軌道式自動擋潮閘研究

孔令岑，王效涵，韓雅楠，周 靚，董小花，胡秀華，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.濱州市引黃灌溉管理服務(wù)中心，山東 濱州 256603；3.泰安市水利局，山東 泰安 271000）

1 項目背景及研究意義

我國水資源年內(nèi)、年際分布不均勻，在我國北方一些河流隨季節(jié)年際變化大，常有年份無洪水出現(xiàn)，在此河段上安裝帶有啟閉設(shè)備的閘門則會存在設(shè)備利用率低的問題，所以依靠水力作用來實現(xiàn)閘門啟閉的閘門應(yīng)運(yùn)而生。本章所研究的軌道式自動擋潮閘門是在普通水力自動翻板閘門的基礎(chǔ)上，進(jìn)行創(chuàng)新和改進(jìn)所形成的一種新型水力自動閘門，相比普通的水力自動閘門，此新型水力自動閘門結(jié)構(gòu)更簡單、運(yùn)行安全可靠、綠色環(huán)保，不會產(chǎn)生泥沙淤積的問題。其研制有利于我國水工事業(yè)的發(fā)展，進(jìn)一步為自動擋潮裝置的優(yōu)化提供技術(shù)參考。

2 閘門設(shè)計及工作原理

2.1 裝置設(shè)計

本文所研究的模型設(shè)計簡單，制作方便，模型長150 cm，寬30 cm，高40 cm，閘門高25 cm，寬20 cm，所用材料為亞克力板，模型主要由配水箱、泄水槽、閘門、軌道等組成，其具體組成如圖1、圖2 所示。

2.2 工作原理

如圖1 所示，本文所研究的軌道式自動擋潮裝置由上游配水箱進(jìn)水管、上游配水箱、泄水槽進(jìn)水口、滾軸支座、閘門主面板、閘門底板、上軌道、下軌道、泄水槽、泄水槽出水口、下游配水箱進(jìn)水管、下游配水箱、泄水槽底板及橫梁組成。本文所進(jìn)行的模型實驗中，泄水槽為向下游傾斜的連接河水與海水的通道，在實際工程運(yùn)用中對地形的選擇具有一定的要求，其主要作用為宣泄河水，防止海水向內(nèi)陸回流倒灌。在進(jìn)行模型實驗時，通過配水箱進(jìn)水口向配水箱中輸水，上游配水箱中加入清水用來模擬河水，下游配水箱中加入清水后滴加若干滴墨水用來模擬海水，上下游配水箱及泄水槽頂部均為開口狀態(tài)用來模擬天然河流與海洋；在泄水槽上方布置一條橫梁可用來安置流速儀等設(shè)備，從而測定過流斷面的流速。普通的水力自動翻板閘門是通過繞軸轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)閘門的開啟和關(guān)閉，此水力自動閘門則是利用軌道來實現(xiàn)閘門的啟閉。

如圖2（a）所示，在閘門主面板及閘門底板兩側(cè)加止水片用來防止閘門側(cè)身漏水，同時還能起到減小摩擦的作用；在閘門主面板下方安裝底板，用來減小波浪的沖擊力，防止海水倒灌，通過分析認(rèn)為閘門主面板和閘門底板為一體式結(jié)構(gòu)時抵抗波浪的能力更強(qiáng)，故本裝置中閘門主面板和閘門底板采用一體式結(jié)構(gòu)；在閘門主面板上方安置軟塑料材質(zhì)的閘門頂板用來保護(hù)閘門，減小外部環(huán)境對閘門的磨損。如圖2（b）所示，在閘門與軌道之間安裝滾軸支座用以兩者之間的鉸接，使閘門在軌道上能更順利地移動，減少閘門與軌道之間的摩擦。

圖2 閘門設(shè)計圖

模型工作時通過輸水管向上下游配水箱中分別加入一定的水量，當(dāng)閘門上游水位較高，閘門受力達(dá)到極限平衡狀態(tài)，若再向上游配水箱加水，則閘門沿著軌道向下游移動，如圖1（a）所示，閘門主面板豎直，上下軌道水平，閘門向下游移動時，閘門底板與泄水槽底板之間的縫隙越來越大，從而完成泄水工作。當(dāng)閘門下游水位較高，閘門受力達(dá)到極限平衡狀態(tài)，若再向下游配水箱加水，則閘門沿著軌道向上游移動，將閘門推回上游位置，從而起到自動擋潮泄洪的作用。

圖1 軌道式自動擋潮裝置示意圖

作用在閘門上的主要荷載有：閘門的自重G，閘門面板及底板上游面、下游面和底緣所受水壓力的合力：Fp1、Fp2、Fp3、Fp4、Fp5、Fp6，軌道對閘門的支持力Fn，以及軌道與閘門之間的摩擦力fn1、fn2。如圖3 所示。

圖3 閘門受力圖

如圖3 所示，該模型裝置工作時，閘門在自重G，所受水壓力的合力Fp1、Fp2、Fp3、Fp4、Fp5、Fp6，受到的支持力Fn，所受的摩擦力fn1、fn2的作用下達(dá)到平衡，當(dāng)閘門受力達(dá)到極限平衡狀態(tài)時閘門的移動由上下游水位的高低來決定。該裝置利用力學(xué)平衡的原理來控制閘門的移動；裝置利用上下游水位的高低來達(dá)到自動擋水擋潮的目的。閘門面板下側(cè)的底板可以抵擋波浪的沖擊力，起到消能的作用，從而減弱海水倒灌的程度。

