泥沙淤積對平面鋼閘門啟門力的影響

楊 洲，王遠(yuǎn)見，楊 飛，劉彥暉，楊 勇

（1.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.黃河水利委員會 黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003；3.水利部黃河下游河道與河口治理重點實驗室，河南 鄭州 450003）

1 引 言

多沙河流水庫底孔閘門多會出現(xiàn)泥沙淤積現(xiàn)象。江超等［1］對國內(nèi)幾十座水庫調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，閘門前存在淤積問題的水庫占41%，發(fā)生閘門啟閉事故的水庫占13%。因此，在修建水庫時，往往會采用閘門前設(shè)置泥沙淤積監(jiān)測裝置、各進水口集中分布、增加事故閘門、事故閘門前安裝沖淤設(shè)備、增加高壓沖水裝置、在發(fā)電尾水洞出口布置防淤閘、增建排沙洞等［2－4］預(yù)防泥沙淤堵，但當(dāng)出現(xiàn)高含沙水流或操作不當(dāng)時，閘門兩側(cè)仍可能發(fā)生顯著的泥沙淤積。泥沙淤積顯著增大了啟門力，會發(fā)生閘門“提不起來、落不下去”的問題，嚴(yán)重威脅工程安全。

Cowlitz Falls水庫閘門在1995年啟閉時被卡住產(chǎn)生振動，導(dǎo)致巨大的噪聲、閘門脫軌和卡死［5］。小浪底水庫2018年7月15日2號開啟孔板洞事故閘門檢修門槽時測量得到泥沙淤積厚度為7.18 m，在接到閘門全開的調(diào)度指令后，閘門提升自動流程開啟，卷揚啟閉機即超荷載停機（正常啟閉荷載為170 t，過載保護上限值為260 t）［6］，給工程安全帶來了極大風(fēng)險。此外，國內(nèi)外多個水利樞紐出現(xiàn)過排沙洞閘門前后嚴(yán)重淤堵的實例，見表1［7－12］。

表1 國內(nèi)外水庫排沙洞底孔發(fā)生淤堵的實例

盡管閘門前后的泥沙淤積普遍存在并常造成嚴(yán)重后果，但閘門啟閉力影響規(guī)律目前尚不清晰。清水條件下閘門啟閉過程中受力分析與計算方法均較為明確［12－13］?，F(xiàn)行《水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范》（SL 74— 2019）［14］中給出了平面閘門在清水中的啟門力計算公式，而對于閘門前有泥沙淤積的情況，提出計算啟閉力時應(yīng)做專門研究。除應(yīng)考慮水壓力外，還應(yīng)考慮泥沙影響，包括泥沙引起的支承、止水摩阻力，泥沙與閘門間的黏著力和摩擦力，門上淤積泥沙重力等。具體算法目前還沒有成熟、標(biāo)準(zhǔn)化的研究成果。

夏毓常［15］以三門峽水庫部分實測資料為依據(jù)，提出了泥沙淤積對閘門啟門力影響的估算方法，但在受力分析中未考慮下吸力，且單位面積上泥沙的附著力選用交通部打樁的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，未考慮泥沙粒徑的影響，導(dǎo)致該方法在計算中出現(xiàn)較大偏差；徐國賓等［16］在此研究基礎(chǔ)上，進一步完善了夏毓常提出的計算公式，在考慮下吸力的同時，將閘門前淤積泥沙考慮為粗細(xì)顆粒組成的賓漢體泥漿，其中粗顆粒之間的碰觸和相對滑動提供了摩擦剪切應(yīng)力，而細(xì)顆粒之間的絮凝作用在閘門開啟的瞬間提供了極限剪切應(yīng)力，該公式在受力分析上已較為完善，但在處理泥沙附著力時仍不能進一步區(qū)分不同粒徑泥沙的影響；蔡文剛等［17］對西鄭閘閘門啟閉力進行了原型試驗，認(rèn)為最大啟門力多發(fā)生在閘門剛開啟時，其原因是止水座不平直，局部止水橡膠擠壓過緊，導(dǎo)致摩擦力增大等，該研究在工程上有啟發(fā)意義，但缺乏精細(xì)的數(shù)值計算公式。

綜上所述，前人的研究在泥沙淤積條件下閘門啟門力計算公式上取得了一定進展，但是仍存在與實測資料吻合程度不高、未考慮泥沙粒徑影響等問題。本文通過理論分析及物理模型試驗，得出啟門力與泥沙粒徑及泥沙淤積厚度的關(guān)系，構(gòu)建了單雙面泥沙淤積條件下啟門力計算公式。

