一种围海绿色全自动水闸的水力试验

吴钧辉，秦 鹏，张雄杰，励 泽，郦肖雪，叶晓帆，刘 港

(1.浙江水利水电学院 水利与环境工程学院，浙江 杭州 310018；2.福州大学 土木工程学院，福建 福州 350108)

0 引言

我国海洋开发历史悠久，20世纪90年代后，海洋经济已逐渐成为沿海地区经济发展的新增长极，其中沿海旅游业是带动地区经济发展的重要环节，但是我国许多沿海海域水质浑浊、水体景观较差，严重制约地区高端沿海旅游项目的开发[1-2]。现有技术一般采用围海的方式使水体清澈，即首先围海建成一个相对封闭的水域，使得该相对封闭水域内的海水中的泥沙沉淀，再累计一定时间后清淤，从而形成一个相对清澈的封闭水域。目前传统的围海技术主要有“潜坝围海技术”和“堤坝+水闸围海技术”两种，新型的围海方式有浙江大学和国家海洋局第二海洋研究所联合研发的“双闸门水闸围海技术”，但这些围海技术存在以下两个问题：(1)围海闸门控制消耗电能、人力；(2)围区泥沙淤积[3-6]。

针对现有围海技术存在的诸多问题，提出一种新型围海绿色全自动水闸(发明专利授权号：CN105200962B)[7]，本文通过力学计算对闸门的工作机理进行分析，并利用水力试验对闸门净化水质效果进行检验，以期为净化围海区域水质提供了一种新的技术方案。

1 装置结构及运行原理

1.1 装置构造

围海绿色全自动水闸由一个或多个水闸单元框架、上部内开闸门、下部外开闸门组成，每个水闸单元框架上下两个闸门在围内水面和外海水位的作用下，可绕闸门轴实现单向开启[6]。围海绿色全自动水闸的剖面结构(见图1)，三维结构图(见图2)。

图1 围海绿色全自动水闸剖面结构图

图2 围海绿色全自动水闸三维结构图

1.2 运行原理

围海堤坝绿色全自动水闸为上下两层闸门对向开启的结构方式，即上闸门只能向内区开启，下闸门只能向外区开启，在闸门自重和双向水流的作用下，闸门实现全自动运行，不耗费任何电能、人力，节省了大量的工程运行及维护成本。

(1)涨潮时，外海区水位高于围区内水面时，产生了外高内低的水位差，闸门受到压力，此时，上闸门单向朝内打开，下闸门闭合，外海区清洁海水进入围区，使得围区内水位逐渐上升，水闸工作示意图(见图3)。

图3 涨潮工况下围海绿色全自动水闸工作示意图

(2)退潮时，外海区水位逐渐降低，围区内水位高于外海区，产生了外低内高的水位差，闸门受到压力，上闸门闭合，下闸门单向朝外打开，排出带有淤积杂物的海水，使得围区内水位逐渐降低，水闸工作示意图(见图4)。

1.3 受力分析

结合围海绿色全自动水闸运行原理，对围海绿色全自动水闸在涨潮和退潮时，上下闸门开启时的受力情况进行分析。

图5(a)为涨潮时围海绿色全自动水闸水位情况，图5(b)为涨潮时上闸门受力示意图。图6(a)(b)为落潮时围海绿色全自动水闸水位情况与闸门受力示意图。

图5 涨潮工况下水闸水位分布及上闸门开启受力示意图

图6 落潮工况下水闸水位分布及下闸门开启受力示意图

根据力矩平衡原理：

(1)涨潮时，上闸门要实现开启，需满足

K1F1l2≥G1l1

(1)

式中：K1—上闸门动水压力系数，与水位高度、闸门开启过程中的角度、闸门自身尺寸等相关，由水力试验得出，一般情况下，K1≥1；

l1—上闸门自重G1对于上门轴的力臂；

l2—上闸门外海侧静水压力F1对于上门轴的力臂。

(2)落潮时，下闸门实现开启，需满足

(2)

