一種防淤型底軸驅(qū)動式翻板閘門

賀高年，劉細龍

（廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院，廣州510635）

1 底軸驅(qū)動式翻板閘門

底軸驅(qū)動式翻板閘門是一種隨底軸轉(zhuǎn)動的平板閘門，使閘門的受力結(jié)構(gòu)從常規(guī)的橫主梁變?yōu)榕c空口無關(guān)的縱向懸臂主梁受力結(jié)構(gòu)，門葉懸臂固端與底軸相連，閘門的啟閉由底軸旋轉(zhuǎn)直接驅(qū)動。使閘門的受力結(jié)構(gòu)從常規(guī)的橫主梁變?yōu)榕c空口無關(guān)的縱向懸臂主梁受力結(jié)構(gòu)，門葉懸臂固端與底軸相連，閘門的啟閉由底軸旋轉(zhuǎn)直接驅(qū)動。底軸通過軸承裝置固定在閘底坎上，底軸的兩端穿過閘墻，與布置在設(shè)備室的啟閉設(shè)備連接，由啟閉設(shè)備驅(qū)動底軸在一定范圍內(nèi)（一般為0°~90°）旋轉(zhuǎn)，帶動門葉翻轉(zhuǎn)，實現(xiàn)直立時可蓄水或擋洪潮（可單向或雙向）、臥倒時過水和便于通航，門葉臥倒時處于水下的門庫中，如圖1。

圖1 底軸驅(qū)動式翻板閘門

相比其他類型閘門，底軸驅(qū)動式翻板閘門具有可雙向擋水、調(diào)控水流、臥倒后船只可無阻礙通航的等優(yōu)點，且可門頂溢流形成人造瀑布、建筑整體外觀易于融入周邊景觀。另外除底軸外，門葉結(jié)構(gòu)不受孔口寬度的限制，適用于孔口寬度超大情況。

閘孔寬度較大的底軸驅(qū)動式翻板閘門，通常難以設(shè)置檢修閘門，需對水下部件（包括門葉結(jié)構(gòu)、底軸、軸承等）按照免維修、少維護的要求進行設(shè)計制造。

閘門的下游側(cè)一般設(shè)有門庫用于容納臥倒時的門葉，對于布置在平原地區(qū)、多泥沙河道的底軸驅(qū)動式翻板閘門，由于門庫處閘室斷面相對閘門上游側(cè)斷面增大，水流速度降低，又低于門坎，因而水中夾帶的泥沙易淤積處于門庫內(nèi)，門庫淤積問題應(yīng)倍加關(guān)注。為了解決門庫淤積問題，除閘底坎上游布置沉砂池、攔沙坎外，還應(yīng)在底坎下游布置高壓沖淤管道，此類沖淤系統(tǒng)將沖淤管道安裝在水閘底坎處，通過動力設(shè)備（沖淤泵）給管道提供高壓水流，高壓水流通過噴嘴射出作用于淤積處，使淤積的泥沙揚動懸浮，再借助河道自然水流將其輸送到下游河段，從而達到定期清除特定區(qū)域的淤積物，其缺點：一是設(shè)置沖淤設(shè)備增加了工程投資，二是需定期運行設(shè)備沖淤，增加運行管理的工作量和運行能耗，三是沖淤效果不好，尤其是門庫面積較大的工程。閘室淤積不及時清理將影響閘門的啟閉，因此在運行管理中必須加強淤積觀測，定時啟動沖淤裝置，必要時還應(yīng)采用清淤船或其他清淤設(shè)施及時清淤。

據(jù)了解，國內(nèi)有些工程出現(xiàn)了因淤積影響底軸驅(qū)動式翻板閘門的啟閉，發(fā)生危及船只通航和影響閘門安全運行的現(xiàn)象。

2 防淤型底軸驅(qū)動式翻板閘門

2.1 閘門基本結(jié)構(gòu)和防淤原理

防淤型底軸驅(qū)動式翻板閘門，是在常規(guī)底軸驅(qū)動式翻板閘門的基礎(chǔ)上增設(shè)一套節(jié)流裝置變化而成。節(jié)流裝置可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)底軸與閘底檻之間的間隙，利用閘內(nèi)、外水位差形成門底水流?？稍陂l門運行期間結(jié)合水閘泄流的需要，采用門底過流的方式對閘室進行沖洗，代替專用沖淤設(shè)備，利用可調(diào)節(jié)水流的動能沖淤，防止閘室淤積，保證閘門啟閉順暢，確保工程安全可靠運行。

2.2 節(jié)流裝置

2.2.1 固定式節(jié)流裝置

在底軸上設(shè)置固定的止水裝置如圖2，當閘門完全直立關(guān)閉時，止水裝置與底坎閉合無縫隙；當閘門開啟一定角度后止水裝置與底檻之間形成間隙，此時水流從間隙流出沖刷門庫。采用固定式節(jié)流裝置，結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)免維護，但閘門只在一定的角度內(nèi)，門底才可形成縫隙水流，且在閘門全關(guān)時才能達到閘門底部完全斷流，調(diào)節(jié)的范圍有限，而且在沖淤時可能出現(xiàn)門頂溢流的情況，此工況下流態(tài)復(fù)雜，容易引起振動。

2.2.2 活動式節(jié)流裝置

止水裝置通過軸承安裝底軸上并可繞底軸轉(zhuǎn)動，其驅(qū)動可采用連桿結(jié)構(gòu)；也可安裝在底坎上，如圖3，采用轉(zhuǎn)動或伸縮結(jié)構(gòu)?；顒邮焦?jié)流裝置獨立于閘門的啟閉機機構(gòu)，故其沖淤操作較為靈活。但活動式節(jié)流裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、部件多、長期處于水下，不易檢修且難于實現(xiàn)免維護。

