關于采用水力自控翻板門水閘的過流能力及消能防沖的探討

王 倩

（寧鄉縣水利水電勘察設計院 長沙市 410600）

水力自控翻板閘門是一種水工閘門，其功能是作為“活動”擋水建筑物，取代固定堰或降低溢流堰頂的高度，有效調節庫容，從而減少淹沒損失、泥沙淤積，降低工程造價和運行費用。

整個裝置的運行過程主要依靠水壓、閘門自重及滾輪對閘門支撐力間相互作用力的變化，在沒有任何輔助動力和人為操作情況下，自動開啟、關閉閘門。其優點如下：

（1）閘門是隨上游水位變化來調整開啟度而逐步增減下泄量，開門和關門跟隨水位變化，其變化過程非常平穩，使得水閘在消能防沖方面變得更加有利；

（2）采用鋼筋混凝土現場制造閘門的方式，可以降低工程造價、增加使用壽命、減少運行維護費用；

（3）工作可靠性很高，不會因機械故障和電氣故障而影響運行；

（4）運行成本低，在改善生態環境，防洪、灌溉、發電等方面均具有較高的經濟效益。

因此，本文在依據有關資料進行水力計算的基礎上，結合楊家橋水閘、灘山鋪水閘等工程的設計、運行情況，對采用水力自控翻板閘門水閘過流能力及消能防沖進行分析和總結。

1 水力自控翻板閘門泄流特性

根據廠家提供模型試驗資料，水力自控翻板閘門在整個泄水過程中要經過四種狀況即閘門全關蓄水、閘門傾斜小角度泄流、上游水位上升增大開度泄流、閘門全開（圖 1～圖 4）。

圖1 閘門全關蓄水狀況

圖2 閘門成一定傾角小開度泄流（門頂、底出流）狀況

圖3 上游水位繼續升高增大開度（門頂、底出流）狀況

翻板門全開前，下泄流量不僅是門前水位的函數而且還與翻板門開度成正比；而當翻板門全開后，下泄流量僅隨門前水位的變化而變化。漲水時當河水位高于門頂高程（0.1～0.3）m時，翻板門開始翻啟泄流，門前水位隨著上游來水量的增大而升高，翻板門的下泄流量又隨著門前水位的上漲而增大，但閘門開度增加滯后于來水量的增加。翻板門門前水位～下泄流量曲線在河道開始漲水時呈上升趨勢；當翻板門與水平夾角等于45°時，翻板門擋水功能開始逐漸減退，翻板門門前水位～下泄量曲線開始轉為下降，這是因為水流流態逐漸向全堰流轉變，泄量陡增而出現的現象。翻板門全開后，隨著來水量的繼續增大，下泄流量也隨之增大，曲線開始上升而不再反復，當下泄設計流量時，門處于全開狀態。隨著來水減少門前水位下降即沿漲水曲線回復，當來水流量小至設計下泄流量時，翻板門開始減少開度，因翻板門開度減小滯后，此時某水位下翻板門實際泄量大于河道中所需的下泄流量，隨著來水流量進一步減少而門前水位繼續降低，翻板門也將隨著門前水位的降低開始關閉，但該退水曲線不再重復漲水曲線；隨著翻板門的逐漸關閉并至一定開度后，其擋水功能隨之加強，門前水位逐漸壅高，翻板門也隨著來水流量的進一步減少而繼續關閉，門前水位隨之逐漸升高，直至正常高水位，至此，翻板門完全關閉，開始正常擋水（圖 1～4）。

圖4 上游水位升高到一定程度，閘門倒平成一定角度支承在支墩上（全開泄流）狀況

在整個泄水過程中，閘門是隨上游水位變化來調整開啟度而逐步增減下泄量，運行過程平穩，使得水閘在消能防沖方面變得更加有利。

2 泄流能力計算

一般閘門在泄流時是根據開啟度e與堰前水深H之比來判別流態的，當e/H＜0.65時為孔流，e/H＞0.65時為堰流；而水力自控翻板閘門泄流的流態是根據廠家模型試驗確定的閘門傾倒角度α來判別流態的，當α＜75°（閘門部分開啟）時，閘門上部為堰流，下部為孔流，當α=75°（閘門全開）時，為堰流。因此，翻板門全開與部分開啟要分別按不同的流量公式計算下泄流量。

