冷 涛(湖北水利水电职业技术学院，武汉 430070)

弧形闸门具有启闭力小、过流流态好、运转可靠、闸墩厚度小等优点，因此在水利工程中的应用越来越多[1,2]。例如南京划子口的大跨度弧形闸门[3]、嘉陵江新政航电泄洪弧形闸门[4]等。但是，弧形闸门在水工程中的服役受到多因素的干扰，当弧形闸门在高淹没度条件下启闭时，水流脉动压力会对门体的安全运行造成极不利的影响[5]。例如1966年浙江省某排涝挡潮闸和1971年江苏省某节制闸弧形闸门的失事。前者失事是因为潮浪冲击使闸门发生支臂失稳破坏，后者是因为风浪冲击门叶上部使闸门主梁上弦杆断裂[6,7]。

某水利枢纽布置有18孔16 m×17.5 m(宽×高)弧形工作闸门，由于闸底板高程设置较低，该闸门需在高淹没度条件下局部开启，运行过程中将不可避免地要受到下游水流漩滚的冲击，水流脉动压力将对门体的安全运行造成不利的影响，而且该闸门接近超大型弧形闸门。为保证闸门的安全运行，本文将结合该工程实例，通过对闸门结构的数值分析、物理模型试验研究，完善闸门的结构设计，优化设计方案，揭示其存在的问题，提出合理化建议，为设计、运行管理提供科学依据，确保闸门的运行安全。

1 物理模型试验设计

1.1 闸门物理模型基本资料

模型的设计与制作均按相关规范[8,9]中的有关规定进行。本试验选择水力学模型几何相似比尺为λl=25，按重力相似准则进行设计，几何正态。相应的其他物理量比尺见表1。

表1 试验各物理量比尺及对应关系

由于本工程主要研究弧形工作闸门在启闭及局部开启情况下的静、动力特性，因此闸门水力学模型模拟其中一个完整的泄洪闸孔，沿水流方向主要模拟范围为泄洪闸进口段、闸室段以及下游连接段，模型上游通过连接段与进水池直接连接，下游增加一定的过渡段后与下游出水池相接，以保证闸室段前后的水流流动相似，模型布置见图1。

图1 闸门水力学模型

1.2 闸门物理模型制作

由于本工程主要研究弧形工作闸门在启闭及局部开启情况下的静、动力特性，因此闸门水力学模型模拟其中一个完整的泄洪闸孔(含泄洪闸进口段、闸室段以及下游连接段，模型上游通过连接段与进水池)。为了流态观察方便，闸室段至消力池段(消力池尾坎桩号为坝横0+107.0 m)全部采用有机玻璃进行制作，上下游连接段采用水泥沙浆进行制作。闸门采用白铁皮制作，模拟其结构形式、钢板厚度，布置见图2。为了闸门启门力测试的准确性，闸门制作过程中准确模拟闸门各部分的几何尺寸、闸门重量以及闸门的质量分布，制作完毕的模型闸门实测自重(换算到原型)约252 t。

图2 闸室及上下游连接段模型

1.3 模型控制装置及量测仪器

原型闸门的启闭控制采用两侧各设置一台油压启闭机进行同步控制，即双吊点启闭控制方式。闸门物理模型试验主要模拟闸门的启闭过程，并且对启闭机的启闭力进行测量。

模型上下游水位观测同时由振动针式水位仪和水位测针进行观测，前者可与计算机联接，后者由人工测量；闸门启闭过程中的启闭力和支铰推力均采用有标准电压输出(±5 V)的SF200系列拉压力传感器，通过CRAS V4.0X 数据采集系统进行采集与分析；闸门启闭过程中闸门面板的位置随闸门转动过程不断发生变化，时均动水压强难以采用传统的测压管法进行测量，本试验中采用CYG1144型压力传感器作为一次仪表，由CRAS V4.0X数据采集系统进行采集与分析；闸门启闭过程中出闸水流流态通过拍照及摄像的方法进行水流流动的辅助测量。

2 闸门物理模型试验

2.1 试验工况

本模型试验中采用固定一个下游水位，将上游水位进行分级试验的方法进行。共对10种工况进行试验研究，孔口高度按校核水位49.00 m与闸底板高程30.00 m的差计算，具体试验工况见表2。

2.2 过闸水流流态

工况9、工况10因闸下水位较低，闸门各开启高度下，过闸水流均为自由出流流态，闸后水跃跃首位于消力池池首及下游附近，属于临界或远驱水跃，闸下的水跃旋滚对闸门没有冲击等不利影响。

工况1～工况8由于下游水位较高，几乎闸门所有开启条件下，过闸水流均处于闸孔淹没出流状态。上下游水位差较小时，闸门上下游水流平稳，水面波动较小，过闸水流在闸门后形成的漩滚不明显。上下游水位差较大，当闸门开启高度较小时(小于孔口高度的20%)，上下游水流仍然较平稳，水面波动不大，闸门后漩滚较弱；当开启高度较大时(约孔口高度的50%)，上下游水流波动剧烈，闸门后形成明显的强烈漩滚，而且水流漩滚对闸门有明显的拍击作用。试验过程见图3。