2 考慮泥沙淤積的啟門力計算公式

閘門存在兩面泥沙淤積時的受力情況如圖1所示。

由圖1可知，啟門力的理論計算公式為［16］

圖1 閘門雙面淤積的受力情況

式中：nT為摩擦阻力安全系數(shù)，通常采用1.2；n′為閘門自重安全系數(shù)，通常采用1.0～1.1。

除閘門自重G、外加壓塊重力Gj和靜水柱壓力Ws易于確定外，各分項力的計算方法［14，18］如下。

滑動軸承的支承摩阻力計算公式為

式中：P為水沙對軸承的水平壓力，kN；R為滾輪半徑，mm；r為滾輪軸半徑，mm；L為滾動摩擦力臂，mm；f1為滑動摩擦系數(shù)，取值范圍為0.12～0.14。

滾動軸承的支承摩阻力計算公式為

式中：R1為滾動軸承的平均半徑，mm；d為滾動軸承滾柱或滾珠的直徑，mm。

滑動支承摩阻力計算公式為

式中：f2為滑動摩擦系數(shù)，取值范圍為0.12～0.14。

止水摩阻力計算公式為

式中：f3為滑動摩擦系數(shù)，取值范圍為0.12～0.14；Pzs為作用在水封上的水沙水平壓力，kN。

下吸力計算公式為

式中：Lzs為閘門底緣止水至主梁下翼緣的距離，m；Bzs為兩側(cè)止水距離，m；px為閘門底緣Lzs部分的平均下吸強度，根據(jù)國內(nèi)原型試驗資料，可按20 kN／m2考慮，當(dāng)流態(tài)良好、通氣充分時，可適當(dāng)減小［14］；ξ′為底緣真空度系數(shù)。

ξ′反映外界補氣情況，并認(rèn)為閘門底緣傾角為零時，底緣不能和外界發(fā)生氣體交換，而現(xiàn)實中閘門底部并不能完全密封。淤積泥沙的級配和黏性顆粒的絮凝狀態(tài)決定了淤積物的滲透性，開啟瞬間形成的閘門底部真空狀態(tài)需要淤積物中的水分通過滲透進行填充，使得閘門底部與底檻接觸的封閉程度隨著淤積物的厚度和滲透性發(fā)生改變。因此，可以認(rèn)為單面淤積時，閘門底部與底檻接觸的封閉程度基本不受淤積物影響，此時ξ′＝0；閘門前后雙面淤積時，ξ′與淤積物厚度成正比，與淤積物滲透系數(shù)成反比，可寫為

式中：f4為待定系數(shù)；h為雙面淤積厚度；K為淤積物滲透系數(shù)。

根據(jù)實測資料顯示，在門前有泥沙淤積的情況下，啟門力的最大值出現(xiàn)在閘門開啟的瞬間［7］。原因是門前泥沙長時間處于淹沒狀態(tài)，屬于賓漢體泥漿。在閘門開啟的過程中，粗泥沙顆粒與閘門之間的碰撞和相對滑動產(chǎn)生了摩擦力，渾水中的細(xì)顆粒（粒徑d＜0.01 mm）的絮凝作用產(chǎn)生了極限剪切力［16］。泥沙對閘門的附著力［16］可表示為

式中：τ1為粗泥沙與閘門間的摩擦力，kN；τ2為細(xì)泥沙產(chǎn)生的極限剪切力，kN；f為摩擦系數(shù)；Ps為淤積泥沙的壓力，kN；τB為細(xì)泥沙產(chǎn)生的極限剪切應(yīng)力，kN／m2；D為泥沙與閘門的接觸面積，m2。

作用在壩、水閘等擋水建筑物上的淤積泥沙水平壓力標(biāo)準(zhǔn)值［19］計算公式為

式中：b為閘門的寬度，m；γsb為泥沙的浮容重，kN／m3，γsb＝γsd－（1－e）γw，γsd為泥沙的干容重，kN／m3，γw為水的容重，kN／m3，e為泥沙的孔隙率；hs為擋水建筑物前泥沙淤積厚度，m；φ為泥沙的內(nèi)摩擦角，（°），對于淤積時間較長的泥沙φ＝18°～20°，對于較細(xì)的黏土泥沙φ＝12°～14°，對于極細(xì)泥沙φ＝0°［20］。

