水力自動浮移式閘門水流特性研究

徐超奇，趙紫薇，孫 昊，宋秋英，王春堂

（1.山東農業大學水利土木工程學院，山東 泰安 271018；2.津瑞土地發展有限公司,山東 東營 257400；3.山東省德州市齊河縣水利局，山東 德州 251100）

0 引言

閘門作為水利工程中目前使用最廣的水工建筑物，在水利工程中的作用不僅局限于攔截水流、控制水位，同時作為一種水利景觀樞紐，采用節能環保的運行方式，應用于水利工程中。一般閘門主要是依靠外力提升，但這需要配套專用的啟閉機、啟閉室，造價較高，操作繁瑣；而水力自控翻板閘門基于它結構相對簡單，可依靠上游來水的作用力自動啟閉，節省能源、造價低廉，兼有泄洪、蓄水功能，在國內外運用的歷史悠久。

水力自控翻板閘門仍存在很多缺陷。閘門泄水方式為堰、孔混合流，水力特性較復雜；閘板處于下泄水流中，嚴重擾亂了水閘的泄水能力；閘門在運行中出現周期性來回拍擊支墩或壩坎的“拍打”現象，破壞性極大。除了水力自控翻板閘門，還有許多新型閘門應運而生。李利榮、郭鵬等[1～2]通過理論計算、模型試驗研究了水力自動滾筒閘門的動水壓力、時均壓力、脈動壓力以及流量系數、閘門開度；楊林等[3]研究分析雙向翻轉弧形閘門的過流方式、綜合流量系數規律以及過流能力；郭芮等[4]總結出平面弧形雙開閘門不同開啟方式下的閘下水流流動的特性。為了彌補水力自控翻板閘門的不足，本文提供一種水力自動浮移式閘門，閘門依靠上游水位的高低自動啟閉，以完成蓄水和泄水工作，可代替外力控制閘門以及景觀河道中的溢流壩、橡膠壩等。水力自動浮移式閘門作為一種新型水工閘門，國內外尚缺乏對該閘門水流特性的試驗分析。本文對水力自動浮移式閘門進行模型試驗，觀測過閘水流特性，分析不同來水流量下閘門的上下游水位、閘門開度等水力參數之間的關系。

1 水力自動浮移式閘門結構及試驗設計

1.1 水力自動浮移式閘門的結構組成及工作原理

水力自動浮移式閘門由閘室、閘門、滾輪槽、軌道、滾輪、連接桿、止水、液壓減振裝置組成。水力自動浮移式閘門示意圖見圖1、圖2。

圖1 水力自動浮移式閘門正視圖

圖2 水力自動浮移式閘門I-I 剖面圖

水力自動浮移式閘門的閘室由閘墩和閘底板構成。閘門為具有一定剛度、強度的材料，閘門自重根據上游設計水位及泄水要求確定。軌道通過錨固結構固定在滾輪槽內；閘門通過固定桿、滾輪固定在軌道上；在滾輪槽底面、閘門與閘底板之間設置有止水，可有效進行止漏；在閘門與閘墩之間的滾輪槽內設置有液壓減振裝置，可減緩閘門的振動，采用活塞工作原理，以防止閘門在工作中產生較強烈振動，保證閘門工作的穩定性。

水力自動浮移式閘門主要受到上游水壓力、重力、支持力、摩擦力的作用。閘門在上游水壓力、重力以及軌道摩擦力的作用下，利用沿軌道方向力的平衡原理，隨上游來水流量、水位的變化，自動沿軌道上移或下降以滿足蓄、泄水需要。隨著來水流量的增加，當上游水位上升至啟門水位時，沿軌道方向閘門受到的水壓力大于閘門自重和軌道摩擦力之和，閘門上移，水流從閘板下邊緣的閘孔中泄出；當沿軌道方向閘板受到的水壓力等于閘門自重和軌道摩擦力之和時，閘門停止上移，處于平衡狀態；當上游水位上升到一定高度后，閘門開度達到最大值，待上游來水流量減小，水位下降后，閘門下移關閉。

1.2 模型及試驗設計

試驗渠道由PVC 硬板制成，糙率小，渠高400 mm，渠寬400 mm。閘板制作材料為PVC 硬板，板長400 mm，板寬300 mm。閘板與水平面夾角為55°，軌道與水平面夾角為70°。試驗渠道上共設置8 個測量斷面，閘門上游和下游各4 個測量斷面，且斷面間隔100 mm，每一斷面設置5 個水位測點。試驗中以來水流量為變量，通過閘閥調節流量，由電磁流量計顯示流量大小，分別測定來水流量為25 m3/s、50 m3/s、75 m3/s、100 m3/s、125 m3/s、1 50 m3/s、175 m3/s、200 m3/s、225 m3/s、250 m3/s、275 m3/s、300 m3/s 工 況 下 的 閘 門 水 流 特性。在一定來水流量條件下，待閘門開度、上下游水位穩定時，測量閘門開度以及上下游水位。

