关于采用水力自控翻板门水闸的过流能力及消能防冲的探讨

王 倩

（宁乡县水利水电勘察设计院 长沙市 410600）

水力自控翻板闸门是一种水工闸门，其功能是作为“活动”挡水建筑物，取代固定堰或降低溢流堰顶的高度，有效调节库容，从而减少淹没损失、泥沙淤积，降低工程造价和运行费用。

整个装置的运行过程主要依靠水压、闸门自重及滚轮对闸门支撑力间相互作用力的变化，在没有任何辅助动力和人为操作情况下，自动开启、关闭闸门。其优点如下：

（1）闸门是随上游水位变化来调整开启度而逐步增减下泄量，开门和关门跟随水位变化，其变化过程非常平稳，使得水闸在消能防冲方面变得更加有利；

（2）采用钢筋混凝土现场制造闸门的方式，可以降低工程造价、增加使用寿命、减少运行维护费用；

（3）工作可靠性很高，不会因机械故障和电气故障而影响运行；

（4）运行成本低，在改善生态环境，防洪、灌溉、发电等方面均具有较高的经济效益。

因此，本文在依据有关资料进行水力计算的基础上，结合杨家桥水闸、滩山铺水闸等工程的设计、运行情况，对采用水力自控翻板闸门水闸过流能力及消能防冲进行分析和总结。

1 水力自控翻板闸门泄流特性

根据厂家提供模型试验资料，水力自控翻板闸门在整个泄水过程中要经过四种状况即闸门全关蓄水、闸门倾斜小角度泄流、上游水位上升增大开度泄流、闸门全开（图 1～图 4）。

图1 闸门全关蓄水状况

图2 闸门成一定倾角小开度泄流（门顶、底出流）状况

图3 上游水位继续升高增大开度（门顶、底出流）状况

翻板门全开前，下泄流量不仅是门前水位的函数而且还与翻板门开度成正比；而当翻板门全开后，下泄流量仅随门前水位的变化而变化。涨水时当河水位高于门顶高程（0.1～0.3）m时，翻板门开始翻启泄流，门前水位随着上游来水量的增大而升高，翻板门的下泄流量又随着门前水位的上涨而增大，但闸门开度增加滞后于来水量的增加。翻板门门前水位～下泄流量曲线在河道开始涨水时呈上升趋势；当翻板门与水平夹角等于45°时，翻板门挡水功能开始逐渐减退，翻板门门前水位～下泄量曲线开始转为下降，这是因为水流流态逐渐向全堰流转变，泄量陡增而出现的现象。翻板门全开后，随着来水量的继续增大，下泄流量也随之增大，曲线开始上升而不再反复，当下泄设计流量时，门处于全开状态。随着来水减少门前水位下降即沿涨水曲线回复，当来水流量小至设计下泄流量时，翻板门开始减少开度，因翻板门开度减小滞后，此时某水位下翻板门实际泄量大于河道中所需的下泄流量，随着来水流量进一步减少而门前水位继续降低，翻板门也将随着门前水位的降低开始关闭，但该退水曲线不再重复涨水曲线；随着翻板门的逐渐关闭并至一定开度后，其挡水功能随之加强，门前水位逐渐壅高，翻板门也随着来水流量的进一步减少而继续关闭，门前水位随之逐渐升高，直至正常高水位，至此，翻板门完全关闭，开始正常挡水（图 1～4）。

图4 上游水位升高到一定程度，闸门倒平成一定角度支承在支墩上（全开泄流）状况

在整个泄水过程中，闸门是随上游水位变化来调整开启度而逐步增减下泄量，运行过程平稳，使得水闸在消能防冲方面变得更加有利。

2 泄流能力计算

一般闸门在泄流时是根据开启度e与堰前水深H之比来判别流态的，当e/H＜0.65时为孔流，e/H＞0.65时为堰流；而水力自控翻板闸门泄流的流态是根据厂家模型试验确定的闸门倾倒角度α来判别流态的，当α＜75°（闸门部分开启）时，闸门上部为堰流，下部为孔流，当α=75°（闸门全开）时，为堰流。因此，翻板门全开与部分开启要分别按不同的流量公式计算下泄流量。

