一種防淤型底軸驅動式翻板閘門

賀高年，劉細龍

（廣東省水利電力勘測設計研究院，廣州510635）

1 底軸驅動式翻板閘門

底軸驅動式翻板閘門是一種隨底軸轉動的平板閘門，使閘門的受力結構從常規的橫主梁變為與空口無關的縱向懸臂主梁受力結構，門葉懸臂固端與底軸相連，閘門的啟閉由底軸旋轉直接驅動。使閘門的受力結構從常規的橫主梁變為與空口無關的縱向懸臂主梁受力結構，門葉懸臂固端與底軸相連，閘門的啟閉由底軸旋轉直接驅動。底軸通過軸承裝置固定在閘底坎上，底軸的兩端穿過閘墻，與布置在設備室的啟閉設備連接，由啟閉設備驅動底軸在一定范圍內（一般為0°~90°）旋轉，帶動門葉翻轉，實現直立時可蓄水或擋洪潮（可單向或雙向）、臥倒時過水和便于通航，門葉臥倒時處于水下的門庫中，如圖1。

圖1 底軸驅動式翻板閘門

相比其他類型閘門，底軸驅動式翻板閘門具有可雙向擋水、調控水流、臥倒后船只可無阻礙通航的等優點，且可門頂溢流形成人造瀑布、建筑整體外觀易于融入周邊景觀。另外除底軸外，門葉結構不受孔口寬度的限制，適用于孔口寬度超大情況。

閘孔寬度較大的底軸驅動式翻板閘門，通常難以設置檢修閘門，需對水下部件（包括門葉結構、底軸、軸承等）按照免維修、少維護的要求進行設計制造。

閘門的下游側一般設有門庫用于容納臥倒時的門葉，對于布置在平原地區、多泥沙河道的底軸驅動式翻板閘門，由于門庫處閘室斷面相對閘門上游側斷面增大，水流速度降低，又低于門坎，因而水中夾帶的泥沙易淤積處于門庫內，門庫淤積問題應倍加關注。為了解決門庫淤積問題，除閘底坎上游布置沉砂池、攔沙坎外，還應在底坎下游布置高壓沖淤管道，此類沖淤系統將沖淤管道安裝在水閘底坎處，通過動力設備（沖淤泵）給管道提供高壓水流，高壓水流通過噴嘴射出作用于淤積處，使淤積的泥沙揚動懸浮，再借助河道自然水流將其輸送到下游河段，從而達到定期清除特定區域的淤積物，其缺點：一是設置沖淤設備增加了工程投資，二是需定期運行設備沖淤，增加運行管理的工作量和運行能耗，三是沖淤效果不好，尤其是門庫面積較大的工程。閘室淤積不及時清理將影響閘門的啟閉，因此在運行管理中必須加強淤積觀測，定時啟動沖淤裝置，必要時還應采用清淤船或其他清淤設施及時清淤。

據了解，國內有些工程出現了因淤積影響底軸驅動式翻板閘門的啟閉，發生危及船只通航和影響閘門安全運行的現象。

2 防淤型底軸驅動式翻板閘門

2.1 閘門基本結構和防淤原理

防淤型底軸驅動式翻板閘門，是在常規底軸驅動式翻板閘門的基礎上增設一套節流裝置變化而成。節流裝置可在一定范圍內調節底軸與閘底檻之間的間隙，利用閘內、外水位差形成門底水流。可在閘門運行期間結合水閘泄流的需要，采用門底過流的方式對閘室進行沖洗，代替專用沖淤設備，利用可調節水流的動能沖淤，防止閘室淤積，保證閘門啟閉順暢，確保工程安全可靠運行。

2.2 節流裝置

2.2.1 固定式節流裝置

在底軸上設置固定的止水裝置如圖2，當閘門完全直立關閉時，止水裝置與底坎閉合無縫隙；當閘門開啟一定角度后止水裝置與底檻之間形成間隙，此時水流從間隙流出沖刷門庫。采用固定式節流裝置，結構簡單，容易實現免維護，但閘門只在一定的角度內，門底才可形成縫隙水流，且在閘門全關時才能達到閘門底部完全斷流，調節的范圍有限，而且在沖淤時可能出現門頂溢流的情況，此工況下流態復雜，容易引起振動。

2.2.2 活動式節流裝置

止水裝置通過軸承安裝底軸上并可繞底軸轉動，其驅動可采用連桿結構；也可安裝在底坎上，如圖3，采用轉動或伸縮結構。活動式節流裝置獨立于閘門的啟閉機機構，故其沖淤操作較為靈活。但活動式節流裝置結構復雜、部件多、長期處于水下，不易檢修且難于實現免維護。

