水力自動(dòng)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(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院，山東 泰安 271018；2.津瑞土地發(fā)展有限公司,山東 東營(yíng) 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(shí)作為一種水利景觀樞紐，采用節(jié)能環(huán)保的運(yùn)行方式，應(yīng)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(jī)、啟閉室，造價(jià)較高，操作繁瑣；而水力自控翻板閘門基于它結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，可依靠上游來水的作用力自動(dòng)啟閉，節(jié)省能源、造價(jià)低廉，兼有泄洪、蓄水功能，在國(guó)內(nèi)外運(yùn)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(fù)雜；閘板處于下泄水流中，嚴(yán)重?cái)_亂了水閘的泄水能力；閘門在運(yùn)行中出現(xiàn)周期性來回拍擊支墩或壩坎的“拍打”現(xiàn)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(yīng)運(yùn)而生。李利榮、郭鵬等[1～2]通過理論計(jì)算、模型試驗(yàn)研究了水力自動(dòng)滾筒閘門的動(dòng)水壓力、時(shí)均壓力、脈動(dòng)壓力以及流量系數(shù)、閘門開度；楊林等[3]研究分析雙向翻轉(zhuǎn)弧形閘門的過流方式、綜合流量系數(shù)規(guī)律以及過流能力；郭芮等[4]總結(jié)出平面弧形雙開閘門不同開啟方式下的閘下水流流動(dòng)的特性。為了彌補(bǔ)水力自控翻板閘門的不足，本文提供一種水力自動(dòng)浮移式閘門，閘門依靠上游水位的高低自動(dòng)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(dòng)浮移式閘門作為一種新型水工閘門，國(guó)內(nèi)外尚缺乏對(duì)該閘門水流特性的試驗(yàn)分析。本文對(duì)水力自動(dòng)浮移式閘門進(jìn)行模型試驗(yàn)，觀測(cè)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(shù)之間的關(guān)系。

1 水力自動(dòng)浮移式閘門結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 水力自動(dòng)浮移式閘門的結(jié)構(gòu)組成及工作原理

水力自動(dòng)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(dòng)浮移式閘門示意圖見圖1、圖2。

圖1 水力自動(dòng)浮移式閘門正視圖

圖2 水力自動(dòng)浮移式閘門I-I 剖面圖

水力自動(dòng)浮移式閘門的閘室由閘墩和閘底板構(gòu)成。閘門為具有一定剛度、強(qiáng)度的材料，閘門自重根據(jù)上游設(shè)計(jì)水位及泄水要求確定。軌道通過錨固結(jié)構(gòu)固定在滾輪槽內(nèi)；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(shè)置有止水，可有效進(jìn)行止漏；在閘門與閘墩之間的滾輪槽內(nèi)設(shè)置有液壓減振裝置，可減緩閘門的振動(dòng)，采用活塞工作原理，以防止閘門在工作中產(chǎn)生較強(qiáng)烈振動(dòng)，保證閘門工作的穩(wěn)定性。

水力自動(dòng)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(dòng)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(dāng)上游水位上升至啟門水位時(shí)，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(dāng)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(shí)，閘門停止上移，處于平衡狀態(tài)；當(dāng)上游水位上升到一定高度后，閘門開度達(dá)到最大值，待上游來水流量減小，水位下降后，閘門下移關(guān)閉。

1.2 模型及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)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(zhǎng)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(yàn)渠道上共設(shè)置8 個(gè)測(cè)量斷面，閘門上游和下游各4 個(gè)測(cè)量斷面，且斷面間隔100 mm，每一斷面設(shè)置5 個(gè)水位測(cè)點(diǎn)。試驗(yàn)中以來水流量為變量，通過閘閥調(diào)節(jié)流量，由電磁流量計(jì)顯示流量大小，分別測(cè)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(wěn)定時(shí)，測(cè)量閘門開度以及上下游水位。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 過閘水流流態(tài)

