赣江尾闾主支泄水闸工作闸门选型及水力学模型试验

◎ 应国华 徐强 杨贵海 中铁水利水电规划设计集团有限公司

赣江尾闾综合整治工程由主支枢纽、南支枢纽、中支枢纽、北支枢纽组成。主支枢纽位于赣江尾闾赣江主支，新建区象山镇鸭洲村附近，距象山镇6km，距南昌市约35km。主支象山枢纽主体建筑物由泄水闸、船闸、鱼道和连接挡水建筑物组成，闸址轴线总长1358.3m。

为了维护江湖的生态环境，满足主汛期通航要求，泄水闸分三区布置。二区大孔闸设置2孔，孔口宽度75m，大孔闸布置浮船式闸门，启闭设备为卷扬式启闭机。一区、三区常规泄水闸设置在大孔闸两侧，一区设置8孔，三区设置7孔，孔口宽度均为30m，顺水流向从上至下分别布置有上游检修闸门槽、工作闸门和下游检修闸门槽，工作闸门启闭设备为液压启闭机。

1.常规孔泄水闸工作闸门选型

泄水闸孔口底坎高程6.0m，孔口宽度30.0m，每孔布置1扇工作闸门。闸门挡控制水位15.50m，门顶高程16.00m。根据孔口尺寸、最大挡水水头及调控期泄水闸工作闸门运行特点，一区及三区采用相同的结构型式，参考现有工程门型比选情况[1-3]，拟定3种泄水闸工作闸门的布置方案进行比选。方案1：下卧式弧形闸门＋液压启闭机方案；方案2：上翻式弧形闸门＋液压启闭机方案；方案3：平面直升钢闸门+卷扬启闭机方案。

1.1 下卧式弧形闸门+液压启闭机

方案1 采用下卧式弧形闸门结构，启闭设备为卧式液压启闭机，其布置如图1所示。闸底高程6.0m，闸顶高程25.00m，闸门高度10.0m，支铰中心高程14.85m。弧形闸门面板曲率半径R=12.15m。调控期上游最高水位15.5m，对应下游9.50m，调控期闸门上、下游最高水位差6.0m。闸门全开状态至全关状态旋转角度53.2°，闸门全开状态为卧倒在弧形底坎内，门叶背部与底板齐平，由设在闸墩两侧的锁定装置锁定。闸门支臂设启闭吊点，启闭机活塞杆端头采用球铰与闸门启闭吊点连接，双吊点启闭闸门。启闭机型式为卧式液压启闭机，每孔设置一个独立的液压泵站，位于闸墩尾部。启闭机铰点高程21.65m，启闭机容量2×4000kN，最大工作行程10.5m。

图1 下卧式弧形闸门

1.2 上翻式弧形闸门+液压启闭机

方案2 采用上翻式弧形闸门结构，启闭设备为卧式液压启闭机，其布置如图2所示。闸底高程6.0m，闸顶高程25.00m，闸门高度10.0m，支铰中心高程18.60m。弧形闸门面板曲率半径R=14.60m。全开状态至全关状态旋转角度65°，闸门全开状态为两侧锁定在闸墩顶25.0高程的锁定装置上。闸门梁系结构为双主梁同层梁系布置，A型斜支臂，主梁及支臂采用箱型梁截面设计，启闭机活塞杆端头采用球铰与闸门吊耳连接，双吊点启闭闸门。启闭机型式为露顶弧门QHLY型液压启闭机，每孔设置一个独立的液压泵站。启闭机铰点高程24.65m，启闭机容量2×5000kN，最大工作行程约7.50m。

图2 上翻式弧形闸门

1.3 平面直升闸门+卷扬启闭机

方案3采用水利工程中最为常见的平面直升式钢闸门，启闭设备为卷扬式启闭机。闸门高度10m，由于闸门跨度大，水头低，主梁结构采用曲拱桁架结构。操作条件为动水启闭，启闭机容量为2×4000kN，扬程约11m。为保证闸门敞开泄洪及提出孔口检修，启闭排架较高。

