閆旭胡秀華董小花魏匯慶邵亞茹王春堂

(1.泰安市王家院水庫(kù)管理服務(wù)中心，山東 泰安 271018；2.泰安市水利局，山東 泰安 271018；3.濱州市引黃灌溉管理服務(wù)中心，山東 濱州 256600；4.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，山東 泰安 271018)

引言

水是生命之源，萬物離不開水。古往今來許多城市都依水興起，水為城市注入活力，也是城市的生命線。而水閘作為城市河道的重要建筑物之一，在對(duì)城市防洪、供水等方面起著非常重要的作用，尤其在我國(guó)北方地區(qū)，常被用在城市河道中，用來改善河道常年缺水或少水的狀況。為了滿足社會(huì)變化的發(fā)展需要，水閘應(yīng)具有簡(jiǎn)單靈活、方便使用等特點(diǎn)，而水力自控斜軸式閘門便很符合這一要求。該閘門目前尚未應(yīng)用于實(shí)際當(dāng)中，但較傳統(tǒng)閘門而言，其具有操作靈活、制造方便、運(yùn)行安全可靠、可節(jié)省電力與勞力、造價(jià)與管理維修費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。水力自控斜軸式閘門模型如圖1所示。

圖1 斜軸式閘門模型

水力自控斜軸式閘門是在平板閘門的基礎(chǔ)上，將其向上游傾斜一定角度，利用上游來水的水壓力及閘門自重，在一定流量條件下，依靠水壓力實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟閉的新型閘門。該閘門適用于以下幾種情況：上游來水流量過大，需及時(shí)宣泄洪峰流量；偏僻山區(qū)或無電地區(qū)；田間灌溉工程；城市水利工程[1]。由此可見，水力自控斜軸式閘門具有很大的發(fā)展空間，推廣和使用該閘門是十分必要的，且具有重要的工程意義。

本文研究的水力自控斜軸式閘門是一種水力自動(dòng)閘門，最常使用的水力自動(dòng)閘為水力自動(dòng)翻板閘門。在國(guó)內(nèi)，從20世紀(jì)中紀(jì)以來，由于水利部門的重視與發(fā)展的需要，使得翻板閘門在防洪、發(fā)電、航運(yùn)等方面得到廣泛應(yīng)用[2]。遼寧省本溪市是應(yīng)用水力自控翻板閘門較早的地區(qū)，其應(yīng)用推動(dòng)了區(qū)域水電站的開發(fā)與建設(shè)和國(guó)內(nèi)水力自控翻板閘門的應(yīng)用與大力發(fā)展[3]。水力自控翻板閘門陸續(xù)被應(yīng)用在越來越多的地方，如南方地區(qū)的中小型閘壩，山區(qū)水庫(kù)溢洪道與排洪建筑物，航運(yùn)、農(nóng)田灌溉都廣泛利用了水力自控翻板閘門，并發(fā)揮了很好的效益。

本文主要研究閘門在不同傾斜角度下的水流特性及其影響因素，通過物理模型試驗(yàn)得出：水力自控斜軸式閘門的過閘水流流態(tài)特征、渠底及閘門上水壓力的分布規(guī)律和閘門的開度規(guī)律；利用水力學(xué)相關(guān)知識(shí)推求得到水力自控斜軸式閘門的實(shí)驗(yàn)流量公式，并整理得到了閘門在自由出流情況下Q-H的關(guān)系；推求出水力自控斜軸式閘門的流量系數(shù)，并在綜合考慮各影響因素的情況下對(duì)流量系數(shù)進(jìn)行了修正。

1 模型實(shí)驗(yàn)

1.1 閘門模型

本文的模型實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水工實(shí)驗(yàn)室中，模型組成主要分為上游段河道、閘門段及下游段河道3部分，河道為矩形斷面，寬度為400mm，如圖2所示；斜軸式閘門尺寸為400mm×400mm，如圖3所示。