3 翻版閘門相關試驗

在升臥式翻板閘門研究和江新聯圍大洞口水閘工程的水工模型試驗中，針對翻板閘門門庫進行了門底水流沖淤試驗。沖淤試驗為單體模型試驗，模型截取單孔通航孔，閘上下游分別截取400m長河道。沖淤試驗對兩種不同方案進行對比，一種方案是目前較為普遍采用的沖淤措施，即利用沖淤泵和管道提供的高壓水流擾動底坎和門庫區域的淤泥； 另一種是本文提出的門底水流沖淤方案。

3.1 單體模型試驗

模型截取單孔通航孔，閘上下游分別截取400m長河道。閘門孔口寬度60m，上游水深5.1m，門庫底板比底檻高程低3.5m。根據潮流懸沙模型試驗確定了閘室內最大淤積厚度60cm（門庫內30cm厚，下游護坦60cm厚）。需要特別說明的是，試驗閘門為升臥式翻板閘門，其底部上游側為圓弧型，與底軸驅動式翻板閘門相似又略有不同。主要試驗成果如下：

3.2 沖淤泵方案試驗

間隔開啟沖沙孔時，沖沙孔出口流速從4m/s提升到12m/s，沖沙效果均不理想，閘門邊的底部淤沙，經過2h沖刷后，沖沙不徹底，淤沙層沖刷成齒狀，說明沖沙孔的間距太大。沖沙孔全開時，沖沙效果有明顯改善。沖沙孔的出口流速4m/s時，沖沙效果不夠充分，近沖沙孔的閘門底部仍殘留15～20cm厚的淤沙；當沖沙孔出口流速達8m/s時，近沖沙孔的閘門底部，距沖沙孔1.5～2m的范圍內，淤泥被完全沖散、揚起，并向閘門中部推移。模型還進行了潮位分別為-1.0，1.0m組次試驗，試驗顯示潮位的變化對沖沙效果影響不大。

3.3 底流沖淤方案

進行了多種水位組合和出口高度試驗。

派生于高斯消元法的因子表法[1-5]與LR[1,3-5]、LDU[1-2,4-5]、CU[4-5]三角分解法一樣，都是求解常系數方程組的經典算法，因子表法中形成因子表的過程實際上就是含規格化的高斯消元法過程。由于因子表法與CU三角分解法計算過程非常相似，因此其計算過程更為簡單，計算速度也更快[6]，得到了廣泛地應用。

（1）試驗1。閘門關閉時內、外水位差0.2m、門底閘孔出流高度0.5m。試驗表明，門底泄流流量達84.3m3/s，經1h（原體時間）沖沙后，閘室底板12m范圍內的淤泥被完全沖刷干凈，淤泥推移至門庫下游。沖淤效果如圖3，圖5。

（2）試驗2。閘門關閉時內、外水位差0.1m、門底與底檻水平間隙0.2m。試驗表明，門底泄流流量達28.10m3/s，閘室前緣淤泥被沖刷推移的最大距離4～5m。

圖4 沖淤泵8m/s出口流速沖沙效果

圖5 閘底水流沖沙效果（平面）

圖6 閘底水流沖沙效果

（3）試驗3。閘門關閉時內、外水位差1.86m、門底與底檻水平間隙0.2m。試驗表明，門底泄流流量達84.3m3/s，經2h（原體時間）沖刷后，閘室8～10m底板內的淤泥被沖刷干凈，淤泥推移至門庫以外。

需要說明的是，試驗閘門為升臥式翻板閘門，其底部上游側為圓弧型，下游側為梁格結構，與底軸驅動式翻板閘門相似又略有不同。

試驗效果表明，兩種沖淤方案都能達到預期要求。與沖淤泵抽水沖淤相比，采用門底全寬度連續水流沖淤，利用了河道下泄流量，動能足夠較大，沖淤效果更為節能和有效。當門底縫隙水流達到一定流速和流量時, 可在短時間內將門庫區域內淤泥沖洗干凈。而沖淤泵方案只能達到擾動門庫范圍內的水體，并需定期進行沖淤擾動，以免門庫區域內淤泥板結。

如采用水泵沖淤方式來得到同等的沖淤效果，需裝備大型水泵，不但增大工程投資，在運行期也將耗費相當大電能。如按相同與門底水流沖淤效果的試驗條件來計算電能，每次沖淤可節約電能4000kWh（按功率95kW、流量2m3/s的軸流泵等量水流沖淤進行計算）。

4 結語

防淤型底軸驅動式翻板閘門利用閘內、外水位差形成門底水流，對門庫進行沖淤，解決了現有底軸驅動式翻板閘門需專設沖淤設備及沖淤效果不好等問題，可簡化工程布置和運行管理程序、降低運行能耗，減小工程投資并效保證閘門運行安全。

（1）節流最大間隙應根據工程的實際情況確定。

（2）門底水流的振動對底軸及其軸承座的影響。

（3）無檢修條件的應盡量采用固定式節流裝置。

（4）閘門實際運行下應盡量避免門底、門頂同時過流，必要時應進行專項試驗。