吳鈞輝，秦 鵬，張雄杰，勵 澤，酈肖雪，葉曉帆，劉 港

(1.浙江水利水電學(xué)院 水利與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 福州 350108)

0 引言

我國海洋開發(fā)歷史悠久，20世紀90年代后，海洋經(jīng)濟已逐漸成為沿海地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的新增長極，其中沿海旅游業(yè)是帶動地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，但是我國許多沿海海域水質(zhì)渾濁、水體景觀較差，嚴重制約地區(qū)高端沿海旅游項目的開發(fā)[1-2]。現(xiàn)有技術(shù)一般采用圍海的方式使水體清澈，即首先圍海建成一個相對封閉的水域，使得該相對封閉水域內(nèi)的海水中的泥沙沉淀，再累計一定時間后清淤，從而形成一個相對清澈的封閉水域。目前傳統(tǒng)的圍海技術(shù)主要有“潛壩圍海技術(shù)”和“堤壩+水閘圍海技術(shù)”兩種，新型的圍海方式有浙江大學(xué)和國家海洋局第二海洋研究所聯(lián)合研發(fā)的“雙閘門水閘圍海技術(shù)”，但這些圍海技術(shù)存在以下兩個問題：(1)圍海閘門控制消耗電能、人力；(2)圍區(qū)泥沙淤積[3-6]。

針對現(xiàn)有圍海技術(shù)存在的諸多問題，提出一種新型圍海綠色全自動水閘(發(fā)明專利授權(quán)號：CN105200962B)[7]，本文通過力學(xué)計算對閘門的工作機理進行分析，并利用水力試驗對閘門凈化水質(zhì)效果進行檢驗，以期為凈化圍海區(qū)域水質(zhì)提供了一種新的技術(shù)方案。

1 裝置結(jié)構(gòu)及運行原理

1.1 裝置構(gòu)造

圍海綠色全自動水閘由一個或多個水閘單元框架、上部內(nèi)開閘門、下部外開閘門組成，每個水閘單元框架上下兩個閘門在圍內(nèi)水面和外海水位的作用下，可繞閘門軸實現(xiàn)單向開啟[6]。圍海綠色全自動水閘的剖面結(jié)構(gòu)(見圖1)，三維結(jié)構(gòu)圖(見圖2)。

圖1 圍海綠色全自動水閘剖面結(jié)構(gòu)圖

圖2 圍海綠色全自動水閘三維結(jié)構(gòu)圖

1.2 運行原理

圍海堤壩綠色全自動水閘為上下兩層閘門對向開啟的結(jié)構(gòu)方式，即上閘門只能向內(nèi)區(qū)開啟，下閘門只能向外區(qū)開啟，在閘門自重和雙向水流的作用下，閘門實現(xiàn)全自動運行，不耗費任何電能、人力，節(jié)省了大量的工程運行及維護成本。

(1)漲潮時，外海區(qū)水位高于圍區(qū)內(nèi)水面時，產(chǎn)生了外高內(nèi)低的水位差，閘門受到壓力，此時，上閘門單向朝內(nèi)打開，下閘門閉合，外海區(qū)清潔海水進入圍區(qū)，使得圍區(qū)內(nèi)水位逐漸上升，水閘工作示意圖(見圖3)。

圖3 漲潮工況下圍海綠色全自動水閘工作示意圖

(2)退潮時，外海區(qū)水位逐漸降低，圍區(qū)內(nèi)水位高于外海區(qū)，產(chǎn)生了外低內(nèi)高的水位差，閘門受到壓力，上閘門閉合，下閘門單向朝外打開，排出帶有淤積雜物的海水，使得圍區(qū)內(nèi)水位逐漸降低，水閘工作示意圖(見圖4)。

1.3 受力分析

結(jié)合圍海綠色全自動水閘運行原理，對圍海綠色全自動水閘在漲潮和退潮時，上下閘門開啟時的受力情況進行分析。

圖5(a)為漲潮時圍海綠色全自動水閘水位情況，圖5(b)為漲潮時上閘門受力示意圖。圖6(a)(b)為落潮時圍海綠色全自動水閘水位情況與閘門受力示意圖。

圖5 漲潮工況下水閘水位分布及上閘門開啟受力示意圖

圖6 落潮工況下水閘水位分布及下閘門開啟受力示意圖

根據(jù)力矩平衡原理：

(1)漲潮時，上閘門要實現(xiàn)開啟，需滿足

K1F1l2≥G1l1

(1)

式中：K1—上閘門動水壓力系數(shù)，與水位高度、閘門開啟過程中的角度、閘門自身尺寸等相關(guān)，由水力試驗得出，一般情況下，K1≥1；

l1—上閘門自重G1對于上門軸的力臂；

l2—上閘門外海側(cè)靜水壓力F1對于上門軸的力臂。

(2)落潮時，下閘門實現(xiàn)開啟，需滿足

(2)

