轨道式自动挡潮闸研究

孔令岑，王效涵，韩雅楠，周 靓，董小花，胡秀华，王春堂*

（1.山东农业大学 水利土木工程学院，山东 泰安 271018；2.滨州市引黄灌溉管理服务中心，山东 滨州 256603；3.泰安市水利局，山东 泰安 271000）

1 项目背景及研究意义

我国水资源年内、年际分布不均匀，在我国北方一些河流随季节年际变化大，常有年份无洪水出现，在此河段上安装带有启闭设备的闸门则会存在设备利用率低的问题，所以依靠水力作用来实现闸门启闭的闸门应运而生。本章所研究的轨道式自动挡潮闸门是在普通水力自动翻板闸门的基础上，进行创新和改进所形成的一种新型水力自动闸门，相比普通的水力自动闸门，此新型水力自动闸门结构更简单、运行安全可靠、绿色环保，不会产生泥沙淤积的问题。其研制有利于我国水工事业的发展，进一步为自动挡潮装置的优化提供技术参考。

2 闸门设计及工作原理

2.1 装置设计

本文所研究的模型设计简单，制作方便，模型长150 cm，宽30 cm，高40 cm，闸门高25 cm，宽20 cm，所用材料为亚克力板，模型主要由配水箱、泄水槽、闸门、轨道等组成，其具体组成如图1、图2 所示。

2.2 工作原理

如图1 所示，本文所研究的轨道式自动挡潮装置由上游配水箱进水管、上游配水箱、泄水槽进水口、滚轴支座、闸门主面板、闸门底板、上轨道、下轨道、泄水槽、泄水槽出水口、下游配水箱进水管、下游配水箱、泄水槽底板及横梁组成。本文所进行的模型实验中，泄水槽为向下游倾斜的连接河水与海水的通道，在实际工程运用中对地形的选择具有一定的要求，其主要作用为宣泄河水，防止海水向内陆回流倒灌。在进行模型实验时，通过配水箱进水口向配水箱中输水，上游配水箱中加入清水用来模拟河水，下游配水箱中加入清水后滴加若干滴墨水用来模拟海水，上下游配水箱及泄水槽顶部均为开口状态用来模拟天然河流与海洋；在泄水槽上方布置一条横梁可用来安置流速仪等设备，从而测定过流断面的流速。普通的水力自动翻板闸门是通过绕轴转动来实现闸门的开启和关闭，此水力自动闸门则是利用轨道来实现闸门的启闭。

如图2（a）所示，在闸门主面板及闸门底板两侧加止水片用来防止闸门侧身漏水，同时还能起到减小摩擦的作用；在闸门主面板下方安装底板，用来减小波浪的冲击力，防止海水倒灌，通过分析认为闸门主面板和闸门底板为一体式结构时抵抗波浪的能力更强，故本装置中闸门主面板和闸门底板采用一体式结构；在闸门主面板上方安置软塑料材质的闸门顶板用来保护闸门，减小外部环境对闸门的磨损。如图2（b）所示，在闸门与轨道之间安装滚轴支座用以两者之间的铰接，使闸门在轨道上能更顺利地移动，减少闸门与轨道之间的摩擦。

图2 闸门设计图

模型工作时通过输水管向上下游配水箱中分别加入一定的水量，当闸门上游水位较高，闸门受力达到极限平衡状态，若再向上游配水箱加水，则闸门沿着轨道向下游移动，如图1（a）所示，闸门主面板竖直，上下轨道水平，闸门向下游移动时，闸门底板与泄水槽底板之间的缝隙越来越大，从而完成泄水工作。当闸门下游水位较高，闸门受力达到极限平衡状态，若再向下游配水箱加水，则闸门沿着轨道向上游移动，将闸门推回上游位置，从而起到自动挡潮泄洪的作用。

图1 轨道式自动挡潮装置示意图

作用在闸门上的主要荷载有：闸门的自重G，闸门面板及底板上游面、下游面和底缘所受水压力的合力：Fp1、Fp2、Fp3、Fp4、Fp5、Fp6，轨道对闸门的支持力Fn，以及轨道与闸门之间的摩擦力fn1、fn2。如图3 所示。

图3 闸门受力图

如图3 所示，该模型装置工作时，闸门在自重G，所受水压力的合力Fp1、Fp2、Fp3、Fp4、Fp5、Fp6，受到的支持力Fn，所受的摩擦力fn1、fn2的作用下达到平衡，当闸门受力达到极限平衡状态时闸门的移动由上下游水位的高低来决定。该装置利用力学平衡的原理来控制闸门的移动；装置利用上下游水位的高低来达到自动挡水挡潮的目的。闸门面板下侧的底板可以抵挡波浪的冲击力，起到消能的作用，从而减弱海水倒灌的程度。