圖2 渠道

圖3 斜軸式閘門

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)方案根據(jù)閘門傾斜角度的不同共分為5大組，分別為α=30°、α=40°、α=45°、α=50°、α=60°；每大組又包括不同實(shí)驗(yàn)流量的6小組：Q=50m3·h-1、Q=100m3·h-1、Q=150m3·h-1、Q=200m3·h-1、Q=250m3·h-1、Q=最大實(shí)驗(yàn)流量(即閘門完全開啟時(shí)的實(shí)驗(yàn)流量)，方案如表1所示。

表1 斜軸式閘門實(shí)驗(yàn)方案表

1.3 斷面設(shè)計(jì)與測(cè)量?jī)x器

1.3.1 測(cè)量斷面設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，分別測(cè)定斜軸式閘門的閘前、閘后以及閘中渠道橫斷面的水壓力，閘前與閘后的水深以及渠道的流速[4]。

本實(shí)驗(yàn)中，在垂直渠道水流的方向上設(shè)有15個(gè)測(cè)量橫斷面。渠道上共設(shè)13個(gè)水壓力測(cè)量橫斷面，閘門上設(shè)有5個(gè)水壓力測(cè)量橫斷面，共設(shè)有18個(gè)水壓力測(cè)量斷面。每個(gè)橫斷面設(shè)有5個(gè)測(cè)量點(diǎn)，從左往右依次是1～5點(diǎn)，斷面布置如圖4所示。

圖4 斜軸式閘門測(cè)量斷面圖

1.3.2 測(cè)試儀器

實(shí)驗(yàn)流量測(cè)量：電磁流量計(jì)；水深測(cè)量：水位測(cè)針；流速測(cè)量：OA型-測(cè)速儀；閘門開度測(cè)量：量角器；水壓力測(cè)量：測(cè)壓管。

2 斜軸式閘門實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

主要對(duì)不同角度下斜軸式閘門的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了整合分析。

2.1 斜軸式閘門水流特性

2.1.1 斜軸式閘門的水流流態(tài)

本實(shí)驗(yàn)是在自由出流的情況下研究斜軸式閘門的水流特性，通過觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可得，斜軸式閘門各方案下的水流流態(tài)大致相似,即在自由出流情況下，當(dāng)傾斜角度不同、實(shí)驗(yàn)流量相同時(shí)，傾斜角度越大，閘門的開度越大，閘前水流水面平穩(wěn)，垂直于渠道軸斷面，閘后水流較紊亂；當(dāng)傾斜角度相同、實(shí)驗(yàn)流量不同時(shí)，流量越大，閘后水流越紊亂且水流流速不均，閘前水流水面平穩(wěn)，垂直于渠道軸斷面。當(dāng)實(shí)驗(yàn)流量增大到最大流量時(shí)，閘前水流出現(xiàn)波谷，水面雖不穩(wěn)，但仍垂直于渠道軸斷面，閘后水流較穩(wěn)定且流速較均勻。

2.1.2 斜軸式閘門過閘水流水面線

2.1.2.1 傾斜角度相同、實(shí)驗(yàn)流量不同的斜軸式閘門過閘水流水面線

繪制的水面線如圖5所示，橫坐標(biāo)為斷面，縱坐標(biāo)為水深，cm。由圖5可以看出，傾斜角度相同、實(shí)驗(yàn)流量不同下的過閘水流水面線大致都呈單一降落的趨勢(shì)，部分地方出現(xiàn)壅高。在實(shí)驗(yàn)流量從Q=50m3·h-1增加至Q=250m3·h-1的過程中，隨著實(shí)驗(yàn)流量增加，閘前水位逐漸增大但增幅逐漸變?。粚?shí)驗(yàn)流量增大到最大流量后，上游出現(xiàn)了波谷，水流不穩(wěn)定。當(dāng)實(shí)驗(yàn)流量小于Q=150m3·h-1時(shí)，閘后水位的增幅較?。划?dāng)實(shí)驗(yàn)流量大于Q=150m3·h-1但小于最大流量時(shí)，閘后水位增幅明顯。

