底轴驱动下卧式钢闸门水力计算方法探讨

赵双双，谭文彪

（广州市水务规划勘测设计研究院，广东广州510640)

底轴驱动下卧式钢闸门水力计算方法探讨

赵双双，谭文彪

（广州市水务规划勘测设计研究院，广东广州510640)

底轴驱动下卧式钢闸门是一种双向进水的新型水工闸门，该闸门在运行时所形成的水流形态较为复杂。以新担涌东闸的底轴驱动下卧式钢闸门为例，对其运行工况及水力计算问题进行探讨，根据水闸的实际功能要求，合理设计闸门的运行工况，并根据水流方向及闸门开启角度的不同，将下卧式钢闸门简化为无坎宽顶堰流及薄壁堰流的计算模型来进行水力计算。根据新担涌水闸的相关模型试验及工程建成后的运行情况对比认为：该方法的计算成果具有一定的精度，满足工程设计要求。

底轴驱动；运行工况；过闸流量；消能防冲；计算分析

1 工程概况

新担涌位于广州市黄埔区长洲岛中部，呈西南向东北走向，全长约2200 m。新担涌水闸东闸，是目前我国第一座将廊桥和水闸结合，景观与防洪（潮）、通航兼顾，凸显岭南特色的大型景观闸桥。东闸选址位于4号涌外侧，距离新担涌东端口120 m。

根据过闸流量计算及结合河道的地形确定水闸总宽134.0 m，共7孔。中孔采用18.0 m，其余各孔宽12.0 m，中墩宽6.0 m，边墩宽5.5 m。水闸的结构型式采用开敞式，闸门型式为底轴驱动下卧钢闸门。中孔底槛高程-3.0 m；边孔底槛高程-2.50 m。水闸工程的防洪（潮）标准为200年一遇，工程等别为Ⅰ等，确定主要建筑物级别1级，次要建筑物级别3级，临时性建筑物级别4级[1]。

2 水闸调度运行工况

根据水闸的功能任务，水闸运行时存在着防洪（潮）、排涝调蓄、景观引水、排水、蓄水五种运行工况。

2.1 正常运行工况：

2.1.1 防（洪）潮工况

东闸挡外江200年一遇设计（洪）潮水位2.65 m，水闸运行不利的水位组合为：内低外高——闸内0.0 m（预排水位），闸外水位2.65 m，即闸内外最大水头差为2.65 m。

2.1.2 排涝调蓄工况

排涝过程中，若外江水位低于0.80 m，则开启东闸与西闸同时排涝；若外江水位高于0.80 m并持续上涨，则关闭东、西闸，发挥长洲湖调蓄作用，直至闸内水位高于外江时，开闸排水。

内涌20年一遇洪峰流量为50.5 m3/s。采用内涌20年一遇设计洪水遭遇外江多年平均高高潮的排涝组合，关闸调蓄后闸内最高排涝水位为1.84 m（考虑闸内起调水位为降雨前的景观水位0.80 m）。

2.1.3 景观引水工况

新担涌及内河涌在换水完成后，需要引水至景观水位0.8 m以上。利用涨潮过程，潮位在-0.1 m~0.9 m之间，关闭西闸，开启东闸引水。内涌水位由-0.2 m引至景观水位0.8 m，总引水量为27.42万m3，引水历时2.46 h（保证率为75%）。

2.1.4 景观排水工况（备用工况）

一般情况下，长洲湖及内河涌需要排水时，利用落潮过程，潮位在0.7 m~-0.3 m之间，关闭东闸，开启西闸排水。特殊情况下，也可由东闸排水。内涌水位由0.8 m景观水位排至-0.2 m，总排水量为27.42万m3，排水历时3.29 h（保证率为75%）。