3 闸门挡水挡潮效果

3.1 实验一：研究闸门上游挡水效果

在模型上下游的配水箱中分别加入一定量的水，实验时下游所加水量明显低于上游的加水量，此时闸门处于静态的平衡状态，然后持续缓慢地向闸门上游配水箱中加水，直到闸门沿着轨道向下游移动时停止加水，测出此时的极限水位差ΔH，进行多次实验，对得到的多组水位差ΔH取平均值作为最终的实验结果，此平均值水位差即能反应出闸门上游的挡水能力。实验效果如图4 所示。

图4 闸门挡水实验效果图

按照上述方法进行实验，测出平均水位差ΔH约为5 cm，通过计算可知当上游水压力大于下游水压力约300 Pa 时，闸门向下游移动，认为该模型闸门挡水效果较好。

3.2 实验二：研究闸门下游挡潮效果

在模型闸门的两侧加入水，下游一侧加入几滴墨水来模拟海水，上游一侧加入清水来模拟河水，利用软水管震荡闸门下游一侧的墨水来模拟海水在波浪、风力作用下的来潮现象，通过观察闸门两侧水的汇流情况来反应海水的倒灌程度以及挡潮效果。

按照上述方法进行实验，通过图5、图6 可以看出在闸门两侧两种类型的水具有较为明显的界线，本文中认为该模型闸门下游挡潮效果较好。

图5 闸门挡潮实验侧视图

图6 闸门挡潮实验俯视图

3.3 实验三：研究闸门底板抵抗波浪力的效果

设置对照组实验A 和实验B，A 组实验取下闸门底板，在模型闸门的两侧加入水，下游一侧加入带有墨水的自来水，上游一侧加入清水，分别用以模拟海水和河水，观察闸门两侧不同类型的水的汇流情况；B 组实验安装上闸门底板，然后重复A 组实验的步骤形成对照实验。最后分别观察闸门两侧不同类型的水的汇流情况，从而可以反映出闸门底板抵抗波浪力的效果。

按照上述方法进行实验，如图7、图8 所示，发现安装闸门底板时，闸门底端的墨水向上游入侵的程度弱，这反应安装闸门底板可以起到一定的消能作用，从而防止海水入侵，使海水与河水的交界线向海洋一侧迁移，有利于人类的生产生活。

图7 安装底板挡潮效果图

图8 不安装底板挡潮效果图

4 与其他类型闸门对比

本文中将研究的轨道式自动挡潮闸门与目前社会上存在的传统类型的闸门、自动启闭的悬挂式闸门、铰式闸门相比较，建立数学评价模型，利用层次分析法，通过查阅资料，问询专家老师意见，从闸门的自动化程度、抵抗波浪能力、抵抗风力能力3个方面给出评价的判断矩阵，对闸门进行评价。

首先建立层次分析系统，确定目标层、准则层、方案层，然后确定出分析系统中各因素之间的关系，建立系统的递阶层次结构，如图9 所示。

图9 层次分析结果树状图

对于同一层次的各元素关于上一层次中某一准则的重要性进行两两比较，构造出评价判断矩阵，具体见表1-表3。

表1 闸门自动化控制程度判断矩阵

表2 闸门抵抗波浪力能力判断矩阵

表3 闸门抵抗风力能力判断矩阵

根据以上评价判断矩阵，利用算术平均法、几何平均法和特征值法对矩阵进行计算，对3 种方法取平均值并进行归一化处理作为最终理论结果见表4。

表4 各闸门准则层归一化平均分

通过以上建立的数学评价模型可以得出结论：本文所研究的轨道式自动水力闸门在自动化程度、抵抗波浪力能力、抵抗风力能力方面较其他类型闸门都具有较大的优势。

与传统的挡潮闸门相比，本文研究闸门最大的特点就是自动控制，利用上下游的水位差来控制闸门的移动，当上游水位较高时，闸门向下游移动，用以宣泄洪水；当下游水位较高时，闸门向上游移动，防治海水入侵。不但可以对上游积水及时疏放，还可以有效地防止海水倒灌。与铰式水动力自动翻倒式挡潮闸门相比，本文所研究的闸门可以有效消除波浪作用力对上下游两侧水位差的动态影响，有效缓解波浪作用力。与悬挂形式的水力自控闸门相比，本文所研究的闸门可以消除风力的影响。相信一旦投入实际应用中一定会带来巨大的效益。

5 结束语

本文所研究的轨道式自动挡潮闸门可以实现自动控制，工作时无须人工操作，简单方便，解决了传统挡潮闸费时费力，不利于推广的问题。本装置集传统挡潮闸门、悬挂式、铰式闸门优点于一体，结构简单，工作绿色环保，充分体现了智慧水利的特点，适合在广大沿海地区推广使用，可为新型水利设备的设计及改进提供参考。