國外對閘門下吸力的研究與計算探討

李潤芝 易偉

動水關(guān)閉或開啟的閘門處于局部開啟位置時，由于閘門底面水流流速較高，使得底面的局部壓力降低，由此而產(chǎn)生的上部與底部的壓力差，即是計算閘門啟閉力時的下吸力。下吸力是影響閘門啟閉力的重要因素，特別是高水頭閘門，目前下吸力基本都是通過經(jīng)驗公式及模型試驗確定。國內(nèi)外針對下吸力已經(jīng)做過不少模型試驗及研究，但從資料看，試驗方法類似，但側(cè)重點和結(jié)論及計算所使用的經(jīng)驗公式還是存在差異的。

1 日本關(guān)于下吸力的研究與計算

日本《閘門及壓力鋼管技術(shù)規(guī)范》中下吸力采用如下公式計算：

其中Fu——底部泄流引起的下吸力，t；

K2——下吸力系數(shù)（由試驗確定）；

γo——水的容重，t/m3；

Hd——設(shè)計水深，m；

A——受壓面積，m2。

由式（1）可見日本規(guī)范雖然提供了計算經(jīng)驗公式，但K2是仍需要通過試驗或從以往類似閘門設(shè)計獲得的系數(shù)，因我們對日本相關(guān)試驗或設(shè)計資料的缺乏，使得這個公式很難直接使用。因此，設(shè)計與日本規(guī)范相關(guān)的工程時，在設(shè)計前期，可以從日本已經(jīng)完成的關(guān)于下吸力的試驗中，參考相應(yīng)下吸力系數(shù)，并保守估算。

日本三菱公司對高水頭閘門下吸力進行的試驗研究[1]，其目的主要為研究閘門結(jié)構(gòu)與下吸力的關(guān)系。試驗根據(jù)如圖1 所示的進水口布置分別對如圖2 所示閘門的14 種不同底緣型式的下吸力特性進行了研究。

圖1 進水口布置

圖2 用于模型試驗的進水口閘門底緣型式

通過閘門各開度下試驗測得的下吸力，按照公式（2）計算出下吸力系數(shù)：

式中Cd——下吸力系數(shù)；

b——閘門寬度；

t——閘門厚度；

Δp——閘門底部的壓力下降值；

vj——閘門下游出流的流速（采用Naudascher's的數(shù)據(jù)）；

F——下吸力；

g——重力加速度。

圖3～圖5 為其試驗所得下吸力特性結(jié)果，其下吸力系數(shù)可用于估算類似閘門的下吸力。從結(jié)果可以看出不同底緣型式的閘門對下吸力的影響很大。該試驗所提出的關(guān)于閘門結(jié)構(gòu)與下吸力關(guān)系的結(jié)論，在設(shè)計類似布置閘門結(jié)構(gòu)時有一定參考價值。

圖3 取水口閘門下吸力特性（1/3）

圖5 取水口閘門下吸力特性（3/3）

（1）底緣型式對下吸力的影響。相比較閘門①，閘門⑧A 的下吸力減少了1/3.2，閘門⑨B 的下吸力減少了1/2.9，由此可見，底緣型式對下吸力的影響還是比較大。

（2）最大下吸力與傾斜角度。圖2 中的α是傾斜角度，θ是底緣傾角。當(dāng)θ=0 時，最大下吸力幾乎取決于傾角α。傾角α越小，則下吸力越大。

（3）下吸力與突緣長度之間的關(guān)系。當(dāng)閘門的突緣長度布置結(jié)構(gòu)使得θ/α在0.6～0.7之間時，閘門的下吸力是最小的。

2 美國關(guān)于下吸力的研究與計算

美國規(guī)范ETL 1110-2-584 中規(guī)定，閘門下吸力可采用EM 1110-2-1602 及其參考文獻來確定。有關(guān)確定下吸力影響的其它出版資料可由美國陸軍工程師團水力設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（HDC）清單320-2 到320-2/3，Sagar與Tullis 論文（1979）和Sagar 論 文（1977a，1977b，1977c）獲取。

圖4 取水口閘門下吸力特性（2/3）

美國水力技術(shù)出版社出版的《Hydraulic downpull forces on large gates》[2]論述了對San Luis 大壩5.33 m×6.98 m-83.2 m 泄水建筑物事故閘門的下吸力進行的研究，其作者說明這是美國肯務(wù)局開展的一項長期計劃之一，其計劃是對上、下游止水，鏈輪和定輪閘門的各種底緣形式與下吸力關(guān)系進行研究，并最終把下吸力特征概括成一個表，以便在類似型式的閘門設(shè)計中使用。

本文筆者未收集到美國肯務(wù)局所總結(jié)的各類閘門的下吸力特性表，也不在此列舉更多的試驗，因參考文獻〔3〕詳細說明了如何通過公式計算下吸力，其公式的推算及采用大多基于美國關(guān)于下吸力的試驗。因此建議在采用美國規(guī)范設(shè)計的工程中，可參考本文第3 節(jié)的公式對下吸力進行計算。