式中：K2—下閘門動水壓力系數(shù)，與水位高度、閘門開啟過程中的角度、閘門自身尺寸等相關(guān)，由水力試驗得出，一般情況下，K2≥1；

l3—下閘門自重G2對于下門軸的力臂；

l4—下閘門圍內(nèi)側(cè)靜水壓力F2對于下門軸的力臂；

2 水力試驗研究

2.1 試驗場地與試驗?zāi)Ｐ?/h3>

試驗在浙江水利水電學(xué)院水動力學(xué)試驗室進行，試驗儀器采用浙江水利水電學(xué)院自制的圍內(nèi)外海域模擬水槽和上下雙孔單向閘門、潛水泵、閃粉(替代泥沙)。水槽內(nèi)的長寬高為1 000 mm×190 mm×500 mm，閘門為上下雙孔單向閘門，由門框和擋板兩部分構(gòu)成，擋板與閘門門框通過合頁連接，上閘門的寬高為150 mm×230 mm，下閘門寬高為150 mm×230 mm，閘門閉合時其傾斜坡角度為10°。閘門左側(cè)模擬外海側(cè)，右側(cè)模擬圍內(nèi)側(cè)，試驗裝置(見圖7)，上下雙孔單向閘門(見圖8)所示。利用高速相機抓拍試驗中的閘門工作時的照片(佳能750D，EF-S 18-135 1:3.5-5.6 STM)。

圖7 圍海綠色全自動水閘水力試驗裝置

圖8 上下雙孔單向閘門結(jié)構(gòu)

2.2 圍海綠色全自動水閘閘門開啟可行性模擬

在試驗過程中，使用潛水泵對水槽中的水位進行控制，通過閘門兩側(cè)水位的上升與下降，模擬現(xiàn)實中海域的漲潮落潮情況。用閃粉模擬現(xiàn)實中圍海海水中泥沙及懸浮質(zhì)成分，閃粉的密度大于水的密度，在靜水時可沉入水底，和現(xiàn)實中的泥沙特性相近[8-10]。通過水力試驗檢驗閘門是否能夠在閘門內(nèi)外側(cè)水壓力作用下實現(xiàn)自動啟閉。

(1)外海漲潮時上閘門開啟過程水力模擬

用潛水泵置于水槽外的儲水池中，將水體不斷注入水槽的閘門左側(cè)，模擬外海面漲潮時水位上升過程(見圖9(a))。隨著上閘門水壓力不斷增加，當水位達到一定高度時，上閘門實現(xiàn)自動開啟(見圖9(b))。

圖9 外海漲潮時上閘門開啟過程

(2)外海落潮時下閘門開啟過程水力模擬

使用潛水泵將閘門左側(cè)水槽中的水體抽出，模擬落潮時外海水位下降過程(見圖10(a))所示，隨著下閘門內(nèi)外側(cè)水位差產(chǎn)生的水壓力不斷增加，當下閘門內(nèi)外水位差達到一定差值時，下閘門實現(xiàn)自動開啟，水體攜帶著大量的泥沙從圍內(nèi)流出(見圖10(b))。

圖10 外海漲潮時上閘門開啟過程

通過試驗可以看出，本文設(shè)計的綠色閘門可以利用大海漲潮落潮的水位高度變化，實現(xiàn)閘門的自動啟閉。這種新型閘門工作時，完全不需要人工驅(qū)動其打開關(guān)閉，依靠自然的圍外水位變化即可以做到全自動運行、不耗費任何電能和人力。

2.3 圍海綠色全自動水閘凈水能力水力模擬

在初始狀態(tài)下，使閃粉模擬的泥沙均勻分布在水槽底部(見圖11)。通過潛水泵對水槽中的水體進行注入和抽出，可以模擬一個漲潮—落潮周期的水位變化。在每個周期結(jié)束待泥沙完全沉淀之后，拍照記錄水槽外海側(cè)和圍內(nèi)側(cè)泥沙數(shù)量的變化，圖12(a)和圖12(b)分別為閘門啟閉1個周期和5個周期的底部泥沙分布圖，從圖上結(jié)果可出，隨著閘門開啟周期次數(shù)的增加，圍內(nèi)側(cè)泥沙不斷減少，大部分的泥沙被沖積至水槽的外海側(cè)。本次試驗通過對比多個運行周期圍區(qū)內(nèi)外泥沙的變化情況，證明了全自動閘門有很好的排沙清淤、凈水換水效果，圍海綠色全自動水閘在運行過程中，漲潮時上閘門自動打開，從外海單向輸送清潔水體到圍內(nèi)；落潮時下閘門自動打開，將渾濁攜帶泥沙的水體輸送到外海。另外，由于閘門沒有底坎，水體流動不會產(chǎn)生泥沙淤積問題。

圖11 初始狀態(tài)下泥沙均勻分布狀況

圖12 閘門啟閉1個周期和5個周期的底部泥沙分布圖

3 結(jié)論

本文對圍海綠色全自動水閘在不同工況下閘門的運行情況進行了力學(xué)分析，并利用室內(nèi)水力試驗，驗證了圍海綠色全自動水閘閘門自動開啟的可行性及水閘的水質(zhì)凈化效果。通過力學(xué)分析和水力實驗證明，圍海綠色全自動水閘能夠在漲潮及落潮過程中，通過閘門的自動啟閉實現(xiàn)圍海海域的水體凈化。圍海綠色全自動水閘具有排沙清淤、凈水換水、不耗能等諸多優(yōu)點，為凈化圍海區(qū)域水質(zhì)提供了一種新的技術(shù)方案。未來待研究成熟后，若應(yīng)用于實際圍海工程中，可以以最小的運行成本達到有效凈化圍內(nèi)水質(zhì)的目的。對沿海地區(qū)的旅游景觀建設(shè)，海域水質(zhì)凈化和生態(tài)環(huán)境的構(gòu)建都將起到非常好的效果。