（1）閘門傾倒角度 α＜75°（閘門部分開啟）。

門上為薄壁堰溢流、門下為閘孔出流，泄流量為二者之和。

a、薄壁堰溢流公式：

式中H——堰上水頭；

mo——包含行近流速影響在內的薄壁堰流量系數。

其中，薄壁堰流量系數mo可用雷保克的經驗公式計算：（適用條件為H≥2.5 m；H/a≤2）

式中a——上游堰高（m）。

b、閘孔出流公式：

H0——閘孔全水頭

ε2——垂直收縮系數；

e——閘孔開度；

H——堰上水頭；

α0——動能修正系數。

（2）閘門傾倒角度 α=75°（閘門全開）。

泄量計算采用模型試驗公式：

式中b——翻板門段泄流總凈寬（m）；

σs——翻板門段淹沒系數；

m——翻板門段流量系數，由以往模型試驗公式計算得出；

ε——由于樞紐布置所形成的翻板門段的側收縮系數；

H0——翻板門段堰上全水頭（m）；H0=H+/2g；

H——翻板門段堰上水頭（m）；

v0——行進流速（m/s）；

其中，側收縮系數計算公式如下：

式中bo——閘孔凈寬（m）；

N——閘孔數；

εz——中閘孔側收縮系數；

dz——中閘墩厚度（m）；

εb——邊閘孔側收縮系數；

bb——邊閘墩順水流向邊緣線至上游河道水邊線之間的距離（m）；

hs——由堰頂算起下游水深（m）。

翻板門段流量系數計算公式為：

式中 Σb——翻板閘總凈寬度(m)；

A——閘門鉛垂擋水高(m)；

θ——閘門全開時與鉛垂面的夾角（θ=75°）；

p——上游堰高(m)。

現以“楊家橋水閘重建工程”為實例根據以上公式進行過流計算。

楊家橋水閘位于長沙縣路口鎮，地處湘江三級支流麻林河下游。閘址以上集水面積148.28 km2，河道干流長23.69 km，坡降1.4‰。設計洪峰流量為587.8 m3/s（20年一遇），校洪峰流量為722.62 m3/s（50年一遇）。

本工程泄洪閘建基面高程為38.5 m，閘底板高程為40.9 m，門頂高程為43.4 m；安裝6張鋼筋混凝土水力自控翻板閘門，閘門尺寸為8 m×2.5 m（寬×高）。

根據以上公式計算求得“楊家橋水閘”上游泄流曲線關系如表1。

表1 上游泄流曲線表

由表可繪制出水位-流量關系曲線關系圖（圖5）。

圖5 水位～流量關系曲線

3 消能防沖計算

本次仍以“楊家橋水閘重建工程”為實例進行消能防沖計算。

3.1 消力池的水力計算

（1）水流銜接狀態的判別。

在進行消能防沖設計前，必須判別水流銜接狀態，如果發生遠離水躍、臨界水躍（躍后水深hc躍后≥下游水深ht），則要采取消能防沖措施，如果發生淹沒水躍（躍后水深hc躍后＜下游水深ht），則可以不設消能防沖措施。

