雙向翻轉弧形閘門的過閘流態及泄流能力研究

楊 林，楊金濤，楊校禮，潘 源

(1.貴州省水利水電工程咨詢有限責任公司，貴州 貴陽 550081；2.河海大學 水利水電學院，江蘇 南京 210098；3.上海市水務(海洋)局 堤防(泵閘)設施管理處，上海 200050)

新石洞水閘改造工程位于寶山區馬路河與長江交匯處，為滿足馬路河向長江排澇和從長江引水的雙重任務需要，工作閘門采用雙向翻轉式弧形門，液壓啟閉系統，水閘雙向擋水，動水啟閉。工程設計內河(馬路河)高水位3.5 m，常水位2.5～2.8 m，設計低水位2.0 m；外河(長江)設計多年平均高潮位3.26 m，多年平均潮位2.15 m，設計低水位-0.31 m。當內河遭遇洪水時，通過開啟閘門向外河排澇，設計內河高水位排澇流量192 m3/s；當內河水源不足，通過開啟閘門從外河引水，設計內河低水位引水流量156 m3/s。工程內、外河最大水位差不大，屬平原水閘樞紐范疇。

本工程主要由閘室、上、下游消力池、海漫、防沖槽等部分組成。水閘布置為鋼筋混凝土塢式結構，閘底檻高程為-1.00 m，閘室長30.0 m，閘底板總寬34.4 m，單孔凈寬20.0 m，閘底板厚1.5～2.0 m。工作閘門為能上、下翻轉的弧形鋼閘門，采用液壓啟閉機控制；閘室上游側布置長22.0 m的消力池及長45.0 m的海漫，下游側布置長23.0 m的消力池及長55.0 m的海漫。

1 研究背景

傳統水工閘門，大多安裝在泄流建筑物上，結合溢流堰[1]進行擋水、泄水，類型以平面閘門、弧形閘門居多[2-3]。傳統水工閘門運行方式相對單一，完全開啟即可貼堰面自由下流，局部開啟便為孔口出流，閘門主要功能為控制泄水流量[4]。關于傳統水工閘門的過流方式和特點，相關研究較多[5-7]，成果也都普遍得到業界認可。

結合新石洞水閘改造工程中，排澇、引水時要求擋水建筑可雙向過水的特點，水閘采用可雙向翻轉的弧形閘門。當閘門平板面面向內河側直立，閘門底緣高程為-1.0 m時，閘門關閉，雙向擋水，見圖1a；閘門順底板門槽向內河側翻轉至局部開啟，平板面迎水時，水流翻過閘門跌落出流，見圖1b，此時過閘流態類似薄壁堰流；閘門繼續向上游翻轉，至門頂高程為-1.0 m時，閘門全開，水流貼平板面過流，見圖1c，此時流態為寬頂堰流；閘門雙向擋水，逆底板門槽向外河側翻轉至閘門局部開啟，水流從閘門底流向下游，見圖1d，此時過閘方式為孔口出流。圖1水面均為排澇運行示意水面線，引水運行時過流方向與排澇相反。

由雙向翻轉閘門的運行方式可知，該閘門的過閘水流因啟閉狀態不同，流態可為類似薄壁堰流[8-9]、寬頂堰流[2]或孔流[10-11]；且還因其可雙向過流，同一閘門狀態，排澇、引水運行時，迎水面不同，過閘流態與泄流能力也有差異。綜上所述，雙向翻轉弧形閘門的過閘水流形態相比于傳統閘門要復雜、多樣，其泄流規律已不能再采用現有公式[12-13, 15]進行計算，針對該閘門的運行、啟閉方式，研究其過閘水流的泄流能力及流態等特性，對于本工程乃至其他類似水閘的設計、管理運行都是必要的。

b)局部開啟，門頂過流

c)閘門全開，寬頂堰流

d)局部開啟，孔口出流圖1 雙向翻轉弧形閘門不同啟閉狀態下的過閘流態

2 模型設計及量測儀器

模型試驗按水工模型試驗相關規定[14]執行。模型按重力相似準則設計，同時兼顧阻力相似，幾何正態。根據相關要求，試驗采用模型長度比尺λL=20，相應其他物理量比尺如下： ①流速比尺λV=200.5=4.47；②流量比尺λQ=202.5=1788.85；③ 糙率比尺λn=201/6=1.648。模型模擬了新石洞水閘及相關建筑物，同時還模擬了內、外河引渠。內河側模至防沖槽以外60 m，外河側模擬至馬路河與長江交匯處。建筑物模型全部采用有機玻璃精制，模型有機玻璃糙率約為0.008，相當于原型混凝土糙率0.013 2。模型內外引渠用水泥砂漿抹面，糙率約為0.012，相當于原型河道糙率0.020。模型內河水位測點布置在內河防沖槽處，外河水位測點布置在外河防沖槽以外10 m的河口處。