2.1.5 景观蓄水工况

因水景观的要求，多数时间要求关闸蓄水，闸内控制景观水位为0.80 m~1.20 m。此工况对水闸运行不利的水位组合有：

a.内高外低：闸内为0.80 m，闸外水位为多年平均低低潮位-0.88 m，即闸内外最大水头差为1.68 m。

b.内低外高：闸内为0.8 m，闸外水位为200年一遇设计（洪）潮水位2.65 m，即闸内外最大水头差为1.85 m。

2.2 非常运行工况

当出现持续的极端高潮或极端低潮时，水闸的调度需要根据实际的挡潮、引水、排水和景观的实际要求，灵活制定相应的水闸调度运行方案，缩小水闸上、下游的水头差，以降低水闸的安全隐患。

3 过流能力计算

3.1 计算工况选取

拟定不利的上、下游水位进行计算，校核水闸过流能力是否满足。采用排涝时，内涌建闸后最高排涝水位1.84 m对应外江水位1.74 m的工况计算。

3.2 计算方法

排涝时闸门完全打开，按照平底宽顶堰流计算。因，故按高淹没度堰流公式计算，

式中：B0为闸孔总净宽（m）；Q为过闸流量(m3/s)；为计入行近流速水头的堰上水深(m)；g为重力加速度(m/s2)；hs为由堰顶算起的下游水深（m）；μ0为淹没堰流综合流量系数[2]。

水闸过流能力计算成果见表1。

表1 水闸过流能力计算成果表

从表1可以看出，排涝时水闸过闸流量大于内涌二十年一遇洪峰流量50.5m3/s，故满足水闸过流能力要求。

4 消能防冲计算

4.1 消能防冲计算内容及步骤分析

（1）按照引水、排水和排涝三种工况组合下，控制闸门的开启角度，计算出相应工况下的过闸流量。闸门完全开启时按照无坎宽顶堰流计算过流量，有一定开启角度时，按照薄壁堰流计算过流量，堰顶高程随闸门开启角度而变动。

（2）进行消力池深度和长度计算。当水流由内涌向外涌流动，且闸门开启角度大于0时为薄壁堰流，此时消力池深度应按照单级跌水计算。其他工况下可按照底流消能进行计算。

4.2 计算工况选取

结合水闸运行情况，按两种功能分别拟定水位组合：

（1）引换水：引水时，采用内涌日常最低排水水位-0.2 m，外江潮位0.3 m，控制内外水位差≤0.5 m；排水时，采用内涌水为景观水位0.8 m，外江水位为多年平均低潮位-0.88 m，此时，上下游水位差较大，闸门开启的始流条件较不利，闸门初始开启暂按0.2 m计算（按水工模型试验测定及闸门振动试验复核调整）。

（2）排涝：根据水文调蓄计算过程线，选取较不利的闸上、下游水位~水闸排出流量计算，即内涌最高排涝水位1.84 m，外江1.65 m。

4.3 过闸流量计算

（1）堰高计算

闸门运行时，过闸水流为堰流。下卧式闸门运行方式为门叶随门轴转动。堰顶高程（门顶高程）随着闸门开启角度的不同而变化。根据门叶和转轴的几何尺寸推算出堰高（门竖直方向上的投影）公式：

式中：P为堰高，m；θ为闸门的开启角度，°（0°≤θ≤90°）。

闸门开启角度是指闸门运行时闸门门叶与水平面的夹角，闸门全开时为0°。当闸门开启角度为0°时，为宽顶堰；当闸门开启角度为90°时，为矩形薄壁堰。

图1堰高计算简图

（2）宽顶堰堰流公式

对于平底闸，当为堰流时，流量计算公式如下：

式中：Q为过闸流量，m3；σ为堰流淹没系数；ε为堰流侧收缩系数；m为堰流流量系数；B为闸孔总净宽，m；H为堰上水头，m；H0为计入行进流速水头的堰上水深，m；φ为孔流流速系数，可采用0.95~1.0；α为水流动能校正系数；p为上游堰高，m；g为重力加速度，m/s2；b0为闸孔净宽，m；N为闸孔数；εz为中闸孔侧收缩系数；dz为中闸墩厚度，m;εb为边闸孔侧收缩系数；bb为边闸墩顺利水流向边缘线至上游河道水边线之间的距离，m；hs为由堰顶算起的下游水深，m[2]。

