趙雙雙，譚文彪

（廣州市水務(wù)規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州510640)

底軸驅(qū)動(dòng)下臥式鋼閘門水力計(jì)算方法探討

趙雙雙，譚文彪

（廣州市水務(wù)規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州510640)

底軸驅(qū)動(dòng)下臥式鋼閘門是一種雙向進(jìn)水的新型水工閘門，該閘門在運(yùn)行時(shí)所形成的水流形態(tài)較為復(fù)雜。以新?lián)繓|閘的底軸驅(qū)動(dòng)下臥式鋼閘門為例，對(duì)其運(yùn)行工況及水力計(jì)算問題進(jìn)行探討，根據(jù)水閘的實(shí)際功能要求，合理設(shè)計(jì)閘門的運(yùn)行工況，并根據(jù)水流方向及閘門開啟角度的不同，將下臥式鋼閘門簡(jiǎn)化為無坎寬頂堰流及薄壁堰流的計(jì)算模型來進(jìn)行水力計(jì)算。根據(jù)新?lián)克l的相關(guān)模型試驗(yàn)及工程建成后的運(yùn)行情況對(duì)比認(rèn)為：該方法的計(jì)算成果具有一定的精度，滿足工程設(shè)計(jì)要求。

底軸驅(qū)動(dòng)；運(yùn)行工況；過閘流量；消能防沖；計(jì)算分析

1 工程概況

新?lián)课挥趶V州市黃埔區(qū)長(zhǎng)洲島中部，呈西南向東北走向，全長(zhǎng)約2200 m。新?lián)克l東閘，是目前我國(guó)第一座將廊橋和水閘結(jié)合，景觀與防洪（潮）、通航兼顧，凸顯嶺南特色的大型景觀閘橋。東閘選址位于4號(hào)涌外側(cè)，距離新?lián)繓|端口120 m。

根據(jù)過閘流量計(jì)算及結(jié)合河道的地形確定水閘總寬134.0 m，共7孔。中孔采用18.0 m，其余各孔寬12.0 m，中墩寬6.0 m，邊墩寬5.5 m。水閘的結(jié)構(gòu)型式采用開敞式，閘門型式為底軸驅(qū)動(dòng)下臥鋼閘門。中孔底檻高程-3.0 m；邊孔底檻高程-2.50 m。水閘工程的防洪（潮）標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇，工程等別為Ⅰ等，確定主要建筑物級(jí)別1級(jí)，次要建筑物級(jí)別3級(jí)，臨時(shí)性建筑物級(jí)別4級(jí)[1]。

2 水閘調(diào)度運(yùn)行工況

根據(jù)水閘的功能任務(wù)，水閘運(yùn)行時(shí)存在著防洪（潮）、排澇調(diào)蓄、景觀引水、排水、蓄水五種運(yùn)行工況。

2.1 正常運(yùn)行工況：

2.1.1 防（洪）潮工況

東閘擋外江200年一遇設(shè)計(jì)（洪）潮水位2.65 m，水閘運(yùn)行不利的水位組合為：內(nèi)低外高——閘內(nèi)0.0 m（預(yù)排水位），閘外水位2.65 m，即閘內(nèi)外最大水頭差為2.65 m。

2.1.2 排澇調(diào)蓄工況

排澇過程中，若外江水位低于0.80 m，則開啟東閘與西閘同時(shí)排澇；若外江水位高于0.80 m并持續(xù)上漲，則關(guān)閉東、西閘，發(fā)揮長(zhǎng)洲湖調(diào)蓄作用，直至閘內(nèi)水位高于外江時(shí)，開閘排水。

內(nèi)涌20年一遇洪峰流量為50.5 m3/s。采用內(nèi)涌20年一遇設(shè)計(jì)洪水遭遇外江多年平均高高潮的排澇組合，關(guān)閘調(diào)蓄后閘內(nèi)最高排澇水位為1.84 m（考慮閘內(nèi)起調(diào)水位為降雨前的景觀水位0.80 m）。

