双向翻转弧形闸门的过闸流态及泄流能力研究

杨 林，杨金涛，杨校礼，潘 源

(1.贵州省水利水电工程咨询有限责任公司，贵州 贵阳 550081；2.河海大学 水利水电学院，江苏 南京 210098；3.上海市水务(海洋)局 堤防(泵闸)设施管理处，上海 200050)

新石洞水闸改造工程位于宝山区马路河与长江交汇处，为满足马路河向长江排涝和从长江引水的双重任务需要，工作闸门采用双向翻转式弧形门，液压启闭系统，水闸双向挡水，动水启闭。工程设计内河(马路河)高水位3.5 m，常水位2.5～2.8 m，设计低水位2.0 m；外河(长江)设计多年平均高潮位3.26 m，多年平均潮位2.15 m，设计低水位-0.31 m。当内河遭遇洪水时，通过开启闸门向外河排涝，设计内河高水位排涝流量192 m3/s；当内河水源不足，通过开启闸门从外河引水，设计内河低水位引水流量156 m3/s。工程内、外河最大水位差不大，属平原水闸枢纽范畴。

本工程主要由闸室、上、下游消力池、海漫、防冲槽等部分组成。水闸布置为钢筋混凝土坞式结构，闸底槛高程为-1.00 m，闸室长30.0 m，闸底板总宽34.4 m，单孔净宽20.0 m，闸底板厚1.5～2.0 m。工作闸门为能上、下翻转的弧形钢闸门，采用液压启闭机控制；闸室上游侧布置长22.0 m的消力池及长45.0 m的海漫，下游侧布置长23.0 m的消力池及长55.0 m的海漫。

1 研究背景

传统水工闸门，大多安装在泄流建筑物上，结合溢流堰[1]进行挡水、泄水，类型以平面闸门、弧形闸门居多[2-3]。传统水工闸门运行方式相对单一，完全开启即可贴堰面自由下流，局部开启便为孔口出流，闸门主要功能为控制泄水流量[4]。关于传统水工闸门的过流方式和特点，相关研究较多[5-7]，成果也都普遍得到业界认可。

结合新石洞水闸改造工程中，排涝、引水时要求挡水建筑可双向过水的特点，水闸采用可双向翻转的弧形闸门。当闸门平板面面向内河侧直立，闸门底缘高程为-1.0 m时，闸门关闭，双向挡水，见图1a；闸门顺底板门槽向内河侧翻转至局部开启，平板面迎水时，水流翻过闸门跌落出流，见图1b，此时过闸流态类似薄壁堰流；闸门继续向上游翻转，至门顶高程为-1.0 m时，闸门全开，水流贴平板面过流，见图1c，此时流态为宽顶堰流；闸门双向挡水，逆底板门槽向外河侧翻转至闸门局部开启，水流从闸门底流向下游，见图1d，此时过闸方式为孔口出流。图1水面均为排涝运行示意水面线，引水运行时过流方向与排涝相反。

由双向翻转闸门的运行方式可知，该闸门的过闸水流因启闭状态不同，流态可为类似薄壁堰流[8-9]、宽顶堰流[2]或孔流[10-11]；且还因其可双向过流，同一闸门状态，排涝、引水运行时，迎水面不同，过闸流态与泄流能力也有差异。综上所述，双向翻转弧形闸门的过闸水流形态相比于传统闸门要复杂、多样，其泄流规律已不能再采用现有公式[12-13, 15]进行计算，针对该闸门的运行、启闭方式，研究其过闸水流的泄流能力及流态等特性，对于本工程乃至其他类似水闸的设计、管理运行都是必要的。

b)局部开启，门顶过流

c)闸门全开，宽顶堰流

d)局部开启，孔口出流图1 双向翻转弧形闸门不同启闭状态下的过闸流态

2 模型设计及量测仪器

模型试验按水工模型试验相关规定[14]执行。模型按重力相似准则设计，同时兼顾阻力相似，几何正态。根据相关要求，试验采用模型长度比尺λL=20，相应其他物理量比尺如下： ①流速比尺λV=200.5=4.47；②流量比尺λQ=202.5=1788.85；③ 糙率比尺λn=201/6=1.648。模型模拟了新石洞水闸及相关建筑物，同时还模拟了内、外河引渠。内河侧模至防冲槽以外60 m，外河侧模拟至马路河与长江交汇处。建筑物模型全部采用有机玻璃精制，模型有机玻璃糙率约为0.008，相当于原型混凝土糙率0.013 2。模型内外引渠用水泥砂浆抹面，糙率约为0.012，相当于原型河道糙率0.020。模型内河水位测点布置在内河防冲槽处，外河水位测点布置在外河防冲槽以外10 m的河口处。