1.4 方案比选

1.4.1 布置及运行

泄水建筑物布置除了要满足汛期的泄洪要求，还要满足调控期的水位调控要求。方案1和方案2均为弧形闸门，全开泄流能力较好，两者相比，方案1下卧式闸门门叶卧于底槛下，支臂不会受到漂浮物撞击，更加安全可靠。方案3为平面钢闸门，局部开启不如方案1、2灵活，且闸门两侧门槽宽且深，水流条件差。

1.4.2 闸门结构及启闭机

方案3的平面钢闸门主要梁系为桁架结构，桁架圆管截面需在制造厂内卷板成型，安装现场管结点焊接工作量大。方案1、2设置的弧形闸门结构型式焊接构件易在工厂成型，减少了现场安装焊接工作量，但弧门空间结构对安装精度要求较高。故从闸门结构的制造与安装难度比较，各方案的闸门制造安装均有一定难度。

方案3的平面钢闸门采用的固定式卷扬机，结构简单，操作方便运行速度较快，能保证严格的传动比，性能可靠，对外界工作条件要求较低，但其外形较大，土建排架工程量大。机械传动部件笨重，机械损失大，一般为动力的15%左右；长时间运行会有一定机械损伤，没有缓冲力，容易引起部件损坏，能耗高、噪声大。

方案1、2的液压启闭机布置紧凑，体积小，重量轻，承载能力大；能够远距离传递动力，缓冲性能好，传动平稳，调速和换向方便；配备自动纠偏装置，液压传动与电气控制相结合，便于实现自动化。方案1卧式启闭机布置扬程小，油缸的安装检修维护方便。

故根据本工程的特点宜采用性能较好的液压启闭机。

1.4.3 建筑美观

当闸门处于调控挡水期，闸门高度较低时，3种方案各有千秋，均具有一定的建筑美观,可以成为赣江的一道景观线。当泄水闸门全部敞开，江湖连通时，方案1卧于闸底恢复天然河道，无任何影响景观效果的建筑物及大结构件。方案2泄水闸处于全开状态时闸门锁定在闸顶，可能受到树木等漂浮物撞击，且门体体积较大，卧于闸墩顶影响整体景观效果和观赏视野。方案3的平面钢闸门非调控期长期锁定于闸墩顶，高达十几米的启闭排架景观协调性差。

从建筑美观考虑，方案1较优。

1.4.4 工程投资

各方案三区泄水闸工程投资比较见表1，各方案土建投资方面方案3增加了启闭排架。

表1 单孔投资比较

从工程投资比较，3个方案相差不大，上翻式弧形闸门结构简单，投资略少。

综合分析，本工程调枯不控洪，调控期最大水头差10m，各方案均可用于本工程。根据工程调度要求和闸址河床抗冲能力差的特点，工程调控期9月～次年3月三区常规孔工作闸门需要频繁局部开启，方案1和方案2的弧形闸门更适合局部开启的工况。方案3在景观效果方面较差，方案1的景观效果最好，水流流态好，故推荐方案1，采用下卧式弧形闸门+卧式液压启闭机方案。

2.下卧式弧形闸门水力学模型试验

本模型主体为三区泄水闸，为了保证泄水建筑物进出口上、下游水流相似，射流冲刷水流旋滚演变相似，泄水闸上游长度取到上游防冲槽，下游长度取到下游防冲槽段，总长度276.5m；横向取两孔进行模型设计，包含三个整墩。模型如图3所示，模型比尺Lr=25，相对应的流量比尺：Qr=Lr2.5=3125.00、流速比尺：Vr=Lr0.5=5.00、时间比尺：Vr=Lr0.5=5.00、压力比尺：Pr=Lr=25.0、糙率系数比尺：

图3 泄水闸模型

2.1 水动力荷载试验

通过泄水闸下卧门闸室边界及门体的动水压力测试，获得如下几点结论。

（1）闸室时均压力测试数据显示：在闸门不同运行工况下，闸室底板的压力分布在4.7～11.388kPa范围内波动；闸室侧墙的时均压力在1.5～10.075 kPa范围内变化，总体上看，诸时均压力测点均出现正值，未见负压存在。