3 試驗方案

本文針對雙向翻轉弧形閘門不同的啟閉狀態及運行方式，進行了相關水工模型試驗。試驗方案見表1。

各試驗方案下，試驗時先固定試驗流量(根據設計流量確定)，待上下游(無論排澇或引水，水流過閘前一側為上游，過閘后一側為下游)水位穩定后，量測上下游水位，再改變試驗流量，將其作為變量值進行試驗。由于各方案下試驗組數(相應試驗流量及相應上下游水位)較多，本文僅列出了同類過閘方式的典型流態；同一試驗方案下各試驗組的過閘流量及上下游水位不同，其試驗現象與典型流態稍有差異。

4 試驗結果及分析

4.1 閘門全開

閘門平板面水平，門弧面下臥在閘底板內時，閘門處于全開狀態，水流沿閘門上側平板面過流，過閘形態為寬頂堰流。

4.1.1排澇運行試驗現象

圖2a為內河水位2.80 m、外河水位1.05 m，實測排澇流量為233 m3/s的試驗現象。由照片可見，水流過閘時水面稍有跌落，流態屬自由堰流；過閘后在消力池內形成淹沒水躍，但由于上下游水位差較小，水躍發生在靠閘室的消力池前端部位。水流出池后在海漫段形成急流區。圖2b為內河水位3.00 m，外河水位2.75 m，實測排澇流量為191 m3/s的試驗現象,此時，內外河水位相差不大，水流過閘時幾乎沒有水面跌落，出消力池后水面也較為平順，流態屬淹沒堰流。

a)自由堰流典型流態 b)淹沒堰流典型流態圖2 閘門全開、排澇運行過閘水流流態

4.1.2引水運行試驗現象

閘門全開引水運行時，其水流流態與排澇時相似，根據上下游水位差不同，有自由堰流和淹沒堰流之分，此處不再贅述。圖3a為外河水位3.06 m、內河水位2.80 m時的引水試驗現象，圖3b為外河水位2.43 m、內河水位2.00 m的引水試驗現象。

a)引水過閘流態1 b)引水過閘流態2圖3 閘門全開、引水運行過閘水流流態

4.1.3寬頂堰流時的試驗結果分析

4.1.3.1過流能力比較

因閘門全開時，過流能力最大，為驗證閘門在各征水位(內、外河常水位、高水位)下的過流能力能否滿足設計要求，進行了特征水位下的過流能力試驗。表2為各特征水位下的試驗結果。由表2可知，引水運行時，各特征水位下的試驗流量小于設計流量，相差較大；而排澇運行時，試驗流量與設計流量基本相同，能滿足設計要求。

4.1.3.2綜合流量系數的探求

特征水位的試驗過流量，可以為設計提供依據。

表2 特征水位過流能力試驗結果

閘門全開時，過閘水流形態均為堰流，本文還進行了不同流量時的過流試驗，以探求綜合流量系數規律。

過閘流量可用堰流公式[15]進行計算：

(1)

式中Q——實測過閘流量，m3/s；m——考慮上游行進流速水頭、下游淹沒和側收縮影響的綜合流量系數；H——堰頂上游水頭，m；B——水閘的閘孔寬度，m；g——重力加速度，m/s2。

通過式(1)，用試驗結果可計算出綜合流量系數m。整理、分析m的規律性時發現，m與相對淹沒度t/H(t為堰頂以上下游水深)具有較好的相關關系，見圖4。

圖4 m與t/H關系

圖4表明，閘門全開，過閘水流為自由堰流(t/H<0.65)時，其綜合流量系數接近于某常數，水閘排澇時該值為0.365，水閘引水時為0.324。而水流過閘為淹沒堰流時，綜合流量系數隨相對淹沒度t/H的增加而急劇減小。