（3）薄壁堰堰流公式

当堰顶宽度与堰上水头的比值，δ/H＜0.67为薄壁堰流。矩形薄壁堰的流量计算公式如下：

为了便于根据直接根据水头来计算流量，可将上式改写，把行近流速的影响包括在流量系数中：

式中，包括行近流速影响的流量系数m0可按下列经验公式计算：

式中：Q为过闸流量，m3；σ为堰流淹没系数；ε为堰流侧收缩系数；m为堰流流量系数；B为闸孔总净宽，m；H为堰上水头，m；H0为计入行进流速水头的堰上水深，m；φ为孔流流速系数，可采用0.95~1.0；α为水流动能校正系数；p为上游堰高，m[3]。

根据以上公式，可根据各工况求得相应水位下的过闸流量，见表2所示。

表2 计算工况表

4.4 消力池计算

4.4.1 底流消能消力池计算

当水流由内涌侧流向外江侧且闸门开启角度等于0时，消力池按照底流消能计算。当水流由外江侧流向内涌侧时，均按照底流消能计算消力池。因此，工况一、二、三及工况五消力池深度计算均采用底流消能计算公式。

式中：d为消力池深度，m；σ0为水跃淹没系数，采用1.05；hc''为

表3 消力池计算成果表

表4 跌水情况下消力池计算成果表

跃后水深，m；hc为收缩水深，m；α为水流动能校正系数；q为过闸单宽流量，m3/s.m；b1为消力池首端宽度，m；b2为消力池末端宽度，m；T0为由消力池底板顶算起的总势能，m；ΔZ为出池落差，m；hs'为出池河床水深，m[2]。

整理以上四式，试算可得出hc值，进而求得消力池深度。

消力池长度计算公式为：

式中：Lj为水跃长度，m；Lk为消力池长度，m[2]。

在排涝工况下闸门完全打开时，应将闸门的水平投影长度lm计入消力池的长度。具体计算结果见表3。

4.4.2 单级跌水消力池计算

工况四情况下，闸门开启角度大于0为薄壁堰流，水流由内涌侧流向外江侧，消力池深度应按照单级跌水计算。计入水舌上游侧面的水垫静水压力作用时，按照下列经验公式计算：

跌落水舌长度：ld=4.30D0.27P；水舌后水深：hp=D0.22P；收缩水深：hc=0.54D0.425P；跃后水深：h''c=1.66D0.27P；水跃长度：lj=（1.9h''c-h）c；池深：s=h''-ht；池长：ls=ld+0.8lj。式中；q为单宽流量[3]。

由于闸门开启时有一定的倾斜角度，故消力池的长度应计入闸门的水平投影长度。计算结果见表4。

经计算，引水工况需在内涌侧设置0.49 m深,8.57 m长的消力池；排涝工况下不需要设置消力池。根据以往工程经验，结合底轴驱动闸门的安装尺寸要求，本工程在水闸内涌侧设置1.0 m深，12.70 m长的消力池，外江侧设置1.5 m深，22.40 m长的消力池，满足要求。

5 结论

通过以上计算可知，底轴驱动下卧式钢闸门水力计算与水流方向及闸门的开启角度大小紧密相关。

底轴驱动下卧式钢闸门的水力计算问题复杂，本文仅对其进行了初步的探讨，提出了一种简单的计算方法。根据新担涌水闸的相关模型试验及工程建成后的运行情况比对，该方法的计算成果具有一定的精度，满足工程设计要求，具有一定的参考价值。闸门的启闭速度，闸门门后的通气量及水动力引起的闸门振动等一系列的因素对于水力计算的影响，有待于进一步的深入研究。

[1]广州市水务规划勘测设计研究院.广州市黄埔区长洲岛新担涌水闸工程初步设计报告[R].广州：广州市水务规划勘测设计研究院，2012.

[2]江苏省水利勘测设计研究院.水闸设计规范(SL265-2001) [S].北京：中国水利水电出版社，2001.

[3]李炜.水力计算手册（第二版）[M].北京：中国水利水电出版社，2006.

TV663

B

1673-9000（2017）03-0147-03

2017-02-08

赵双双（1985-），女，河北邯郸人，工程师，主要从事水利工程设计工作。