2.3 闸门面板时均动水压强

本工程闸门需在高淹没度条件下局部开启，运行过程中除了闸门上游面板受水流压强的作用外，下游面板也受门后漩滚的冲击作用。为了全面观测闸门上下游面板的时均动水压强分布，模型中分别在上下游侧闸门面板中线各布置了6个和5个压力传感器，其中1～6号测点布置于闸门上游侧面板，7～11号测点布置于闸门下游侧面板。闸门不同开度各压强测点对应的高程见表3。由于闸门在不同开度位置时各压强测点的高程将随闸门开度的不同而变化，闸门不同开度各压强测点对应的高程也将随之变化。部分工况试验结果见表4，典型工况特征开度闸门面板时均动水压强分布见图4。

图3 淹没出流过闸水流流态(上游水位49.00 m，下游水位44.13 m，闸门开度0.6)

表3 闸门不同开度压强测点高程 m

表4 典型工况特征开度闸门面板时均动水压强 kPa

注：“-”表示该测点在本工况下处于水位线以上，测点无测值。

图4 典型工况特征开度闸门面板时均动水压强分布

通过分析工况2～工况10共9种工况的试验结果可以得出，闸门上下游面板的时均动水压强总体上呈底部大、上部小的规律分布。

2.4 闸门启闭力

弧形闸门在启闭过程中，闸门重心、作用在闸门上的水压力荷载以及启闭机的力臂均随闸门开度的变化发生变化，为了了解整个闸门启闭过程中启闭力的变化规律，验证启闭机容量设计的合理性，试验中对8种(工况1～工况8)水位组合工况闸门在开启和关闭过程中的启闭力进行了测试。

试验分析表明，闸门启闭过程中，相同开度条件下启门力大于闭门力。闸门开启过程中总体上启门力随着开度的增加而增加，在开度0.6附近启门力达到最大值，之后启门力稍有减小后再有所增加。最大启门力出现在工况4的0.6开度，启门力为3 145 kN，没有超过启闭机的容量。根据项目要求，试验中对工况9、工况10闸门从关闭状态开启瞬时的启门力进行了测试，试验测得闸门挡水开启瞬时最大启门力出现在工况9，最大启门力为3 169 kN。

2.5 闸门支铰推力

(1)闸门挡水支铰推力。试验中对闸门另设5种挡水工况，进行支铰的推力测量，测量结果见表5。

表5 闸门挡水时支铰推力

表5中的结果表明，在闸下水位不超过闸底板高程(30.00 m)时，随着闸门挡水水位的升高，支铰推力也随之增加；相同上游水位，闸下水位超过闸底板高程(30.00 m)时，支铰推力随下游水位的升高而减小。

(2)闸门启闭过程支铰推力。试验中对工况A、工况C和工况E 3种水位组合下闸门启闭过程的支铰推力进行了测量，测量结果见表6。

表6 闸门启闭过程支铰推力变化 kN

由表6中的结果可以看出，与挡水工况相比，闸门启闭过程中支铰推力总体上不大。闸门开启和关闭过程中，支铰推力基本一致，同一开度条件下，上下游水位差对支铰推力的影响较显著。

(3)闸门开启瞬时支铰推力。由于闸门挡水时闸门开启的瞬间，启闭机杆的拉力也会传递至支铰，增加支铰的推力，因此试验中为观测启闭瞬时支铰推力，添加了3种挡水工况，闸门启闭瞬时的支铰推力测量结果见表7。

表7 闸门开启瞬时支铰推力

从表7中的结果可以看出，闸门挡水启闭瞬时支铰推力比相应挡水工况有较大的增加，实测最大支铰推力为12 475 kN。

3 结 语

本文考虑到弧形闸门在高淹没度条件下启闭时下游水流漩滚所引起水流脉动压力对门体安全的不利影响，结合某水利枢纽工程实例进行弧形闸门的物理模型试验，以不同的闸门启闭状态、闸门开度、上下游水位组合出10种工况，并对闸门在不同工况下的流态、动水压强、闸门启闭力和支铰推力进行了观测或分析。

给出了上下游水位与闸门开度对流态的影响及面板时均动水压强总体上呈底部大、上部小的分布规律；测出启闭过程中最大启门力为3 145 kN，瞬时最大启门力3 169 kN，没有超过启闭机的容量；试验数据分析可知在挡水位较低或者水位差较小时启闭闸门可减小闸门支铰推力。该试验结论对其他类似工程的分析研究具有一定的参考价值。

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[1] 牛志国，李同春，赵兰浩，等.弧形闸门参数振动的有限元分析 [J].水力发电学报，2008,27(6)：101-104.

[2] 刘晨生.浅谈大洑潭水电站溢流坝弧形闸门制造工艺 [J].广东水利水电，2007,(5):64-66.

[3] 陈锡林，沈长松.江苏水闸工程技术[M].北京：中国水利水电出版社，2013.

[4] 李火坤，练继建，杨 敏.新政航电泄洪弧形闸门水动力特性模型试验研究[J].中国农村水利水电，2006,(10)：61-65.

[5] 张燎军，陈文龙.吉林台深孔弧形闸门动力特性研究 [J].广西水利水电，2003,(1)：8-11.

[6] 章继光，刘恭忍.轻型弧形钢闸门事故分析研究 [J].水力发电学报，1992,(3)：50-57.

[7] SL265-2001，水闸设计规范[S].

[8] SL155-95，水工(常规)模型试验规程[S].

[9] SL159-2012，闸门水力模型试验规程[S].