2.1.3 景觀引水工況

新?lián)考皟?nèi)河涌在換水完成后，需要引水至景觀水位0.8 m以上。利用漲潮過程，潮位在-0.1 m~0.9 m之間，關(guān)閉西閘，開啟東閘引水。內(nèi)涌水位由-0.2 m引至景觀水位0.8 m，總引水量為27.42萬m3，引水歷時(shí)2.46 h（保證率為75%）。

2.1.4 景觀排水工況（備用工況）

一般情況下，長(zhǎng)洲湖及內(nèi)河涌需要排水時(shí)，利用落潮過程，潮位在0.7 m~-0.3 m之間，關(guān)閉東閘，開啟西閘排水。特殊情況下，也可由東閘排水。內(nèi)涌水位由0.8 m景觀水位排至-0.2 m，總排水量為27.42萬m3，排水歷時(shí)3.29 h（保證率為75%）。

2.1.5 景觀蓄水工況

因水景觀的要求，多數(shù)時(shí)間要求關(guān)閘蓄水，閘內(nèi)控制景觀水位為0.80 m~1.20 m。此工況對(duì)水閘運(yùn)行不利的水位組合有：

a.內(nèi)高外低：閘內(nèi)為0.80 m，閘外水位為多年平均低低潮位-0.88 m，即閘內(nèi)外最大水頭差為1.68 m。

b.內(nèi)低外高：閘內(nèi)為0.8 m，閘外水位為200年一遇設(shè)計(jì)（洪）潮水位2.65 m，即閘內(nèi)外最大水頭差為1.85 m。

2.2 非常運(yùn)行工況

當(dāng)出現(xiàn)持續(xù)的極端高潮或極端低潮時(shí)，水閘的調(diào)度需要根據(jù)實(shí)際的擋潮、引水、排水和景觀的實(shí)際要求，靈活制定相應(yīng)的水閘調(diào)度運(yùn)行方案，縮小水閘上、下游的水頭差，以降低水閘的安全隱患。

3 過流能力計(jì)算

3.1 計(jì)算工況選取

擬定不利的上、下游水位進(jìn)行計(jì)算，校核水閘過流能力是否滿足。采用排澇時(shí)，內(nèi)涌建閘后最高排澇水位1.84 m對(duì)應(yīng)外江水位1.74 m的工況計(jì)算。

3.2 計(jì)算方法

排澇時(shí)閘門完全打開，按照平底寬頂堰流計(jì)算。因，故按高淹沒度堰流公式計(jì)算，

式中：B0為閘孔總凈寬（m）；Q為過閘流量(m3/s)；為計(jì)入行近流速水頭的堰上水深(m)；g為重力加速度(m/s2)；hs為由堰頂算起的下游水深（m）；μ0為淹沒堰流綜合流量系數(shù)[2]。

水閘過流能力計(jì)算成果見表1。

表1 水閘過流能力計(jì)算成果表

從表1可以看出，排澇時(shí)水閘過閘流量大于內(nèi)涌二十年一遇洪峰流量50.5m3/s，故滿足水閘過流能力要求。

4 消能防沖計(jì)算

4.1 消能防沖計(jì)算內(nèi)容及步驟分析

（1）按照引水、排水和排澇三種工況組合下，控制閘門的開啟角度，計(jì)算出相應(yīng)工況下的過閘流量。閘門完全開啟時(shí)按照無坎寬頂堰流計(jì)算過流量，有一定開啟角度時(shí)，按照薄壁堰流計(jì)算過流量，堰頂高程隨閘門開啟角度而變動(dòng)。

（2）進(jìn)行消力池深度和長(zhǎng)度計(jì)算。當(dāng)水流由內(nèi)涌向外涌流動(dòng)，且閘門開啟角度大于0時(shí)為薄壁堰流，此時(shí)消力池深度應(yīng)按照單級(jí)跌水計(jì)算。其他工況下可按照底流消能進(jìn)行計(jì)算。