3 试验方案

本文针对双向翻转弧形闸门不同的启闭状态及运行方式，进行了相关水工模型试验。试验方案见表1。

各试验方案下，试验时先固定试验流量(根据设计流量确定)，待上下游(无论排涝或引水，水流过闸前一侧为上游，过闸后一侧为下游)水位稳定后，量测上下游水位，再改变试验流量，将其作为变量值进行试验。由于各方案下试验组数(相应试验流量及相应上下游水位)较多，本文仅列出了同类过闸方式的典型流态；同一试验方案下各试验组的过闸流量及上下游水位不同，其试验现象与典型流态稍有差异。

4 试验结果及分析

4.1 闸门全开

闸门平板面水平，门弧面下卧在闸底板内时，闸门处于全开状态，水流沿闸门上侧平板面过流，过闸形态为宽顶堰流。

4.1.1排涝运行试验现象

图2a为内河水位2.80 m、外河水位1.05 m，实测排涝流量为233 m3/s的试验现象。由照片可见，水流过闸时水面稍有跌落，流态属自由堰流；过闸后在消力池内形成淹没水跃，但由于上下游水位差较小，水跃发生在靠闸室的消力池前端部位。水流出池后在海漫段形成急流区。图2b为内河水位3.00 m，外河水位2.75 m，实测排涝流量为191 m3/s的试验现象,此时，内外河水位相差不大，水流过闸时几乎没有水面跌落，出消力池后水面也较为平顺，流态属淹没堰流。

a)自由堰流典型流态 b)淹没堰流典型流态图2 闸门全开、排涝运行过闸水流流态

4.1.2引水运行试验现象

闸门全开引水运行时，其水流流态与排涝时相似，根据上下游水位差不同，有自由堰流和淹没堰流之分，此处不再赘述。图3a为外河水位3.06 m、内河水位2.80 m时的引水试验现象，图3b为外河水位2.43 m、内河水位2.00 m的引水试验现象。

a)引水过闸流态1 b)引水过闸流态2图3 闸门全开、引水运行过闸水流流态

4.1.3宽顶堰流时的试验结果分析

4.1.3.1过流能力比较

因闸门全开时，过流能力最大，为验证闸门在各征水位(内、外河常水位、高水位)下的过流能力能否满足设计要求，进行了特征水位下的过流能力试验。表2为各特征水位下的试验结果。由表2可知，引水运行时，各特征水位下的试验流量小于设计流量，相差较大；而排涝运行时，试验流量与设计流量基本相同，能满足设计要求。

4.1.3.2综合流量系数的探求

特征水位的试验过流量，可以为设计提供依据。

表2 特征水位过流能力试验结果

闸门全开时，过闸水流形态均为堰流，本文还进行了不同流量时的过流试验，以探求综合流量系数规律。

过闸流量可用堰流公式[15]进行计算：

(1)

式中Q——实测过闸流量，m3/s；m——考虑上游行进流速水头、下游淹没和侧收缩影响的综合流量系数；H——堰顶上游水头，m；B——水闸的闸孔宽度，m；g——重力加速度，m/s2。

通过式(1)，用试验结果可计算出综合流量系数m。整理、分析m的规律性时发现，m与相对淹没度t/H(t为堰顶以上下游水深)具有较好的相关关系，见图4。

图4 m与t/H关系

图4表明，闸门全开，过闸水流为自由堰流(t/H<0.65)时，其综合流量系数接近于某常数，水闸排涝时该值为0.365，水闸引水时为0.324。而水流过闸为淹没堰流时，综合流量系数随相对淹没度t/H的增加而急剧减小。