a、收縮水深hc的計算。

假定一系列流量，查上、下游水位流量關系曲線得出不同流量的上、下游水位，然后運用下式計算h：：

式中 φ——流速系數，取0.95；

Q——下泄流量；

B——消能池寬度；

T0——上游水位與上游河床高程之差；

經計算可得出一系列的hc值，見表2。

b、躍后水深和下游水深的確定。

① 躍后水深hc躍后

經計算可得出一系列的hc躍后值，見表2。

② 下游水深ht

下游水深為下游水位與下游河床高程之差，根據不同流量的下游水位得出一系列的ht，見表2。

將上述計算得出的一系列躍后水深hc躍后與下游水深ht進行比較，如果 hc躍后≥ht，則需設消力池；如果 hc躍后＜ht，則不需要設消力池。比較結果見表2。

（2）消能工設計流量的確定。

消能工設計流量為 （hc躍后-ht）的最大值所對應的流量，計算得（hc躍后-ht）最大值為 0.72 m，故其對應的流量Q=33.41 m3/s即為所求。

（3）消力池的水力計算。

a、消力池深 s。

表2 消力池水力計算表

式中 △z——消力池出口水面落差；

σ——安全系數，可取σ=1.05～1.10；

φ——消力池出流的流速系數，一般取0.95。

經過計算，在消能工設計流量Q=33.41m3/s時，s=0.52m

b、消力池長 Lsj。

式中Lsj——消力池長度；

Ls——消力池斜坡段水平投影長度；

β——水躍長度校正系數，可采用0.7~0.8；

Lj——水躍長度。

經過計算，在消能工設計流量Q=33.41 m3/s時，Lj=6.42 m，得 Lsj=11.18 m

3.2 海漫長度、防沖槽的確定

（1）海漫長度的確定。

式中 △H——水閘上、下游水位差（m）;

k——系數，視消能的狀況和河床土質的容許流速而定。

經過計算，在消能工設計流量Q=33.41 m3/s時，得LP=13.45 m。

（2）沖刷坑深度dm的確定。

根據《水閘設計規范》（SL 265-2001）條文說明第5.0.12條可知，參照已建水閘工程的實踐經驗，下游防沖槽深度一般為（1.5～2.5）m，防沖槽內的拋石數量可根據下游河床沖至最深時，塊石可能坎塌的情況而定。此次設計取dm=2 m。

3.3 實際工程運行情況

灘山鋪水閘位于長沙市寧鄉縣橫市鎮，是溈水河支流流沙河上的一處大 （Ⅱ）型水閘。閘址控制集水面積401 km2，河道干流長 47 km，坡降3.26‰。該水閘于1979年冬動工，1982年5月竣工投入使用。設計洪峰流量為1092.48 m3/s（30年一遇），校核洪峰流量為1206m3/s（50年一遇）。泄洪閘長72.45 m，正常蓄水位101.0 m，堰頂高程為98.00 m。堰頂裝有12扇多絞水力自動翻板門，門高3.0m，寬6.0 m。灘山鋪水閘消力池水平段長8.65 m，池深1.0 m。底板厚度為0.6 m。消力池尾端為裸露巖石，未設海漫、防沖槽。

當閘門開始泄水時，閘門是隨上游水位增加來逐步增大開啟度而增加下泄量，下游水位也隨之上漲。當下泄流量不大時，下游已經有較大的水深。水閘自1982年運行至今，其中經歷了幾次較大的洪水（1998年、2006年），消力池一直運行良好，沒有損壞過。

4 結語

經過對水力自控翻板閘門泄流能力的分析，可以得知，水力自控翻板閘門利用水壓力和閘門自重平衡的原理，增設阻尼反饋系統（滾輪、連桿機構），達到隨著上游水位升高逐漸開啟泄流、上游水位下降逐漸回關蓄水的目的，使上游水位始終保持在要求的范圍內。

根據水力自控翻板閘的運行特點（從圖中可見），堰前水位壅高之峰值不處在下泄量最大時，即最高泄量滯后于最高水位，翻板門越高，水位超前升高越快越大。因此，如果使用了門高較高的翻板，當洪水流量沒有達到相應設計洪水標準時，洪水位已達到甚至超過設計洪水位標準。這樣使得工程在小于洪水標準的洪水中已產生了較大的淹沒，給上游造成了更大的淹沒損失，在水力自控翻板閘門的工程實施過程中應特別注意這一點。

經過對采用水力自控翻板閘門的水閘消能防沖的分析可以得知，由于水力自控翻板閘存在閘門是隨上游水位變化來調整開啟度而逐步增減下泄量，其變化過程非常平穩的運行特點，加上在閘門全開前，門頂上部溢流的水落在門底溢流的水流上，因此采用水力自控翻板閘門的水閘，在消能防沖方面變得更加有利。

因此，在使用水力自控翻板閘時，應從水力自控翻板閘的特點、設計上加深理解和認識，這樣才能使水力自控翻板閘在低水頭水閘工程中得到更廣泛的使用，更好地發揮作用。