4.2 計(jì)算工況選取

結(jié)合水閘運(yùn)行情況，按兩種功能分別擬定水位組合：

（1）引換水：引水時(shí)，采用內(nèi)涌日常最低排水水位-0.2 m，外江潮位0.3 m，控制內(nèi)外水位差≤0.5 m；排水時(shí)，采用內(nèi)涌水為景觀水位0.8 m，外江水位為多年平均低潮位-0.88 m，此時(shí)，上下游水位差較大，閘門開啟的始流條件較不利，閘門初始開啟暫按0.2 m計(jì)算（按水工模型試驗(yàn)測(cè)定及閘門振動(dòng)試驗(yàn)復(fù)核調(diào)整）。

（2）排澇：根據(jù)水文調(diào)蓄計(jì)算過程線，選取較不利的閘上、下游水位~水閘排出流量計(jì)算，即內(nèi)涌最高排澇水位1.84 m，外江1.65 m。

4.3 過閘流量計(jì)算

（1）堰高計(jì)算

閘門運(yùn)行時(shí)，過閘水流為堰流。下臥式閘門運(yùn)行方式為門葉隨門軸轉(zhuǎn)動(dòng)。堰頂高程（門頂高程）隨著閘門開啟角度的不同而變化。根據(jù)門葉和轉(zhuǎn)軸的幾何尺寸推算出堰高（門豎直方向上的投影）公式：

式中：P為堰高，m；θ為閘門的開啟角度，°（0°≤θ≤90°）。

閘門開啟角度是指閘門運(yùn)行時(shí)閘門門葉與水平面的夾角，閘門全開時(shí)為0°。當(dāng)閘門開啟角度為0°時(shí)，為寬頂堰；當(dāng)閘門開啟角度為90°時(shí)，為矩形薄壁堰。

圖1堰高計(jì)算簡(jiǎn)圖

（2）寬頂堰堰流公式

對(duì)于平底閘，當(dāng)為堰流時(shí)，流量計(jì)算公式如下：

式中：Q為過閘流量，m3；σ為堰流淹沒系數(shù)；ε為堰流側(cè)收縮系數(shù)；m為堰流流量系數(shù)；B為閘孔總凈寬，m；H為堰上水頭，m；H0為計(jì)入行進(jìn)流速水頭的堰上水深，m；φ為孔流流速系數(shù)，可采用0.95~1.0；α為水流動(dòng)能校正系數(shù)；p為上游堰高，m；g為重力加速度，m/s2；b0為閘孔凈寬，m；N為閘孔數(shù)；εz為中閘孔側(cè)收縮系數(shù)；dz為中閘墩厚度，m;εb為邊閘孔側(cè)收縮系數(shù)；bb為邊閘墩順利水流向邊緣線至上游河道水邊線之間的距離，m；hs為由堰頂算起的下游水深，m[2]。

（3）薄壁堰堰流公式

當(dāng)堰頂寬度與堰上水頭的比值，δ/H＜0.67為薄壁堰流。矩形薄壁堰的流量計(jì)算公式如下：

為了便于根據(jù)直接根據(jù)水頭來計(jì)算流量，可將上式改寫，把行近流速的影響包括在流量系數(shù)中：

式中，包括行近流速影響的流量系數(shù)m0可按下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

式中：Q為過閘流量，m3；σ為堰流淹沒系數(shù)；ε為堰流側(cè)收縮系數(shù)；m為堰流流量系數(shù)；B為閘孔總凈寬，m；H為堰上水頭，m；H0為計(jì)入行進(jìn)流速水頭的堰上水深，m；φ為孔流流速系數(shù)，可采用0.95~1.0；α為水流動(dòng)能校正系數(shù)；p為上游堰高，m[3]。

根據(jù)以上公式，可根據(jù)各工況求得相應(yīng)水位下的過閘流量，見表2所示。

表2 計(jì)算工況表

4.4 消力池計(jì)算

4.4.1 底流消能消力池計(jì)算

當(dāng)水流由內(nèi)涌側(cè)流向外江側(cè)且閘門開啟角度等于0時(shí)，消力池按照底流消能計(jì)算。當(dāng)水流由外江側(cè)流向內(nèi)涌側(cè)時(shí)，均按照底流消能計(jì)算消力池。因此，工況一、二、三及工況五消力池深度計(jì)算均采用底流消能計(jì)算公式。