2 試驗結果分析

2.1 過閘水流流態

水力自動浮移式閘門的水流過閘方式為閘孔出流。采用人工觀測的方法對試驗現象進行分析。

當來水流量為25 m3/s, 閘門開度為1.2 cm 時對應的水流流態見圖3。上游水面水流平穩，無不良流態出現；下游水面靠近閘門處出現強烈紊動，水面存在小旋滾，躍后水面較平穩。

圖3 來水流量Q=25 m3/s 流態圖

當來水流量為125 m3/s，閘門開度為6.7 cm 時對應的水流流態見圖4。此時上游水流靠近閘門處的局部水位雍高，出現向上游擴散的波狀水紋；下游水流流速較大，靠近閘門的中間渠道處水流呈菱形交錯狀。閘門兩側的水流較為紊亂，下游距離閘門較遠處開始出現水躍現象。

圖4 來水流量Q=125 m3/s 流態圖

當來水流量為275 m3/s，閘門開度為13.4 m 時對應的水流流態見圖5。上游水流頂托閘門，再次出現明顯的雍水現象，水波凸向下游；下游處中間渠道水流趨于平順，渠道兩側水流紊亂，類似于平面射流，呈菱形交錯狀，隨著水流向下游中間渠道擴散，水流逐漸平穩。

圖5 來水流量Q=275 m3/s 流態圖

當來水流量為25 m3/s、125 m3/s、275 m3/s 時，渠道斷面水位見表1。

表1 水力自動浮移式閘門試驗結果整理表

2.2 閘門開度與來水流量的關系

根據水力自動浮移式閘門的工作原理可知，閘門開度很大程度上受限于上游水位對閘門施加的水壓力。在不同來水流量下測量水力自動浮移式閘門開度，以得到閘門開度與來水流量的關系曲線見圖6。根據圖中的離散數據點擬合直線，得到來水流量與閘門開度之間的線性回歸方程為y=0.0461x+0.4636，相關系數為0.9924，回歸直線對觀測值的擬合程度較好，由此可知來水流量與閘門開度具有較好的相關性。在流量為300 m3/s 時，閘門開度已達到自身所能夠開啟的最大值，為13.7 cm。

圖6 閘門開度與來水流量的關系曲線圖

2.3 過閘水面線

不同來水流量下，可調節水力自動浮移式閘的過閘水面線見圖7。隨著來水流量的增加，各斷面水深逐漸增大，較之于后來的流量增加，在最初小流量基礎上的流量增加中，水面線的上移趨勢明顯；同一流量下，閘門上下游的水面線整體較平穩，閘門處水面線呈現單一下降趨勢。針對上游水面線的變化規律可知，當流量為25 m3/s、50 m3/s 時，上游水位在斷面0、斷面1處水位下降幅度較大，隨后流量增加，靠近閘門處水位雍高；對于下游水面線的變化規律，在斷面7 處同樣存在局部水位雍高；閘門處的水面線隨流量的增加，靠近閘門的斷面3 與斷面4 處的水位落差逐漸增大。

圖7 水力自動浮移式閘門過閘水面線

3 結論

試驗在不同來水流量的工況下，分別觀察并測量水力自動浮移式閘門上下游水流流態、水位以及閘門開度，分析總結出水力自動浮移式閘門的水流特性。結論如下：

1）隨著來水流量的增加，上游靠近閘門處出現不同程度的雍水以及回水現象；下游過閘水流較為平順，渠道中間水流較平順，渠道兩側水流紊亂，整體呈菱形交錯狀。水躍隨流量的增加逐漸向下游推移。

2）來水流量與閘門開度之間存在較好的相關性，閘門開度隨流量的增加而增大。

3）同一流量下靠近閘門的上游、下游的水面線較為平穩，均存在不同程度的雍水現象。在小流量下，流隨量增加，水位增幅較大，當來水流量較大時，水位隨流量的增加變化較小。閘門上下游水位差隨流量的增加而增加。

水力自動浮移式閘門的物理模型試驗結論為該閘門的運行使用提供一定的理論依據，同時可供該類新型閘門的設計改進作為參考。