（1）闸门倾倒角度 α＜75°（闸门部分开启）。

门上为薄壁堰溢流、门下为闸孔出流，泄流量为二者之和。

a、薄壁堰溢流公式：

式中H——堰上水头；

mo——包含行近流速影响在内的薄壁堰流量系数。

其中，薄壁堰流量系数mo可用雷保克的经验公式计算：（适用条件为H≥2.5 m；H/a≤2）

式中a——上游堰高（m）。

b、闸孔出流公式：

H0——闸孔全水头

ε2——垂直收缩系数；

e——闸孔开度；

H——堰上水头；

α0——动能修正系数。

（2）闸门倾倒角度 α=75°（闸门全开）。

泄量计算采用模型试验公式：

式中b——翻板门段泄流总净宽（m）；

σs——翻板门段淹没系数；

m——翻板门段流量系数，由以往模型试验公式计算得出；

ε——由于枢纽布置所形成的翻板门段的侧收缩系数；

H0——翻板门段堰上全水头（m）；H0=H+/2g；

H——翻板门段堰上水头（m）；

v0——行进流速（m/s）；

其中，侧收缩系数计算公式如下：

式中bo——闸孔净宽（m）；

N——闸孔数；

εz——中闸孔侧收缩系数；

dz——中闸墩厚度（m）；

εb——边闸孔侧收缩系数；

bb——边闸墩顺水流向边缘线至上游河道水边线之间的距离（m）；

hs——由堰顶算起下游水深（m）。

翻板门段流量系数计算公式为：

式中 Σb——翻板闸总净宽度(m)；

A——闸门铅垂挡水高(m)；

θ——闸门全开时与铅垂面的夹角（θ=75°）；

p——上游堰高(m)。

现以“杨家桥水闸重建工程”为实例根据以上公式进行过流计算。

杨家桥水闸位于长沙县路口镇，地处湘江三级支流麻林河下游。闸址以上集水面积148.28 km2，河道干流长23.69 km，坡降1.4‰。设计洪峰流量为587.8 m3/s（20年一遇），校洪峰流量为722.62 m3/s（50年一遇）。

本工程泄洪闸建基面高程为38.5 m，闸底板高程为40.9 m，门顶高程为43.4 m；安装6张钢筋混凝土水力自控翻板闸门，闸门尺寸为8 m×2.5 m（宽×高）。

根据以上公式计算求得“杨家桥水闸”上游泄流曲线关系如表1。

表1 上游泄流曲线表

由表可绘制出水位-流量关系曲线关系图（图5）。

图5 水位～流量关系曲线

3 消能防冲计算

本次仍以“杨家桥水闸重建工程”为实例进行消能防冲计算。

3.1 消力池的水力计算

（1）水流衔接状态的判别。

在进行消能防冲设计前，必须判别水流衔接状态，如果发生远离水跃、临界水跃（跃后水深hc跃后≥下游水深ht），则要采取消能防冲措施，如果发生淹没水跃（跃后水深hc跃后＜下游水深ht），则可以不设消能防冲措施。