式中：d為消力池深度，m；σ0為水躍淹沒系數(shù)，采用1.05；hc''為

表3 消力池計(jì)算成果表

表4 跌水情況下消力池計(jì)算成果表

躍后水深，m；hc為收縮水深，m；α為水流動(dòng)能校正系數(shù)；q為過閘單寬流量，m3/s.m；b1為消力池首端寬度，m；b2為消力池末端寬度，m；T0為由消力池底板頂算起的總勢(shì)能，m；ΔZ為出池落差，m；hs'為出池河床水深，m[2]。

整理以上四式，試算可得出hc值，進(jìn)而求得消力池深度。

消力池長(zhǎng)度計(jì)算公式為：

式中：Lj為水躍長(zhǎng)度，m；Lk為消力池長(zhǎng)度，m[2]。

在排澇工況下閘門完全打開時(shí)，應(yīng)將閘門的水平投影長(zhǎng)度lm計(jì)入消力池的長(zhǎng)度。具體計(jì)算結(jié)果見表3。

4.4.2 單級(jí)跌水消力池計(jì)算

工況四情況下，閘門開啟角度大于0為薄壁堰流，水流由內(nèi)涌側(cè)流向外江側(cè)，消力池深度應(yīng)按照單級(jí)跌水計(jì)算。計(jì)入水舌上游側(cè)面的水墊靜水壓力作用時(shí)，按照下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

跌落水舌長(zhǎng)度：ld=4.30D0.27P；水舌后水深：hp=D0.22P；收縮水深：hc=0.54D0.425P；躍后水深：h''c=1.66D0.27P；水躍長(zhǎng)度：lj=（1.9h''c-h）c；池深：s=h''-ht；池長(zhǎng)：ls=ld+0.8lj。式中；q為單寬流量[3]。

由于閘門開啟時(shí)有一定的傾斜角度，故消力池的長(zhǎng)度應(yīng)計(jì)入閘門的水平投影長(zhǎng)度。計(jì)算結(jié)果見表4。

經(jīng)計(jì)算，引水工況需在內(nèi)涌側(cè)設(shè)置0.49 m深,8.57 m長(zhǎng)的消力池；排澇工況下不需要設(shè)置消力池。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合底軸驅(qū)動(dòng)閘門的安裝尺寸要求，本工程在水閘內(nèi)涌側(cè)設(shè)置1.0 m深，12.70 m長(zhǎng)的消力池，外江側(cè)設(shè)置1.5 m深，22.40 m長(zhǎng)的消力池，滿足要求。

5 結(jié)論

通過以上計(jì)算可知，底軸驅(qū)動(dòng)下臥式鋼閘門水力計(jì)算與水流方向及閘門的開啟角度大小緊密相關(guān)。

底軸驅(qū)動(dòng)下臥式鋼閘門的水力計(jì)算問題復(fù)雜，本文僅對(duì)其進(jìn)行了初步的探討，提出了一種簡(jiǎn)單的計(jì)算方法。根據(jù)新?lián)克l的相關(guān)模型試驗(yàn)及工程建成后的運(yùn)行情況比對(duì)，該方法的計(jì)算成果具有一定的精度，滿足工程設(shè)計(jì)要求，具有一定的參考價(jià)值。閘門的啟閉速度，閘門門后的通氣量及水動(dòng)力引起的閘門振動(dòng)等一系列的因素對(duì)于水力計(jì)算的影響，有待于進(jìn)一步的深入研究。

[1]廣州市水務(wù)規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.廣州市黃埔區(qū)長(zhǎng)洲島新?lián)克l工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].廣州：廣州市水務(wù)規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2012.

[2]江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.水閘設(shè)計(jì)規(guī)范(SL265-2001) [S].北京：中國(guó)水利水電出版社，2001.

[3]李煒.水力計(jì)算手冊(cè)（第二版）[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.

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1673-9000（2017）03-0147-03

2017-02-08

趙雙雙（1985-），女，河北邯鄲人，工程師，主要從事水利工程設(shè)計(jì)工作。