關(guān)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(xiāng)縣水利水電勘察設(shè)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?shù)母叨?，有效調(diào)節(jié)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(guān)閉閘門。其優(yōu)點如下：

（1）閘門是隨上游水位變化來調(diào)整開啟度而逐步增減下泄量，開門和關(guān)門跟隨水位變化，其變化過程非常平穩(wěn)，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(xiàn)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(tài)環(huán)境，防洪、灌溉、發(fā)電等方面均具有較高的經(jīng)濟效益。

因此，本文在依據(jù)有關(guān)資料進行水力計算的基礎(chǔ)上，結(jié)合楊家橋水閘、灘山鋪水閘等工程的設(shè)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(jié)。

1 水力自控翻板閘門泄流特性

根據(jù)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(jīng)過四種狀況即閘門全關(guān)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(guān)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(xù)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(shù)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(zhuǎn)為下降，這是因為水流流態(tài)逐漸向全堰流轉(zhuǎn)變，泄量陡增而出現(xiàn)的現(xiàn)象。翻板門全開后，隨著來水量的繼續(xù)增大，下泄流量也隨之增大，曲線開始上升而不再反復(fù)，當下泄設(shè)計流量時，門處于全開狀態(tài)。隨著來水減少門前水位下降即沿漲水曲線回復(fù)，當來水流量小至設(shè)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(xù)降低，翻板門也將隨著門前水位的降低開始關(guān)閉，但該退水曲線不再重復(fù)漲水曲線；隨著翻板門的逐漸關(guān)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(xù)關(guān)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(guān)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(diào)整開啟度而逐步增減下泄量，運行過程平穩(wěn)，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(jù)開啟度e與堰前水深H之比來判別流態(tài)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(tài)是根據(jù)廠家模型試驗確定的閘門傾倒角度α來判別流態(tài)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(nèi)的薄壁堰流量系數(shù)。

其中，薄壁堰流量系數(shù)mo可用雷?？说慕?jīng)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(shù)；

e——閘孔開度；

H——堰上水頭；

α0——動能修正系數(shù)。

（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(shù)；

m——翻板門段流量系數(shù)，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(cè)收縮系數(shù)；

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(cè)收縮系數(shù)計算公式如下：

式中bo——閘孔凈寬（m）；

N——閘孔數(shù)；

εz——中閘孔側(cè)收縮系數(shù)；

dz——中閘墩厚度（m）；

εb——邊閘孔側(cè)收縮系數(shù)；

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(shù)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(xiàn)以“楊家橋水閘重建工程”為實例根據(jù)以上公式進行過流計算。

楊家橋水閘位于長沙縣路口鎮(zhèn)，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(shè)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(jù)以上公式計算求得“楊家橋水閘”上游泄流曲線關(guān)系如表1。

表1 上游泄流曲線表

由表可繪制出水位-流量關(guān)系曲線關(guān)系圖（圖5）。

圖5 水位～流量關(guān)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(tài)的判別。

在進行消能防沖設(shè)計前，必須判別水流銜接狀態(tài)，如果發(fā)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(fā)生淹沒水躍（躍后水深hc躍后＜下游水深ht），則可以不設(shè)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(guān)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(shù)，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(jīng)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(jīng)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(jù)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(shè)消力池；如果 hc躍后＜ht，則不需要設(shè)消力池。比較結(jié)果見表2。

（2）消能工設(shè)計流量的確定。

消能工設(shè)計流量為 （hc躍后-ht）的最大值所對應(yīng)的流量，計算得（hc躍后-ht）最大值為 0.72 m，故其對應(yīng)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(shù)，可取σ=1.05～1.10；

φ——消力池出流的流速系數(shù)，一般取0.95。

經(jīng)過計算，在消能工設(shè)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(shù)，可采用0.7~0.8；

Lj——水躍長度。

經(jīng)過計算，在消能工設(shè)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(shù)，視消能的狀況和河床土質(zhì)的容許流速而定。

經(jīng)過計算，在消能工設(shè)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(jù)《水閘設(shè)計規(guī)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(jīng)驗，下游防沖槽深度一般為（1.5～2.5）m，防沖槽內(nèi)的拋石數(shù)量可根據(jù)下游河床沖至最深時，塊石可能坎塌的情況而定。此次設(shè)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(xiāng)縣橫市鎮(zhèn)，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(shè)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(shè)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(jīng)有較大的水深。水閘自1982年運行至今，其中經(jīng)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(jié)語

經(jīng)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(shè)阻尼反饋系統(tǒng)（滾輪、連桿機構(gòu)），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(guān)蓄水的目的，使上游水位始終保持在要求的范圍內(nèi)。

根據(jù)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(yīng)設(shè)計洪水標準時，洪水位已達到甚至超過設(shè)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(chǎn)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(yīng)特別注意這一點。

經(jīng)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(diào)整開啟度而逐步增減下泄量，其變化過程非常平穩(wěn)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(yīng)從水力自控翻板閘的特點、設(shè)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(fā)揮作用。