底軸驅動下臥式鋼閘門水力計算方法探討

趙雙雙，譚文彪

（廣州市水務規劃勘測設計研究院，廣東廣州510640)

底軸驅動下臥式鋼閘門水力計算方法探討

趙雙雙，譚文彪

（廣州市水務規劃勘測設計研究院，廣東廣州510640)

底軸驅動下臥式鋼閘門是一種雙向進水的新型水工閘門，該閘門在運行時所形成的水流形態較為復雜。以新擔涌東閘的底軸驅動下臥式鋼閘門為例，對其運行工況及水力計算問題進行探討，根據水閘的實際功能要求，合理設計閘門的運行工況，并根據水流方向及閘門開啟角度的不同，將下臥式鋼閘門簡化為無坎寬頂堰流及薄壁堰流的計算模型來進行水力計算。根據新擔涌水閘的相關模型試驗及工程建成后的運行情況對比認為：該方法的計算成果具有一定的精度，滿足工程設計要求。

底軸驅動；運行工況；過閘流量；消能防沖；計算分析

1 工程概況

新擔涌位于廣州市黃埔區長洲島中部，呈西南向東北走向，全長約2200 m。新擔涌水閘東閘，是目前我國第一座將廊橋和水閘結合，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號涌外側，距離新擔涌東端口120 m。

根據過閘流量計算及結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。水閘的結構型式采用開敞式，閘門型式為底軸驅動下臥鋼閘門。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）標準為200年一遇，工程等別為Ⅰ等，確定主要建筑物級別1級，次要建筑物級別3級，臨時性建筑物級別4級[1]。

2 水閘調度運行工況

根據水閘的功能任務，水閘運行時存在著防洪（潮）、排澇調蓄、景觀引水、排水、蓄水五種運行工況。

2.1 正常運行工況：

2.1.1 防（洪）潮工況

東閘擋外江200年一遇設計（洪）潮水位2.65 m，水閘運行不利的水位組合為：內低外高——閘內0.0 m（預排水位），閘外水位2.65 m，即閘內外最大水頭差為2.65 m。

2.1.2 排澇調蓄工況

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排澇；若外江水位高于0.80 m并持續上漲，則關閉東、西閘，發揮長洲湖調蓄作用，直至閘內水位高于外江時，開閘排水。

內涌20年一遇洪峰流量為50.5 m3/s。采用內涌20年一遇設計洪水遭遇外江多年平均高高潮的排澇組合，關閘調蓄后閘內最高排澇水位為1.84 m（考慮閘內起調水位為降雨前的景觀水位0.80 m）。

2.1.3 景觀引水工況

新擔涌及內河涌在換水完成后，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，關閉西閘，開啟東閘引水。內涌水位由-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，長洲湖及內河涌需要排水時，利用落潮過程，潮位在0.7 m~-0.3 m之間，關閉東閘，開啟西閘排水。特殊情況下，也可由東閘排水。內涌水位由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，多數時間要求關閘蓄水，閘內控制景觀水位為0.80 m~1.20 m。此工況對水閘運行不利的水位組合有：

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

b.內低外高：閘內為0.8 m，閘外水位為200年一遇設計（洪）潮水位2.65 m，即閘內外最大水頭差為1.85 m。

2.2 非常運行工況

當出現持續的極端高潮或極端低潮時，水閘的調度需要根據實際的擋潮、引水、排水和景觀的實際要求，靈活制定相應的水閘調度運行方案，縮小水閘上、下游的水頭差，以降低水閘的安全隱患。

3 過流能力計算

3.1 計算工況選取

擬定不利的上、下游水位進行計算，校核水閘過流能力是否滿足。采用排澇時，內涌建閘后最高排澇水位1.84 m對應外江水位1.74 m的工況計算。

3.2 計算方法

排澇時閘門完全打開，按照平底寬頂堰流計算。因，故按高淹沒度堰流公式計算，

式中：B0為閘孔總凈寬（m）；Q為過閘流量(m3/s)；為計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[2]。

水閘過流能力計算成果見表1。

表1 水閘過流能力計算成果表

從表1可以看出，排澇時水閘過閘流量大于內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 消能防沖計算

4.1 消能防沖計算內容及步驟分析

（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，計算出相應工況下的過閘流量。閘門完全開啟時按照無坎寬頂堰流計算過流量，有一定開啟角度時，按照薄壁堰流計算過流量，堰頂高程隨閘門開啟角度而變動。