由圖4可知，在閘門全開，相對淹沒深度相同時，水閘排澇時的流量系數要大于引水時的流量系數，即排澇運行的過流能力要大于引水運行過流能力，這也較好解釋了表2中排澇流量要大于相同水位差時的引水流量。而導致“過流能力排澇運行大于引水運行”的原因，主要是受水閘內、外河兩側的結構和內外河河道斷面差異等因素影響所致。

4.2 閘門局部開啟(孔流)

閘門局部開啟，水流從門底下泄時，水閘過流形態為閘下孔流。

4.2.1排澇運行試驗現象

試驗表明，過閘水流是否發生淹沒水躍，是閘孔出流流態的主要區別。圖5a為內河水位3.80 m、外河水位1.05 m，閘門開度為1.36 m時的試驗現象，此時實測排澇流量為154 m3/s，水流過閘孔后自由下流，在消力池內形成自由水躍，但由于上下游水位差異不大，消力池內水流未見強烈紊動，水躍強度較小，水流過閘室段為急流，水面較為平順。圖5b為內河水位2.50 m、外河水位1.05 m，閘門開度為1.78 m時的試驗現象，此時實測排澇流量為154 m3/s，上下游水位差較小，水流過閘孔時為急流，并在消力池內形成一定程度的淹沒式水躍，進入海漫段后由于過流斷面變大，流態逐漸平緩。

a)自由孔流典型流態 b)淹沒孔流典型流態圖5 閘門局部開啟(孔流)、排澇運行時下游流態

4.2.2引水運行試驗現象

當水閘通過孔流方式引水時，外河為上游，內河為下游。因內河(下游)最低水位為2.0 m，下游水位較大，故在引水試驗方案下，過閘水流均為淹沒孔流，其流態與排澇時的淹沒孔流基本相同，但由于上下游水位差相比排澇時更小，出閘孔時水面也更為平順，上下游水面銜接較好。圖6a為外河水位3.25 m、內河水位2.00 m，閘門開度1.29 m的試驗現象，實測引水流量100 m3/s；圖6b為外河水位3.25 m，內河水位2.80 m，閘門開度2.56 m的試驗現象，實測引水流量130 m3/s。

a)引水淹沒孔流流態1 b)引水淹沒孔流流態2圖6 閘門局部開啟(孔流)、引水運行時閘下流態

4.2.3閘孔出流時的試驗結果分析

由試驗結果可見，水閘局部開啟通過孔流方式排澇時，其過閘水流流態根據上下游水位的差異，有自由孔流和淹沒孔流2種流態。

水流為自由孔流時，其過流能力[15]可通過下式計算：

(2)

式中μ——計入行進流速、淹沒和側收縮影響的綜合流量系數；B——節制閘凈寬，m；e——閘門開啟高度，m；H——堰頂上游水深，m；g——重力加速度，m/s2。

當水流為淹沒孔流時，過閘流量Q與堰上水頭H，閘門開度e，下游堰頂以上水深t以及重力加速度g等因素有關，一般可按下式[15]計算：

(3)

式中σ——孔口淹沒系數，與下游水深t和躍后水深h″有關；其余同前。

淹沒孔流的過流能力計算，考慮了下游水位對上游的淹沒影響，但孔口淹沒系數σ較難確定，該式直接運用于工程相對繁瑣。若以上游和下游水位點斷面列能量方程，整理后不難得到下式：

(4)

式中μs——考慮了淹沒及水頭損失的綜合流量系數；其余同前。

式(4)通過上下游水位差及綜合流量系數μs來反映淹沒對泄流的影響，使公式簡潔、便于運用。

式(2)、(4)表明，無論自由孔流或淹沒孔流，綜合流量系數作為過流能力計算的核心參數，其規律同對于同類工程的參考意義較為重要。通過整理分析試驗數據，發現當自由孔流時，其綜合流量系數μ與具有相對開度e/H具有較好的相關性，而當淹沒孔流時，綜合流量系數μs與相對淹沒度e/t具有較好相關性。其相關關系見圖7。而當水閘通過孔流方式引水時，試驗方案下，過閘水流均為淹沒孔流，試驗數據表明，其綜合流量系數規律性與排澇時相似。

