]>P1=12·γ·t·tcosαl2=(13t+h)1cosαMP1=12cos2α(13·γ·t3+γ·t2·h)---(2)]]>F=γ·t·hcosαl3=h2cosαMP2=γ·t·h22cos2α---(3)]]>F=γ·h·Bcosαl4=h·tgα2+B2cosαMF=γ·h2·B·sinα2cos2α+γ·h·B22cos2α---(4)]]>閘門(mén)擋水時(shí),門(mén)體內(nèi)假定無(wú)水,即Ww=0,建立門(mén)體平衡方程MP1+MP2+MS=MF(5)其中,C為結(jié)構(gòu)重量系數(shù);B為門(mén)體厚度;D為門(mén)體平衡時(shí)垂向高度;a為門(mén)體重心位置系數(shù);α為平衡時(shí)門(mén)體的傾斜角度;t為門(mén)兩側(cè)水位差;h為低水位水深;γ為水的比重;Ww為門(mén)體內(nèi)水重;MP1、MP2為潮差力矩;MS為門(mén)體自重力矩;MF為浮力力矩。
所以,影響門(mén)體厚度的因素可以表示為f(B)=f(h,t,α,D,C,α)(6)因在門(mén)體確定的情況下,C、a為常數(shù);D又是t與h的函數(shù),所以有f(B)=f(h,t,α) (7)
在上游水位確定的情況下,h與t又互為函數(shù),所以最終f(B)可以表示為f(B)=f(t,α) (8)即,在上游水位確定的情況下,門(mén)體的厚度主要取決于外河水位下降程度和門(mén)體的傾角。
水位差與傾角對(duì)門(mén)體厚度影響的敏感性分析如下在平衡角度與維持上游水位不變的情況下,門(mén)體的厚度與內(nèi)、外河水位差的關(guān)系密切,即在內(nèi)河水位一定下,門(mén)體的厚度與外河水位下降程度關(guān)系較大,參考國(guó)內(nèi)外有關(guān)資料,根據(jù)船舶結(jié)構(gòu)系數(shù)及平面鋼閘門(mén)結(jié)構(gòu)系數(shù),擬定閘門(mén)的結(jié)構(gòu)系數(shù)C選取為0.104;考慮閘門(mén)設(shè)備主要位于水面下方,所以,結(jié)構(gòu)重心系數(shù)a選取為0.45。根據(jù)假定的系數(shù),由上述平衡方程,計(jì)算不同水位差情況下相應(yīng)門(mén)體厚度與單位重。
計(jì)算結(jié)果顯示,門(mén)體厚度與單位重與門(mén)體擋水的水位差成正比。為減小門(mén)體厚度與單位重,減少基礎(chǔ)深度與門(mén)槽厚度,減少門(mén)體用材,增加門(mén)體運(yùn)行靈活性,在滿足功能的條件下應(yīng)盡可能選用較小的潮位差作為門(mén)體尺度選擇的條件,而利用浮體臥倒閘門(mén)自身優(yōu)勢(shì),適應(yīng)水位變化。當(dāng)外河水位較低,內(nèi)外水位差超過(guò)選定值時(shí),門(mén)體自動(dòng)塌落,門(mén)頂溢流,再次尋找新的平衡。根據(jù)計(jì)算,選用1.5~2.0m左右的水位差比較適合,此時(shí)門(mén)體的厚度較適宜。按照擬定的水位及水位組合,設(shè)計(jì)工況最大水位差為1.71m在此范圍內(nèi),是比較合適的。
在內(nèi)河水位確定的條件下,不同的水位差對(duì)門(mén)體的最佳平衡位置也有關(guān)系。當(dāng)內(nèi)河水位為3.5m,外河水位變化時(shí),不同的水位差對(duì)門(mén)體的最佳平衡位置計(jì)算結(jié)果如圖5顯示。由圖可得,水位差越大,門(mén)體與水平面的傾角越小。所以,針對(duì)不同的水位差應(yīng)選擇不同的最佳傾角。
在內(nèi)外河水位差確定的條件下,選定不同的平衡位置,對(duì)門(mén)體的尺度影響也比較大。根據(jù)假定的系數(shù),由上述平衡方程,計(jì)算不同水位工況條件下及不同平衡角度時(shí)所需門(mén)體的尺度。
由表1可以看出,門(mén)體在各個(gè)工況均能滿足運(yùn)行要求時(shí),所選用的較大的尺度。
表1 不同工況下最佳平衡角時(shí)門(mén)體相應(yīng)尺寸計(jì)算結(jié)果
由表2可以看出不同水位工況條件下,門(mén)體所能承受的水位差和最佳平衡角時(shí)的相應(yīng)尺寸。
表2 確定門(mén)體尺寸下不同工況相應(yīng)傾角計(jì)算結(jié)果