（2）進行消力池深度和長度計算。當水流由內涌向外涌流動，且閘門開啟角度大于0時為薄壁堰流，此時消力池深度應按照單級跌水計算。其他工況下可按照底流消能進行計算。

4.2 計算工況選取

結合水閘運行情況，按兩種功能分別擬定水位組合：

（1）引換水：引水時，采用內涌日常最低排水水位-0.2 m，外江潮位0.3 m，控制內外水位差≤0.5 m；排水時，采用內涌水為景觀水位0.8 m，外江水位為多年平均低潮位-0.88 m，此時，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計算（按水工模型試驗測定及閘門振動試驗復核調整）。

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

4.3 過閘流量計算

（1）堰高計算

閘門運行時，過閘水流為堰流。下臥式閘門運行方式為門葉隨門軸轉動。堰頂高程（門頂高程）隨著閘門開啟角度的不同而變化。根據門葉和轉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行時閘門門葉與水平面的夾角，閘門全開時為0°。當閘門開啟角度為0°時，為寬頂堰；當閘門開啟角度為90°時，為矩形薄壁堰。

圖1堰高計算簡圖

（2）寬頂堰堰流公式

對于平底閘，當為堰流時，流量計算公式如下：

式中：Q為過閘流量，m3；σ為堰流淹沒系數；ε為堰流側收縮系數；m為堰流流量系數；B為閘孔總凈寬，m；H為堰上水頭，m；H0為計入行進流速水頭的堰上水深，m；φ為孔流流速系數，可采用0.95~1.0；α為水流動能校正系數；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；εz為中閘孔側收縮系數；dz為中閘墩厚度，m;εb為邊閘孔側收縮系數；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算公式如下：

為了便于根據直接根據水頭來計算流量，可將上式改寫，把行近流速的影響包括在流量系數中：

式中，包括行近流速影響的流量系數m0可按下列經驗公式計算：

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

根據以上公式，可根據各工況求得相應水位下的過閘流量，見表2所示。

表2 計算工況表

4.4 消力池計算

4.4.1 底流消能消力池計算

當水流由內涌側流向外江側且閘門開啟角度等于0時，消力池按照底流消能計算。當水流由外江側流向內涌側時，均按照底流消能計算消力池。因此，工況一、二、三及工況五消力池深度計算均采用底流消能計算公式。

式中：d為消力池深度，m；σ0為水躍淹沒系數，采用1.05；hc''為

表3 消力池計算成果表

表4 跌水情況下消力池計算成果表

躍后水深，m；hc為收縮水深，m；α為水流動能校正系數；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，進而求得消力池深度。

消力池長度計算公式為：

式中：Lj為水躍長度，m；Lk為消力池長度，m[2]。

在排澇工況下閘門完全打開時，應將閘門的水平投影長度lm計入消力池的長度。具體計算結果見表3。

4.4.2 單級跌水消力池計算

工況四情況下，閘門開啟角度大于0為薄壁堰流，水流由內涌側流向外江側，消力池深度應按照單級跌水計算。計入水舌上游側面的水墊靜水壓力作用時，按照下列經驗公式計算：

跌落水舌長度：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；水躍長度：lj=（1.9h''c-h）c；池深：s=h''-ht；池長：ls=ld+0.8lj。式中；q為單寬流量[3]。

由于閘門開啟時有一定的傾斜角度，故消力池的長度應計入閘門的水平投影長度。計算結果見表4。

經計算，引水工況需在內涌側設置0.49 m深,8.57 m長的消力池；排澇工況下不需要設置消力池。根據以往工程經驗，結合底軸驅動閘門的安裝尺寸要求，本工程在水閘內涌側設置1.0 m深，12.70 m長的消力池，外江側設置1.5 m深，22.40 m長的消力池，滿足要求。

5 結論

通過以上計算可知，底軸驅動下臥式鋼閘門水力計算與水流方向及閘門的開啟角度大小緊密相關。

底軸驅動下臥式鋼閘門的水力計算問題復雜，本文僅對其進行了初步的探討，提出了一種簡單的計算方法。根據新擔涌水閘的相關模型試驗及工程建成后的運行情況比對，該方法的計算成果具有一定的精度，滿足工程設計要求，具有一定的參考價值。閘門的啟閉速度，閘門門后的通氣量及水動力引起的閘門振動等一系列的因素對于水力計算的影響，有待于進一步的深入研究。

[1]廣州市水務規劃勘測設計研究院.廣州市黃埔區長洲島新擔涌水閘工程初步設計報告[R].廣州：廣州市水務規劃勘測設計研究院，2012.

[2]江蘇省水利勘測設計研究院.水閘設計規范(SL265-2001) [S].北京：中國水利水電出版社，2001.

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

TV663

B

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計工作。