a、收缩水深hc的计算。

假定一系列流量，查上、下游水位流量关系曲线得出不同流量的上、下游水位，然后运用下式计算h：：

式中 φ——流速系数，取0.95；

Q——下泄流量；

B——消能池宽度；

T0——上游水位与上游河床高程之差；

经计算可得出一系列的hc值，见表2。

b、跃后水深和下游水深的确定。

① 跃后水深hc跃后

经计算可得出一系列的hc跃后值，见表2。

② 下游水深ht

下游水深为下游水位与下游河床高程之差，根据不同流量的下游水位得出一系列的ht，见表2。

将上述计算得出的一系列跃后水深hc跃后与下游水深ht进行比较，如果 hc跃后≥ht，则需设消力池；如果 hc跃后＜ht，则不需要设消力池。比较结果见表2。

（2）消能工设计流量的确定。

消能工设计流量为 （hc跃后-ht）的最大值所对应的流量，计算得（hc跃后-ht）最大值为 0.72 m，故其对应的流量Q=33.41 m3/s即为所求。

（3）消力池的水力计算。

a、消力池深 s。

表2 消力池水力计算表

式中 △z——消力池出口水面落差；

σ——安全系数，可取σ=1.05～1.10；

φ——消力池出流的流速系数，一般取0.95。

经过计算，在消能工设计流量Q=33.41m3/s时，s=0.52m

b、消力池长 Lsj。

式中Lsj——消力池长度；

Ls——消力池斜坡段水平投影长度；

β——水跃长度校正系数，可采用0.7~0.8；

Lj——水跃长度。

经过计算，在消能工设计流量Q=33.41 m3/s时，Lj=6.42 m，得 Lsj=11.18 m

3.2 海漫长度、防冲槽的确定

（1）海漫长度的确定。

式中 △H——水闸上、下游水位差（m）;

k——系数，视消能的状况和河床土质的容许流速而定。

经过计算，在消能工设计流量Q=33.41 m3/s时，得LP=13.45 m。

（2）冲刷坑深度dm的确定。

根据《水闸设计规范》（SL 265-2001）条文说明第5.0.12条可知，参照已建水闸工程的实践经验，下游防冲槽深度一般为（1.5～2.5）m，防冲槽内的抛石数量可根据下游河床冲至最深时，块石可能坎塌的情况而定。此次设计取dm=2 m。

3.3 实际工程运行情况

滩山铺水闸位于长沙市宁乡县横市镇，是沩水河支流流沙河上的一处大 （Ⅱ）型水闸。闸址控制集水面积401 km2，河道干流长 47 km，坡降3.26‰。该水闸于1979年冬动工，1982年5月竣工投入使用。设计洪峰流量为1092.48 m3/s（30年一遇），校核洪峰流量为1206m3/s（50年一遇）。泄洪闸长72.45 m，正常蓄水位101.0 m，堰顶高程为98.00 m。堰顶装有12扇多绞水力自动翻板门，门高3.0m，宽6.0 m。滩山铺水闸消力池水平段长8.65 m，池深1.0 m。底板厚度为0.6 m。消力池尾端为裸露岩石，未设海漫、防冲槽。

当闸门开始泄水时，闸门是随上游水位增加来逐步增大开启度而增加下泄量，下游水位也随之上涨。当下泄流量不大时，下游已经有较大的水深。水闸自1982年运行至今，其中经历了几次较大的洪水（1998年、2006年），消力池一直运行良好，没有损坏过。

4 结语

经过对水力自控翻板闸门泄流能力的分析，可以得知，水力自控翻板闸门利用水压力和闸门自重平衡的原理，增设阻尼反馈系统（滚轮、连杆机构），达到随着上游水位升高逐渐开启泄流、上游水位下降逐渐回关蓄水的目的，使上游水位始终保持在要求的范围内。

根据水力自控翻板闸的运行特点（从图中可见），堰前水位壅高之峰值不处在下泄量最大时，即最高泄量滞后于最高水位，翻板门越高，水位超前升高越快越大。因此，如果使用了门高较高的翻板，当洪水流量没有达到相应设计洪水标准时，洪水位已达到甚至超过设计洪水位标准。这样使得工程在小于洪水标准的洪水中已产生了较大的淹没，给上游造成了更大的淹没损失，在水力自控翻板闸门的工程实施过程中应特别注意这一点。

经过对采用水力自控翻板闸门的水闸消能防冲的分析可以得知，由于水力自控翻板闸存在闸门是随上游水位变化来调整开启度而逐步增减下泄量，其变化过程非常平稳的运行特点，加上在闸门全开前，门顶上部溢流的水落在门底溢流的水流上，因此采用水力自控翻板闸门的水闸，在消能防冲方面变得更加有利。

因此，在使用水力自控翻板闸时，应从水力自控翻板闸的特点、设计上加深理解和认识，这样才能使水力自控翻板闸在低水头水闸工程中得到更广泛的使用，更好地发挥作用。