細(xì)顆粒泥沙提供的極限剪切應(yīng)力［21］計算公式為

式中：CV為泥沙體積濃度；CVm為極限泥沙體積濃度；CV0為牛頓體與非牛頓體的分界體積濃度，CV0＝

綜上所述，考慮各分項計算公式，可將閘門啟門力計算公式（1）表征為單／雙面淤積厚度h（其中雙面淤積僅考慮兩面淤積厚度相同的情況）的計算公式：

其中

式中：Pw1、Pw2分別為閘門上、下游水壓力。

3 物理模型試驗

采用物理模型試驗驗證式（11）的合理性。

3.1 試驗設(shè)備與試驗設(shè)計

試驗設(shè)備包括水箱、可編程邏輯控制器（PLC）、電動推桿、攪拌器、平面鋼閘門、傳感器等。試驗裝置如圖2所示，試驗水箱長2.0 m、寬0.50 m、高1.0 m；電動推桿電壓為24 V，行程為600 mm，速度為5 mm／s，推力為7 000 N；通過PLC控制器進行閘門的提升和下降。PLC控制器具有拉力控制、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)記錄的功能。

圖2 物理模型試驗裝置

物理模型試驗用沙粒徑組成見表2。

表2 物理模型試驗用沙粒徑組成

選取2個泥沙中值粒徑、6個淤積厚度、2個淤積時長，以及單、雙面淤積對照，共組合安排試驗組次44組，見表3。

表3 物理模型試驗組次安排

3.2 試驗結(jié)果

閘門開啟試驗中，PLC控制器可實時讀取、記錄啟門力。各組次試驗結(jié)果均表明，啟門力會隨著時間迅速增大至一峰值，此時閘門底部抬起，然后啟門力逐漸回落至一穩(wěn)定值（見圖3，以第3組次試驗結(jié)果為例，即泥沙中值粒徑為0.06 mm，雙面淤積3 h，淤積厚度為7.5 cm）。此啟門力峰值在工程應(yīng)用上具有重大意義，逐一記錄各組次試驗該峰值并進行數(shù)值擬合，結(jié)果如圖4所示。

圖3 閘門開啟過程啟門力變化曲線

圖4 各組次試驗中啟門力峰值與淤積厚度的關(guān)系

由圖4可以得到泥沙中值粒徑為0.20 mm對應(yīng)的啟門力擬合公式：

式中：h為淤積厚度，m。

由圖4可以得到泥沙中值粒徑為0.06 mm對應(yīng)的啟門力擬合公式：

由圖3、圖4和上述擬合公式可以得到如下結(jié)論：①啟門力的最大值發(fā)生在閘門提動的瞬間，隨著閘門被提起，啟門力迅速下降；②同一泥沙中值粒徑和同一淤積厚度下（無論單雙面淤積），淤積時間越長，啟門力越大；③同一泥沙中值粒徑和淤積時長條件下，無論單雙面淤積，啟門力和淤積厚度均為線性函數(shù)關(guān)系，與理論推導(dǎo)的二次函數(shù)不同，原因可能是二次函數(shù)所代表的粗泥沙與閘門的摩擦力、滑動支承摩阻力和止水摩阻力相比其他力來說為顯著小量；④同一泥沙中值粒徑和淤積時長條件下，平面鋼閘門發(fā)生雙面泥沙淤積時的啟門力相較于單面泥沙淤積的啟門力顯著增大。對比擬合公式，相同條件下雙面淤積啟門力擬合公式的一次項系數(shù)為單面淤積的2倍以上，與理論推導(dǎo)結(jié)論一致。

4 結(jié) 語

本文基于理論分析，針對下吸力項和泥沙對閘門的附著力項進行了有效改進，建立了考慮泥沙單雙面淤積條件下水庫平面鋼閘門啟門力的計算公式，表明啟門力與泥沙淤積厚度為二次函數(shù)關(guān)系，且雙面淤積條件下啟門力將顯著增大。通過開展物理模型試驗進一步發(fā)現(xiàn)：①平面鋼閘門啟門力與泥沙淤積厚度為線性關(guān)系，式（11）中的二次項相比一次項和常數(shù)項在試驗條件下可以忽略；②雙面淤積相比單面淤積所需的啟門力顯著增大，相同條件下雙面淤積啟門力擬合公式一次項的系數(shù)為單面淤積的2倍以上，與理論推導(dǎo)結(jié)論一致。該研究成果可為泥沙淤積條件下平面鋼閘門啟門力計算提供理論和試驗參考。