由图4可知，在闸门全开，相对淹没深度相同时，水闸排涝时的流量系数要大于引水时的流量系数，即排涝运行的过流能力要大于引水运行过流能力，这也较好解释了表2中排涝流量要大于相同水位差时的引水流量。而导致“过流能力排涝运行大于引水运行”的原因，主要是受水闸内、外河两侧的结构和内外河河道断面差异等因素影响所致。

4.2 闸门局部开启(孔流)

闸门局部开启，水流从门底下泄时，水闸过流形态为闸下孔流。

4.2.1排涝运行试验现象

试验表明，过闸水流是否发生淹没水跃，是闸孔出流流态的主要区别。图5a为内河水位3.80 m、外河水位1.05 m，闸门开度为1.36 m时的试验现象，此时实测排涝流量为154 m3/s，水流过闸孔后自由下流，在消力池内形成自由水跃，但由于上下游水位差异不大，消力池内水流未见强烈紊动，水跃强度较小，水流过闸室段为急流，水面较为平顺。图5b为内河水位2.50 m、外河水位1.05 m，闸门开度为1.78 m时的试验现象，此时实测排涝流量为154 m3/s，上下游水位差较小，水流过闸孔时为急流，并在消力池内形成一定程度的淹没式水跃，进入海漫段后由于过流断面变大，流态逐渐平缓。

a)自由孔流典型流态 b)淹没孔流典型流态图5 闸门局部开启(孔流)、排涝运行时下游流态

4.2.2引水运行试验现象

当水闸通过孔流方式引水时，外河为上游，内河为下游。因内河(下游)最低水位为2.0 m，下游水位较大，故在引水试验方案下，过闸水流均为淹没孔流，其流态与排涝时的淹没孔流基本相同，但由于上下游水位差相比排涝时更小，出闸孔时水面也更为平顺，上下游水面衔接较好。图6a为外河水位3.25 m、内河水位2.00 m，闸门开度1.29 m的试验现象，实测引水流量100 m3/s；图6b为外河水位3.25 m，内河水位2.80 m，闸门开度2.56 m的试验现象，实测引水流量130 m3/s。

a)引水淹没孔流流态1 b)引水淹没孔流流态2图6 闸门局部开启(孔流)、引水运行时闸下流态

4.2.3闸孔出流时的试验结果分析

由试验结果可见，水闸局部开启通过孔流方式排涝时，其过闸水流流态根据上下游水位的差异，有自由孔流和淹没孔流2种流态。

水流为自由孔流时，其过流能力[15]可通过下式计算：

(2)

式中μ——计入行进流速、淹没和侧收缩影响的综合流量系数；B——节制闸净宽，m；e——闸门开启高度，m；H——堰顶上游水深，m；g——重力加速度，m/s2。

当水流为淹没孔流时，过闸流量Q与堰上水头H，闸门开度e，下游堰顶以上水深t以及重力加速度g等因素有关，一般可按下式[15]计算：

(3)

式中σ——孔口淹没系数，与下游水深t和跃后水深h″有关；其余同前。

淹没孔流的过流能力计算，考虑了下游水位对上游的淹没影响，但孔口淹没系数σ较难确定，该式直接运用于工程相对繁琐。若以上游和下游水位点断面列能量方程，整理后不难得到下式：

(4)

式中μs——考虑了淹没及水头损失的综合流量系数；其余同前。

式(4)通过上下游水位差及综合流量系数μs来反映淹没对泄流的影响，使公式简洁、便于运用。

式(2)、(4)表明，无论自由孔流或淹没孔流，综合流量系数作为过流能力计算的核心参数，其规律同对于同类工程的参考意义较为重要。通过整理分析试验数据，发现当自由孔流时，其综合流量系数μ与具有相对开度e/H具有较好的相关性，而当淹没孔流时，综合流量系数μs与相对淹没度e/t具有较好相关性。其相关关系见图7。而当水闸通过孔流方式引水时，试验方案下，过闸水流均为淹没孔流，试验数据表明，其综合流量系数规律性与排涝时相似。