3 其他國外計算方法

《Design of Hydraulic Gates》2ndEdition[3]一書中，比較全面的論述了下吸力，并詳細例舉了下吸力的計算方法，主要介紹其中內(nèi)容如下。

3.1 下吸力的產(chǎn)生

此書作者認為當(dāng)閘門布置如圖6 所示，閘門局部開啟時，由于閘門底面有高速水流流過，使得底面的局部壓力降低，流體的靜學(xué)平衡狀態(tài)被打破，在閘門附近和管道里測得的壓力是非均勻分布的，即產(chǎn)生下吸力。當(dāng)閘門布置如圖7 及圖8 所示，弧形閘門及面板在上游側(cè)的垂直起升的閘門則不會產(chǎn)生下吸力。

圖6 平面閘門局部開啟（面板設(shè)于下游）

圖7 弧形閘門部分開啟

圖8 平面閘門局部開啟（面板設(shè)于上游）

3.2 影響下吸力的因素

此書提出，通過對各種水利模型的試驗數(shù)據(jù)進行研究，結(jié)果表明下吸力是閘門上游總水頭、閘門橫截面面積、閘門開度及一系列影響因素的函數(shù)，主要包括：

（1）閘門底部的幾何形狀：傾斜角，上游閘門底部邊緣的彎曲半徑，在底部水平梁下面邊緣擴展長度（突緣）等。

（2）頂止水向下的投影寬度。

（3）閘門部分開啟時，閘門和閘門井之間的間隙。

（4）閘門厚度。

（5）閘門井在下游胸墻的凹槽深度。

3.3 利用公式計算下拉力

此書推薦采用Naudascher，Kobus 和Rao 在他們的論文（高水頭單葉閘門的流體動力學(xué)分析）中確定的閘門下吸力的分析方法，該方法是基于閘門的幾何參數(shù)和閘門下部收縮水流的流速。根據(jù)作者的闡述，下吸力的主要部分是由沿著閘門頂部和底部的平均壓力水頭的分布差引起的，可以用下面的公式計算：

式中KT、KB——表示頂部和底部下吸力系數(shù)；

B——閘門的寬度（如圖9 所示），m；

d——閘門的厚度（如圖9 所示），m；

圖9 隧洞進口閘門幾何參數(shù)

γ——水容重，t/m3；

vj——閘門下部收縮水流的流速，m/s。

下吸力系數(shù)KT、KB及vj，參考文獻[3]有詳細講解計算方法。

4 不同方法計算結(jié)果比較：

以參考文獻[3]中的例題為參考：

已知，孔口尺寸5.5 m×7.7 m，設(shè)計水頭25.75 m，最大流量150 m3/s，閘門布置如圖10 所示，計算閘門下吸力。

圖10 閘門布置圖（單位：mm）

參考文獻[3]計算結(jié)果為：閘門在開度為20%時的下吸力最大，約為580 kN；在開度為0.2%時下吸力約為100 kN。

按公式（1）日本規(guī)范計算，根據(jù)圖2 閘門底緣接近⑤閘門，下吸力系數(shù)Cd按圖5 取，開度在20%時，y/l=1.33，近似取Cd=0.17，則閘門在開度為20%時的下吸力約為270 kN。最大下吸力發(fā)生在開度80%時，下吸力系數(shù)近似取Cd=0.35，下吸力約為570 kN。

在不考慮流態(tài)、通氣等有利條件，按照中國規(guī)范SL 74—2019 中的下吸力計算公式，計算下吸力值約為126 kN。

5 結(jié) 語

從本文所列國外對閘門下吸力試驗的研究及計算方法，可以看出不同國家的研究有共同點也存在差異，與中國規(guī)范規(guī)定相比，國外的計算考慮因素更為全面。另外本文僅就下吸力進行了簡略介紹，在確定閘門啟門力或持住力時，下吸力應(yīng)同時結(jié)合開度與其他阻力綜合考慮。

對高水頭閘門下吸力的計算，中國規(guī)范SL 74—2019《水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范》 已有所修訂，提出“高水頭閘門動水閉門時，下吸力強度可能會超過規(guī)范推薦的下吸力強度設(shè)計值。對于閘門為下游面板，下游側(cè)底、側(cè)止水此類結(jié)構(gòu)布置型式，動水下門持住力計算時下吸力應(yīng)綜合分析后確定。必要時，下吸力應(yīng)進行專門研究”，規(guī)范雖未對高水頭或下游面板止水布置的閘門的下吸力給出明確計算方法，但已經(jīng)提出應(yīng)特別注意。

希望本文的介紹能夠拋磚引玉，引起廣大同仁對閘門下吸力的重視及研究，不妥之處，盡請商榷。