3 閘門擋水擋潮效果

3.1 實驗一：研究閘門上游擋水效果

在模型上下游的配水箱中分別加入一定量的水，實驗時下游所加水量明顯低于上游的加水量，此時閘門處于靜態(tài)的平衡狀態(tài)，然后持續(xù)緩慢地向閘門上游配水箱中加水，直到閘門沿著軌道向下游移動時停止加水，測出此時的極限水位差ΔH，進(jìn)行多次實驗，對得到的多組水位差ΔH取平均值作為最終的實驗結(jié)果，此平均值水位差即能反應(yīng)出閘門上游的擋水能力。實驗效果如圖4 所示。

圖4 閘門擋水實驗效果圖

按照上述方法進(jìn)行實驗，測出平均水位差ΔH約為5 cm，通過計算可知當(dāng)上游水壓力大于下游水壓力約300 Pa 時，閘門向下游移動，認(rèn)為該模型閘門擋水效果較好。

3.2 實驗二：研究閘門下游擋潮效果

在模型閘門的兩側(cè)加入水，下游一側(cè)加入幾滴墨水來模擬海水，上游一側(cè)加入清水來模擬河水，利用軟水管震蕩閘門下游一側(cè)的墨水來模擬海水在波浪、風(fēng)力作用下的來潮現(xiàn)象，通過觀察閘門兩側(cè)水的匯流情況來反應(yīng)海水的倒灌程度以及擋潮效果。

按照上述方法進(jìn)行實驗，通過圖5、圖6 可以看出在閘門兩側(cè)兩種類型的水具有較為明顯的界線，本文中認(rèn)為該模型閘門下游擋潮效果較好。

圖5 閘門擋潮實驗側(cè)視圖

圖6 閘門擋潮實驗俯視圖

3.3 實驗三：研究閘門底板抵抗波浪力的效果

設(shè)置對照組實驗A 和實驗B，A 組實驗取下閘門底板，在模型閘門的兩側(cè)加入水，下游一側(cè)加入帶有墨水的自來水，上游一側(cè)加入清水，分別用以模擬海水和河水，觀察閘門兩側(cè)不同類型的水的匯流情況；B 組實驗安裝上閘門底板，然后重復(fù)A 組實驗的步驟形成對照實驗。最后分別觀察閘門兩側(cè)不同類型的水的匯流情況，從而可以反映出閘門底板抵抗波浪力的效果。

按照上述方法進(jìn)行實驗，如圖7、圖8 所示，發(fā)現(xiàn)安裝閘門底板時，閘門底端的墨水向上游入侵的程度弱，這反應(yīng)安裝閘門底板可以起到一定的消能作用，從而防止海水入侵，使海水與河水的交界線向海洋一側(cè)遷移，有利于人類的生產(chǎn)生活。

圖7 安裝底板擋潮效果圖

圖8 不安裝底板擋潮效果圖

4 與其他類型閘門對比

本文中將研究的軌道式自動擋潮閘門與目前社會上存在的傳統(tǒng)類型的閘門、自動啟閉的懸掛式閘門、鉸式閘門相比較，建立數(shù)學(xué)評價模型，利用層次分析法，通過查閱資料，問詢專家老師意見，從閘門的自動化程度、抵抗波浪能力、抵抗風(fēng)力能力3個方面給出評價的判斷矩陣，對閘門進(jìn)行評價。

首先建立層次分析系統(tǒng)，確定目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、方案層，然后確定出分析系統(tǒng)中各因素之間的關(guān)系，建立系統(tǒng)的遞階層次結(jié)構(gòu)，如圖9 所示。

圖9 層次分析結(jié)果樹狀圖

對于同一層次的各元素關(guān)于上一層次中某一準(zhǔn)則的重要性進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造出評價判斷矩陣，具體見表1-表3。

表1 閘門自動化控制程度判斷矩陣

表2 閘門抵抗波浪力能力判斷矩陣

表3 閘門抵抗風(fēng)力能力判斷矩陣

根據(jù)以上評價判斷矩陣，利用算術(shù)平均法、幾何平均法和特征值法對矩陣進(jìn)行計算，對3 種方法取平均值并進(jìn)行歸一化處理作為最終理論結(jié)果見表4。

表4 各閘門準(zhǔn)則層歸一化平均分

通過以上建立的數(shù)學(xué)評價模型可以得出結(jié)論：本文所研究的軌道式自動水力閘門在自動化程度、抵抗波浪力能力、抵抗風(fēng)力能力方面較其他類型閘門都具有較大的優(yōu)勢。

與傳統(tǒng)的擋潮閘門相比，本文研究閘門最大的特點就是自動控制，利用上下游的水位差來控制閘門的移動，當(dāng)上游水位較高時，閘門向下游移動，用以宣泄洪水；當(dāng)下游水位較高時，閘門向上游移動，防治海水入侵。不但可以對上游積水及時疏放，還可以有效地防止海水倒灌。與鉸式水動力自動翻倒式擋潮閘門相比，本文所研究的閘門可以有效消除波浪作用力對上下游兩側(cè)水位差的動態(tài)影響，有效緩解波浪作用力。與懸掛形式的水力自控閘門相比，本文所研究的閘門可以消除風(fēng)力的影響。相信一旦投入實際應(yīng)用中一定會帶來巨大的效益。

5 結(jié)束語

本文所研究的軌道式自動擋潮閘門可以實現(xiàn)自動控制，工作時無須人工操作，簡單方便，解決了傳統(tǒng)擋潮閘費(fèi)時費(fèi)力，不利于推廣的問題。本裝置集傳統(tǒng)擋潮閘門、懸掛式、鉸式閘門優(yōu)點于一體，結(jié)構(gòu)簡單，工作綠色環(huán)保，充分體現(xiàn)了智慧水利的特點，適合在廣大沿海地區(qū)推廣使用，可為新型水利設(shè)備的設(shè)計及改進(jìn)提供參考。