3 翻版閘門相關(guān)試驗

在升臥式翻板閘門研究和江新聯(lián)圍大洞口水閘工程的水工模型試驗中，針對翻板閘門門庫進行了門底水流沖淤試驗。沖淤試驗為單體模型試驗，模型截取單孔通航孔，閘上下游分別截取400m長河道。沖淤試驗對兩種不同方案進行對比，一種方案是目前較為普遍采用的沖淤措施，即利用沖淤泵和管道提供的高壓水流擾動底坎和門庫區(qū)域的淤泥； 另一種是本文提出的門底水流沖淤方案。

3.1 單體模型試驗

模型截取單孔通航孔，閘上下游分別截取400m長河道。閘門孔口寬度60m，上游水深5.1m，門庫底板比底檻高程低3.5m。根據(jù)潮流懸沙模型試驗確定了閘室內(nèi)最大淤積厚度60cm（門庫內(nèi)30cm厚，下游護坦60cm厚）。需要特別說明的是，試驗閘門為升臥式翻板閘門，其底部上游側(cè)為圓弧型，與底軸驅(qū)動式翻板閘門相似又略有不同。主要試驗成果如下：

3.2 沖淤泵方案試驗

間隔開啟沖沙孔時，沖沙孔出口流速從4m/s提升到12m/s，沖沙效果均不理想，閘門邊的底部淤沙，經(jīng)過2h沖刷后，沖沙不徹底，淤沙層沖刷成齒狀，說明沖沙孔的間距太大。沖沙孔全開時，沖沙效果有明顯改善。沖沙孔的出口流速4m/s時，沖沙效果不夠充分，近沖沙孔的閘門底部仍殘留15～20cm厚的淤沙；當沖沙孔出口流速達8m/s時，近沖沙孔的閘門底部，距沖沙孔1.5～2m的范圍內(nèi)，淤泥被完全沖散、揚起，并向閘門中部推移。模型還進行了潮位分別為-1.0，1.0m組次試驗，試驗顯示潮位的變化對沖沙效果影響不大。

3.3 底流沖淤方案

進行了多種水位組合和出口高度試驗。

派生于高斯消元法的因子表法[1-5]與LR[1,3-5]、LDU[1-2,4-5]、CU[4-5]三角分解法一樣，都是求解常系數(shù)方程組的經(jīng)典算法，因子表法中形成因子表的過程實際上就是含規(guī)格化的高斯消元法過程。由于因子表法與CU三角分解法計算過程非常相似，因此其計算過程更為簡單，計算速度也更快[6]，得到了廣泛地應(yīng)用。

（1）試驗1。閘門關(guān)閉時內(nèi)、外水位差0.2m、門底閘孔出流高度0.5m。試驗表明，門底泄流流量達84.3m3/s，經(jīng)1h（原體時間）沖沙后，閘室底板12m范圍內(nèi)的淤泥被完全沖刷干凈，淤泥推移至門庫下游。沖淤效果如圖3，圖5。

（2）試驗2。閘門關(guān)閉時內(nèi)、外水位差0.1m、門底與底檻水平間隙0.2m。試驗表明，門底泄流流量達28.10m3/s，閘室前緣淤泥被沖刷推移的最大距離4～5m。

圖4 沖淤泵8m/s出口流速沖沙效果

圖5 閘底水流沖沙效果（平面）

圖6 閘底水流沖沙效果

（3）試驗3。閘門關(guān)閉時內(nèi)、外水位差1.86m、門底與底檻水平間隙0.2m。試驗表明，門底泄流流量達84.3m3/s，經(jīng)2h（原體時間）沖刷后，閘室8～10m底板內(nèi)的淤泥被沖刷干凈，淤泥推移至門庫以外。

需要說明的是，試驗閘門為升臥式翻板閘門，其底部上游側(cè)為圓弧型，下游側(cè)為梁格結(jié)構(gòu)，與底軸驅(qū)動式翻板閘門相似又略有不同。

試驗效果表明，兩種沖淤方案都能達到預(yù)期要求。與沖淤泵抽水沖淤相比，采用門底全寬度連續(xù)水流沖淤，利用了河道下泄流量，動能足夠較大，沖淤效果更為節(jié)能和有效。當門底縫隙水流達到一定流速和流量時, 可在短時間內(nèi)將門庫區(qū)域內(nèi)淤泥沖洗干凈。而沖淤泵方案只能達到擾動門庫范圍內(nèi)的水體，并需定期進行沖淤擾動，以免門庫區(qū)域內(nèi)淤泥板結(jié)。

如采用水泵沖淤方式來得到同等的沖淤效果，需裝備大型水泵，不但增大工程投資，在運行期也將耗費相當大電能。如按相同與門底水流沖淤效果的試驗條件來計算電能，每次沖淤可節(jié)約電能4000kWh（按功率95kW、流量2m3/s的軸流泵等量水流沖淤進行計算）。

4 結(jié)語

防淤型底軸驅(qū)動式翻板閘門利用閘內(nèi)、外水位差形成門底水流，對門庫進行沖淤，解決了現(xiàn)有底軸驅(qū)動式翻板閘門需專設(shè)沖淤設(shè)備及沖淤效果不好等問題，可簡化工程布置和運行管理程序、降低運行能耗，減小工程投資并效保證閘門運行安全。

（1）節(jié)流最大間隙應(yīng)根據(jù)工程的實際情況確定。

（2）門底水流的振動對底軸及其軸承座的影響。

（3）無檢修條件的應(yīng)盡量采用固定式節(jié)流裝置。

（4）閘門實際運行下應(yīng)盡量避免門底、門頂同時過流，必要時應(yīng)進行專項試驗。