式中：K2—下闸门动水压力系数，与水位高度、闸门开启过程中的角度、闸门自身尺寸等相关，由水力试验得出，一般情况下，K2≥1；

l3—下闸门自重G2对于下门轴的力臂；

l4—下闸门围内侧静水压力F2对于下门轴的力臂；

2 水力试验研究

2.1 试验场地与试验模型

试验在浙江水利水电学院水动力学试验室进行，试验仪器采用浙江水利水电学院自制的围内外海域模拟水槽和上下双孔单向闸门、潜水泵、闪粉(替代泥沙)。水槽内的长宽高为1 000 mm×190 mm×500 mm，闸门为上下双孔单向闸门，由门框和挡板两部分构成，挡板与闸门门框通过合页连接，上闸门的宽高为150 mm×230 mm，下闸门宽高为150 mm×230 mm，闸门闭合时其倾斜坡角度为10°。闸门左侧模拟外海侧，右侧模拟围内侧，试验装置(见图7)，上下双孔单向闸门(见图8)所示。利用高速相机抓拍试验中的闸门工作时的照片(佳能750D，EF-S 18-135 1:3.5-5.6 STM)。

图7 围海绿色全自动水闸水力试验装置

图8 上下双孔单向闸门结构

2.2 围海绿色全自动水闸闸门开启可行性模拟

在试验过程中，使用潜水泵对水槽中的水位进行控制，通过闸门两侧水位的上升与下降，模拟现实中海域的涨潮落潮情况。用闪粉模拟现实中围海海水中泥沙及悬浮质成分，闪粉的密度大于水的密度，在静水时可沉入水底，和现实中的泥沙特性相近[8-10]。通过水力试验检验闸门是否能够在闸门内外侧水压力作用下实现自动启闭。

(1)外海涨潮时上闸门开启过程水力模拟

用潜水泵置于水槽外的储水池中，将水体不断注入水槽的闸门左侧，模拟外海面涨潮时水位上升过程(见图9(a))。随着上闸门水压力不断增加，当水位达到一定高度时，上闸门实现自动开启(见图9(b))。

图9 外海涨潮时上闸门开启过程

(2)外海落潮时下闸门开启过程水力模拟

使用潜水泵将闸门左侧水槽中的水体抽出，模拟落潮时外海水位下降过程(见图10(a))所示，随着下闸门内外侧水位差产生的水压力不断增加，当下闸门内外水位差达到一定差值时，下闸门实现自动开启，水体携带着大量的泥沙从围内流出(见图10(b))。

图10 外海涨潮时上闸门开启过程

通过试验可以看出，本文设计的绿色闸门可以利用大海涨潮落潮的水位高度变化，实现闸门的自动启闭。这种新型闸门工作时，完全不需要人工驱动其打开关闭，依靠自然的围外水位变化即可以做到全自动运行、不耗费任何电能和人力。

2.3 围海绿色全自动水闸净水能力水力模拟

在初始状态下，使闪粉模拟的泥沙均匀分布在水槽底部(见图11)。通过潜水泵对水槽中的水体进行注入和抽出，可以模拟一个涨潮—落潮周期的水位变化。在每个周期结束待泥沙完全沉淀之后，拍照记录水槽外海侧和围内侧泥沙数量的变化，图12(a)和图12(b)分别为闸门启闭1个周期和5个周期的底部泥沙分布图，从图上结果可出，随着闸门开启周期次数的增加，围内侧泥沙不断减少，大部分的泥沙被冲积至水槽的外海侧。本次试验通过对比多个运行周期围区内外泥沙的变化情况，证明了全自动闸门有很好的排沙清淤、净水换水效果，围海绿色全自动水闸在运行过程中，涨潮时上闸门自动打开，从外海单向输送清洁水体到围内；落潮时下闸门自动打开，将浑浊携带泥沙的水体输送到外海。另外，由于闸门没有底坎，水体流动不会产生泥沙淤积问题。

图11 初始状态下泥沙均匀分布状况

图12 闸门启闭1个周期和5个周期的底部泥沙分布图

3 结论

本文对围海绿色全自动水闸在不同工况下闸门的运行情况进行了力学分析，并利用室内水力试验，验证了围海绿色全自动水闸闸门自动开启的可行性及水闸的水质净化效果。通过力学分析和水力实验证明，围海绿色全自动水闸能够在涨潮及落潮过程中，通过闸门的自动启闭实现围海海域的水体净化。围海绿色全自动水闸具有排沙清淤、净水换水、不耗能等诸多优点，为净化围海区域水质提供了一种新的技术方案。未来待研究成熟后，若应用于实际围海工程中，可以以最小的运行成本达到有效净化围内水质的目的。对沿海地区的旅游景观建设，海域水质净化和生态环境的构建都将起到非常好的效果。