水力自動(dòng)浮移式閘門的水流過閘方式為閘孔出流。采用人工觀測(cè)的方法對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析。

當(dāng)來水流量為25 m3/s, 閘門開度為1.2 cm 時(shí)對(duì)應(yīng)的水流流態(tài)見圖3。上游水面水流平穩(wěn)，無不良流態(tài)出現(xiàn)；下游水面靠近閘門處出現(xiàn)強(qiáng)烈紊動(dòng)，水面存在小旋滾，躍后水面較平穩(wěn)。

圖3 來水流量Q=25 m3/s 流態(tài)圖

當(dāng)來水流量為125 m3/s，閘門開度為6.7 cm 時(shí)對(duì)應(yīng)的水流流態(tài)見圖4。此時(shí)上游水流靠近閘門處的局部水位雍高，出現(xiàn)向上游擴(kuò)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(cuò)狀。閘門兩側(cè)的水流較為紊亂，下游距離閘門較遠(yuǎn)處開始出現(xiàn)水躍現(xiàn)象。

圖4 來水流量Q=125 m3/s 流態(tài)圖

當(dāng)來水流量為275 m3/s，閘門開度為13.4 m 時(shí)對(duì)應(yīng)的水流流態(tài)見圖5。上游水流頂托閘門，再次出現(xiàn)明顯的雍水現(xiàn)象，水波凸向下游；下游處中間渠道水流趨于平順，渠道兩側(cè)水流紊亂，類似于平面射流，呈菱形交錯(cuò)狀，隨著水流向下游中間渠道擴(kuò)散，水流逐漸平穩(wěn)。

圖5 來水流量Q=275 m3/s 流態(tài)圖

當(dāng)來水流量為25 m3/s、125 m3/s、275 m3/s 時(shí)，渠道斷面水位見表1。

表1 水力自動(dòng)浮移式閘門試驗(yàn)結(jié)果整理表

2.2 閘門開度與來水流量的關(guān)系

根據(jù)水力自動(dòng)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(duì)閘門施加的水壓力。在不同來水流量下測(cè)量水力自動(dòng)浮移式閘門開度，以得到閘門開度與來水流量的關(guān)系曲線見圖6。根據(jù)圖中的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)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(guān)系數(shù)為0.9924，回歸直線對(duì)觀測(cè)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(guān)性。在流量為300 m3/s 時(shí)，閘門開度已達(dá)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(guān)系曲線圖

2.3 過閘水面線

不同來水流量下，可調(diào)節(jié)水力自動(dòng)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(chǔ)上的流量增加中，水面線的上移趨勢(shì)明顯；同一流量下，閘門上下游的水面線整體較平穩(wěn)，閘門處水面線呈現(xiàn)單一下降趨勢(shì)。針對(duì)上游水面線的變化規(guī)律可知，當(dāng)流量為25 m3/s、50 m3/s 時(shí)，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(duì)于下游水面線的變化規(guī)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(dòng)浮移式閘門過閘水面線

3 結(jié)論

試驗(yàn)在不同來水流量的工況下，分別觀察并測(cè)量水力自動(dòng)浮移式閘門上下游水流流態(tài)、水位以及閘門開度，分析總結(jié)出水力自動(dòng)浮移式閘門的水流特性。結(jié)論如下：

1）隨著來水流量的增加，上游靠近閘門處出現(xiàn)不同程度的雍水以及回水現(xiàn)象；下游過閘水流較為平順，渠道中間水流較平順，渠道兩側(cè)水流紊亂，整體呈菱形交錯(cuò)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(guān)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(wěn)，均存在不同程度的雍水現(xiàn)象。在小流量下，流隨量增加，水位增幅較大，當(dāng)來水流量較大時(shí)，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(dòng)浮移式閘門的物理模型試驗(yàn)結(jié)論為該閘門的運(yùn)行使用提供一定的理論依據(jù)，同時(shí)可供該類新型閘門的設(shè)計(jì)改進(jìn)作為參考。