圖7 閘下孔流時的綜合流量系數規律

由圖7可見，淹沒孔流的過流能力與運行方式關系不大，排澇、引水時的綜合流量系數μs都與相對淹沒度e/t具有相關性，規律也基本相同。利用回歸分析，可將圖7關系擬合表達為：

μ=0.611-0.1012e/H(自由孔流)

(5)

μs=0.8742(e/t)1.1667(淹沒孔流)

(6)

以上分析了自由孔流及淹沒孔流時，綜合流量系數及相應泄流能力計算方法。對于式(2)、(4)的適用條件，即判別自由孔流與淹沒孔流的方法，是值得討論的。為對其判別條件進行量化，本文分析了由自由孔流變為淹沒孔流臨界狀態下的e/H與e/t的相關關系，見圖8，可將其作為判別條件。

圖8 孔流類型判別關系

4.3 閘門局部開啟(堰流)

當閘門從全開向內河側翻轉，處于局部開啟時，水流從閘門頂部跌落，過流形態類似薄壁堰流。

4.3.1薄壁堰流試驗現象

試驗結果表明，該過閘形態下的流態與上下游水位差關系最為密切。圖9a為通過薄壁堰流排澇運行的試驗現象，對應內河水位3.80 m、外河水位-0.31 m，門頂高程1.04 m，實測排澇流量為182 m3/s，此時上下游水位差相對較大，水流從門頂跌落后沖擊閘底板，過流方式屬自由堰流，水流在消力池內充分紊動，至海漫段與下游平順水面銜接。圖9b為通過薄壁堰流引水運行的試驗現象，對應內河水位2.00 m、外河水位3.25 m，門頂高程1.27 m，實測引水流量為100 m3/s，此時上下游水位差相對較小，從門頂過閘時水流平順，流態較好，其過流方式屬淹沒堰流。

a)排澇門頂薄壁堰流流態 b)引水門頂薄壁堰流流態圖9 閘門局部開啟(堰流)時的過閘流態

從試驗現象來看，上下游落差較大時，為自由堰流，雖然其過流能力也相對較大，但水流直接沖擊門槽底板，可能導致閘底板的破壞，此外，落差較大還有可能引起閘門的振動，產生結構穩定問題，應引起注意。

4.3.2薄壁堰流的過流能力分析

本文進行了門頂高程為-0.5～2.5 m(每0.5 m高程一個開度)的排澇、引水試驗，但由于門頂跌落過流時，其流量系數受堰(閘)上水頭、淹沒度、門頂高程(開度)等眾多因素的影響，較難用公式來表達。為方便該閘門的管理運行，本文根據試驗整理了不同門頂高程的流量等值線，圖10所示為門頂高程為1.0 m的流量等值線，其余各開度的流量等值線變化規律與圖10相似，圖10中上半區為排澇運行，下半區為引水運行。

4.4 試驗結果的運用方式

通過以上對雙向翻轉弧形閘門不同過閘形態的過流能力分析，工程設計或運行管理時，可根據已知的內、外河水位和閘門啟閉狀態(開度)來確定水流的過閘形態，選擇相應的過流計算公式及綜合流量系數(或用過流等值線圖內插)來計算過流能力；也可根據擬定的排澇、引水流量，選擇閘門的啟閉方式，假設其開度e，再用上述相應圖表進行試算，確定相應的閘門開度。

圖10 薄壁堰流的流量等值線

5 結論與展望

a) 雙向翻轉弧形閘門關閉時雙向擋水，全開時過閘水流形態為寬頂堰流，閘下過流時為孔流，門頂過流時為薄壁堰流；且各開啟狀態下可雙向過流，滿足排澇、引水的雙重需要。

b) 寬頂堰流時，自由堰流時的綜合流量系數為一常數，淹沒堰流的綜合流量系數隨相對淹沒度增加而降低；閘下孔流時，自由孔流的綜合流量系數μ與相對開度e/H具有負相關關系，淹沒孔流綜合流量系數μs與相對淹沒度e/t具有冪函數關系。

c) 擬合了寬頂堰流、閘孔出流的綜合流量系數公式及適用條件，給出了門頂薄壁堰流的流量等值線，希望能為類似工程水力設計提供參考。

d) 本文深入研究分析了雙向翻轉弧形閘門過流能力及閘室段的水流形態，后續可圍繞水流在消力池及海漫段的水力特性等進行深入研究。