（2）门体时均压力测试数据表明，水流流态经历自由出流、临门水跃及淹没出流等不同流态，下游水位越高、下游淹没度就越高，作用于门体的时均压力随淹没水深的增加而加大；闸门开度越小，下泄流量越小，作用于门体时均压力就越小。作用于下卧门门体的时均压力值在8.25～54.18 kPa。

（3）门体脉动压力分布特征测试结果显示，闸门门体脉动压力较大的区域发生在闸门底缘附近，脉动压力最大值出现在PM1、PM2及PM5测点，最大均方根值分别是9.16kPa、5.28kPa和8.59kPa，发生在水跃状态为临门状态。此时水动力荷载对闸门结构的影响将会非常明显，这也是闸门在局部开启过程中出现弱共振的主要原因。

2.2 流激振动试验

流激振动试验采用当量相似闸门振动模型，根据对原布置方案下卧门流激振动试验分析，取得如下成果：

（1）在小开度e=1m～4m时，门体底部测点振动加速度均方根值在0.1m/s2以内，在e=5m时，振动加速度增大到0.17m/s2，随后随开度增大，振动加速度均方根值减小；门体顶部测点V2振动加速度均方根值较大，横向最大值达到0.42m/s2，切向和径向最大值分别为0.124m/s2和0.28m/s2。支臂两测点振动加速度均方根值最大值控制在0.3m/s2以内。

（2）闸门局部运行中在一定开度内存在典型的弱共振现象。在闸门局部开度e=2m～6m范围内，闸门下游水位在9.5m～13.5m之间，闸门存在弱共振。

（3）在小开度e=1m时，主频在8Hz～11Hz，而在开度e=2m～6m时，主频大多在4Hz～7.5Hz，而大开度e=8m时，主频大多在7.5Hz附近。当闸门底部和顶部同时过水时，主频大多在12Hz～15Hz。

（4）在不同闸门开度及上下游水位的试验中，闸门局部开启4m、上游水位14.17m、下游水位7.5m～10.6m，闸门出现不同程度的共振，尤其在下游水位8.62m时，闸门出现强振；共振的主频5.859Hz；在闸门局开5m、上游水位13.5m、下游水位9.25m，闸门出现了较为强烈的共振；在闸门局开3m以及6m～9m范围，出现弱共振现象，而大开度7m～9m范围，闸门未发现明显的共振现象。

（5）下卧门流激振动试验结果显示，该闸门在较多的泄流运行工况下出现结构较强振动或弱共振现象，需要引起高度重视，并采取有效的抗振优化措施予以处理，以确保工程运行安全。

2.3 安全性结论与建议

经优化修改后推荐布置方案已妥善解决闸门结构的强烈振动及弱共振问题，不同运行工况下运行稳定，安全可靠，可作为工程设计参考使用。下卧门泄流试验结果显示，在调控水位（15.50m）下进行泄水运行时，闸门支铰不受下泄水流的冲击作用，支铰结构安全；当泄水闸在设计洪水位（19.24m）和校核洪水位（20.80m）下卧倒全开运行时，此时上下游水位差小，流速量级不大，水流对闸门支铰的冲击力不大，不会对闸门结构的动力安全产生不利影响。鉴于该泄水闸采用旋转式下卧门特种门型，工程运行经验尚待积累，虽然通过系统试验论证，对闸门结构进行了系列修改调整，提出了最终抗振优化布置方案，但考虑到模型试验的缩尺影响和闸门结构的现场制作和安装精度等存在问题，有些问题难以在模型中得到全面反演，因此，建议工程建设期和完工后开展泄水闸水力学及流激振动原型观测工作，以便积累运行经验，并为制定合理运行操作规程提供科学依据。

3.结语

本工程常规孔泄水闸采用30m宽的下卧式弧形闸门在国内类似工程极少，具有结构新颖、上部结构简单、行洪时河道通透等特点，项目组委托南京水利科学研究院针对闸门结构和布置进行了数值分析、水力学及激流振动模型试验研究，从而大大降低了工程的安全风险，该工程初步设计方案顺利通过水利部水规总院的审查。