图7 闸下孔流时的综合流量系数规律

由图7可见，淹没孔流的过流能力与运行方式关系不大，排涝、引水时的综合流量系数μs都与相对淹没度e/t具有相关性，规律也基本相同。利用回归分析，可将图7关系拟合表达为：

μ=0.611-0.1012e/H(自由孔流)

(5)

μs=0.8742(e/t)1.1667(淹没孔流)

(6)

以上分析了自由孔流及淹没孔流时，综合流量系数及相应泄流能力计算方法。对于式(2)、(4)的适用条件，即判别自由孔流与淹没孔流的方法，是值得讨论的。为对其判别条件进行量化，本文分析了由自由孔流变为淹没孔流临界状态下的e/H与e/t的相关关系，见图8，可将其作为判别条件。

图8 孔流类型判别关系

4.3 闸门局部开启(堰流)

当闸门从全开向内河侧翻转，处于局部开启时，水流从闸门顶部跌落，过流形态类似薄壁堰流。

4.3.1薄壁堰流试验现象

试验结果表明，该过闸形态下的流态与上下游水位差关系最为密切。图9a为通过薄壁堰流排涝运行的试验现象，对应内河水位3.80 m、外河水位-0.31 m，门顶高程1.04 m，实测排涝流量为182 m3/s，此时上下游水位差相对较大，水流从门顶跌落后冲击闸底板，过流方式属自由堰流，水流在消力池内充分紊动，至海漫段与下游平顺水面衔接。图9b为通过薄壁堰流引水运行的试验现象，对应内河水位2.00 m、外河水位3.25 m，门顶高程1.27 m，实测引水流量为100 m3/s，此时上下游水位差相对较小，从门顶过闸时水流平顺，流态较好，其过流方式属淹没堰流。

a)排涝门顶薄壁堰流流态 b)引水门顶薄壁堰流流态图9 闸门局部开启(堰流)时的过闸流态

从试验现象来看，上下游落差较大时，为自由堰流，虽然其过流能力也相对较大，但水流直接冲击门槽底板，可能导致闸底板的破坏，此外，落差较大还有可能引起闸门的振动，产生结构稳定问题，应引起注意。

4.3.2薄壁堰流的过流能力分析

本文进行了门顶高程为-0.5～2.5 m(每0.5 m高程一个开度)的排涝、引水试验，但由于门顶跌落过流时，其流量系数受堰(闸)上水头、淹没度、门顶高程(开度)等众多因素的影响，较难用公式来表达。为方便该闸门的管理运行，本文根据试验整理了不同门顶高程的流量等值线，图10所示为门顶高程为1.0 m的流量等值线，其余各开度的流量等值线变化规律与图10相似，图10中上半区为排涝运行，下半区为引水运行。

4.4 试验结果的运用方式

通过以上对双向翻转弧形闸门不同过闸形态的过流能力分析，工程设计或运行管理时，可根据已知的内、外河水位和闸门启闭状态(开度)来确定水流的过闸形态，选择相应的过流计算公式及综合流量系数(或用过流等值线图内插)来计算过流能力；也可根据拟定的排涝、引水流量，选择闸门的启闭方式，假设其开度e，再用上述相应图表进行试算，确定相应的闸门开度。

图10 薄壁堰流的流量等值线

5 结论与展望

a) 双向翻转弧形闸门关闭时双向挡水，全开时过闸水流形态为宽顶堰流，闸下过流时为孔流，门顶过流时为薄壁堰流；且各开启状态下可双向过流，满足排涝、引水的双重需要。

b) 宽顶堰流时，自由堰流时的综合流量系数为一常数，淹没堰流的综合流量系数随相对淹没度增加而降低；闸下孔流时，自由孔流的综合流量系数μ与相对开度e/H具有负相关关系，淹没孔流综合流量系数μs与相对淹没度e/t具有幂函数关系。

c) 拟合了宽顶堰流、闸孔出流的综合流量系数公式及适用条件，给出了门顶薄壁堰流的流量等值线，希望能为类似工程水力设计提供参考。

d) 本文深入研究分析了双向翻转弧形闸门过流能力及闸室段的水流形态，后续可围绕水流在消力池及海漫段的水力特性等进行深入研究。