根據(jù)前面計(jì)算,結(jié)合圖5的趨勢(shì)顯示,本工程確定在1.5~2.0m的潮差下,選擇的傾角取值范圍在35°~50°以內(nèi)。
門(mén)體的尺度,特別是門(mén)體厚度的確定與諸多因素有關(guān),經(jīng)過(guò)試算。為保證門(mén)體在各個(gè)工況均能滿足運(yùn)行要求,門(mén)體應(yīng)選用各方面均較大的尺度。由圖5、6可以看出,門(mén)體結(jié)構(gòu)重量在一定角度范圍(22°~35°)內(nèi)每延米的單位重量較小,且差異不大。另根據(jù)受力分析,鉸鏈的受力隨平衡角度的加大而減小,而且可調(diào)節(jié)的范圍也隨之加大。綜合各方面的因素,在選取平衡角度35°,設(shè)計(jì)最高擋水位4.0m,門(mén)頂與水面齊平時(shí),本發(fā)明的門(mén)體結(jié)構(gòu)的最優(yōu)尺寸確定門(mén)體厚度2.6m。門(mén)體高度為8.0m,門(mén)體每延米自重為3.10t。
在假定的系數(shù)情況下進(jìn)行門(mén)體尺度擬定以后需進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置與計(jì)算,確定門(mén)體實(shí)際單位重,然后再進(jìn)行調(diào)整計(jì)算。初步布置以后,計(jì)算門(mén)體單重為2.9t/m,考慮門(mén)體設(shè)備重,門(mén)體實(shí)際重量與按假定計(jì)算的門(mén)體重量基本一致,所以無(wú)須再調(diào)整計(jì)算。
影響門(mén)體厚度的因素眾多,其中上下游水位差及門(mén)體的傾角的選擇對(duì)門(mén)體厚度的影響較大,所以在確定閘門(mén)運(yùn)行水位時(shí)要與門(mén)體厚度、底板厚度進(jìn)行綜合性考慮。
閘門(mén)尺度還包括閘門(mén)的總寬度。閘門(mén)的總寬度與閘孔過(guò)流要求、航運(yùn)功能要求,以及工程總體布置密切相關(guān)。所以,閘門(mén)的總寬按設(shè)計(jì)過(guò)流要求進(jìn)行確定。閘孔內(nèi)可以分成一扇、三扇或五扇閘門(mén);雖然多扇閘門(mén)的門(mén)鉸受力小,但各個(gè)門(mén)扇相互間同步以及止水不易實(shí)現(xiàn);而一扇閘門(mén)的優(yōu)點(diǎn)是整體性好,自控容易,所以在這樣孔徑的河道內(nèi)最佳組合是一扇門(mén)的閘門(mén)。
由于門(mén)體起浮時(shí)受到附加重量及門(mén)庫(kù)對(duì)門(mén)的吸附力等附加阻力,起浮時(shí)門(mén)體的浮力矩要超過(guò)自重力矩一倍以上。門(mén)體的浮力矩與自重力矩的比值在2~4之間時(shí),可確保門(mén)體正常起浮,但又不能太大,否則門(mén)體上浮時(shí)通過(guò)鉸鏈把上浮力傳遞給底板,對(duì)底板產(chǎn)生一個(gè)上浮力,影響底板穩(wěn)定。門(mén)體下臥時(shí),重力矩與浮力矩之比應(yīng)不小于0.95。
權(quán)利要求
1.一種氣動(dòng)浮體臥倒閘門(mén)及其最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺度,其特征是所述氣動(dòng)浮體臥倒閘門(mén)的單扇或多扇門(mén)體由帶門(mén)腔的箱形封閉門(mén)體(1)通過(guò)門(mén)鉸(2)安裝在水下基礎(chǔ)的底板(3)上;所述氣動(dòng)浮體臥倒閘門(mén)的最佳結(jié)構(gòu)尺寸是在水位差是1.5~2.0m,門(mén)體的平衡角度在30°~50°度,在最高擋水位是4.0m時(shí),門(mén)體厚度是2.6m,門(mén)體高度是8.0m、門(mén)體每延米自重是3.10噸;且門(mén)體的自重力矩加門(mén)體的潮差力矩等于浮力力矩;所述閘門(mén)門(mén)體的受力由下列方程式確定,W=C·D·Bcosαl1=a·D·tgα+B2cosαMS=a·C·D2·B·sinαcos2α+C·D·B22cos2α---(1)]]>P1=12·γ·t·tcosαl2=(13t+h)1cosαMP1=12cos2α(13·γ·t3+γ·t2·h)---(2)]]>F=γ·t·hcosαl3=h2cosαMP2=γ·t·h22cos2α---(3)]]>F=γ·h·Bcosαl4=h·tgα2+B2cosαMF=γ·h2·B·sinα2cos2α+γ·h·B22cos2α---(4)]]>其中,C為結(jié)構(gòu)重量系數(shù);B為門(mén)體厚度;D為門(mén)體平衡時(shí)垂向高度;a為門(mén)體重心位置系數(shù);α為平衡時(shí)門(mén)體的傾斜角度;t為門(mén)兩側(cè)水位差;h為低水位水深;γ為水的比重;Ww為門(mén)體內(nèi)水重;MP1、MP2為潮差力矩;MS為門(mén)體自重力矩;MF為浮力力矩。
2.如權(quán)利要求1的一種氣動(dòng)浮體臥倒閘門(mén)及其最佳結(jié)構(gòu)尺度,其特征是所述氣動(dòng)浮體臥倒閘門(mén)門(mén)體的厚度主要取決于外河水位下降程度t和門(mén)體的傾角α。
3.如權(quán)利要求1的一種氣動(dòng)浮體臥倒閘門(mén)及其最佳結(jié)構(gòu)尺度,其特征是所述氣動(dòng)浮體臥倒閘門(mén)門(mén)體的受力公式的系數(shù)選取分別是結(jié)構(gòu)系數(shù)C取值是0.104、結(jié)構(gòu)重心系數(shù)是0.45。
4.如權(quán)利要求1和權(quán)利要求3的一種氣動(dòng)浮體臥倒閘門(mén)及其最佳結(jié)構(gòu)尺度,其特征是所述氣動(dòng)浮體臥倒閘門(mén)的最佳結(jié)構(gòu)尺寸是在水位差是1.5~2.0m時(shí),門(mén)體的平衡角度在30°~50°度。
5.如權(quán)利要求1的一種氣動(dòng)浮體臥倒閘門(mén)及其最佳結(jié)構(gòu)尺度,其特征是所述氣動(dòng)浮體臥倒閘門(mén)在閘孔內(nèi)的門(mén)扇最佳組合是一扇門(mén)。
6.如權(quán)利要求1的一種氣動(dòng)浮體臥倒閘門(mén)及其最佳結(jié)構(gòu)尺度,其特征是所述氣動(dòng)浮體臥倒閘門(mén)在門(mén)腔內(nèi)的高度方向用鋼板約按2∶1∶2分成縱向三個(gè)腔艙。
7.如權(quán)利要求1的一種氣動(dòng)浮體臥倒閘門(mén)及其最佳結(jié)構(gòu)尺度,其特征是所述氣動(dòng)浮體臥倒閘門(mén)在門(mén)體兩端頂面上部焊接進(jìn)、排氣孔管,在門(mén)體兩端頂面下部開(kāi)設(shè)進(jìn)、出水孔管。
8.如權(quán)利要求1的一種氣動(dòng)浮體臥倒閘門(mén)及其最佳結(jié)構(gòu)尺度,其特征是所述門(mén)體起浮時(shí)浮力矩與重力矩的比值在2~4;門(mén)體下臥時(shí),重力矩與浮力矩的比值應(yīng)不小于0.95。
全文摘要
本發(fā)明的一種氣動(dòng)浮體臥倒閘門(mén)及其最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺度屬設(shè)計(jì)與計(jì)算方法,涉及水利工程技術(shù)領(lǐng)域,通過(guò)研究浮體臥倒閘門(mén)尺度與上下游水位、水位差及門(mén)體傾角的關(guān)系,以及各因素對(duì)門(mén)體厚度影響的敏感性,從而提出確定浮體臥倒閘門(mén)門(mén)體的最優(yōu)尺度的方法,研究結(jié)果認(rèn)為影響浮體臥倒閘門(mén)門(mén)體厚度的主要因素為上下游水位差和門(mén)體與傾角,為相同條件下的閘門(mén)設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)依據(jù)和計(jì)算方法;可以在滿足實(shí)際要求的基礎(chǔ)上,提供可供借鑒的具體范例,可以加快水利工程的設(shè)計(jì)速度,可以提高水利工程的經(jīng)濟(jì)效益。
文檔編號(hào)E02B7/50GK1763316SQ20051002865
公開(kāi)日2006年4月26日 申請(qǐng)日期2005年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月10日
發(fā)明者季永興, 盧永金 申請(qǐng)人:上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院