圖5 傾斜角度相同、實(shí)驗(yàn)流量不同的斜軸式閘門過閘水流水面線

綜上得出，在傾斜角度相同、實(shí)驗(yàn)流量不同的情況下，隨著實(shí)驗(yàn)流量的增大，閘前水流的變幅逐漸減小，流態(tài)更加穩(wěn)定；閘后水流的變幅逐漸增大，流態(tài)更加紊亂。

2.1.2.2 實(shí)驗(yàn)流量相同、傾斜角度不同的斜軸式閘門過閘水流水面線

由圖6可知，在實(shí)驗(yàn)流量相同、傾斜角度不同的情況下，閘前與閘后水位都呈下降的趨勢(shì)，且隨著閘門傾斜角度的增大，閘前水深越低，閘后水深越高。

圖6 實(shí)驗(yàn)流量相同、傾斜角度不同的斜軸式閘門過閘水流水面線

2.1.3 渠底及閘門水壓力分布圖

在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了渠底和閘門水壓力的分布規(guī)律，并繪制了水壓力分布圖。以α=40°的斜軸式閘門為例，渠底水壓力分布圖如圖7所示，閘門水壓力分布圖如圖8所示，其中斷面3～11為閘后橫斷面，斷面17～18為閘前橫斷面，斷面12～16為閘門上的5個(gè)橫斷面，1～5分別為橫斷面上的5個(gè)測(cè)量點(diǎn)。橫坐標(biāo)代表橫斷面，縱坐標(biāo)代表水壓力，cm。

圖7 渠底水壓力分布

如圖7所示，當(dāng)閘門傾斜角度為α=40°時(shí)，不同實(shí)驗(yàn)流量下的閘前水壓力都很穩(wěn)定。當(dāng)實(shí)驗(yàn)流量Q=50m3·h-1時(shí)，渠底水壓力較小且分布不均衡，規(guī)律性不大。當(dāng)實(shí)驗(yàn)流量從Q=100m3·h-1增加到Q=250m3·h-1的過程中，3、5和7縱斷面渠底水壓力從左往右逐級(jí)遞增，9和11縱斷面渠底水壓力從左往右逐級(jí)遞減(Q=100m3·h-1時(shí)的7縱斷面渠底水壓力與Q=150m3·h-1的3縱斷面渠底水壓力分布無明顯規(guī)律)；當(dāng)實(shí)驗(yàn)流量增大到最大實(shí)驗(yàn)流量Q=345m3·h-1時(shí)，水壓力變化無明顯規(guī)律，且閘前與閘后渠底的水壓力差值很小。

綜上得出，在傾斜角度相同的情況下，渠底水壓力隨著實(shí)驗(yàn)流量的增大而增大。

圖8為閘門上水壓力分布圖,斷面12～16是閘門從上往下的5個(gè)水壓力測(cè)量斷面，1～5分別是各個(gè)斷面從左往右的5個(gè)測(cè)量點(diǎn)。當(dāng)實(shí)驗(yàn)流量Q=50m3·h-1時(shí),12、13、14和15斷面水壓力較大且變化無明顯規(guī)律，16斷面的水壓力較大，且呈增大的趨勢(shì)。隨著實(shí)驗(yàn)流量的不斷增大，水壓力分布開始呈現(xiàn)規(guī)律性。當(dāng)實(shí)驗(yàn)流量Q=100m3·h-1時(shí)，12和13斷面水壓力變小，14、15和16斷面水壓力增大，其上的1、2測(cè)量點(diǎn)水壓力基本相等，3、4、5測(cè)量點(diǎn)水壓力基本相等，且1、2測(cè)量點(diǎn)要小于3、4、5測(cè)量點(diǎn)的水壓力。實(shí)驗(yàn)流量Q=150m3·h-1、Q=200m3·h-1、Q=250m3·h-13種情況下的水壓力分布圖大致相似,即12和13斷面測(cè)量點(diǎn)水壓力幾乎為零；14斷面水壓力變化無明顯規(guī)律；15和16斷面水壓力規(guī)律性較強(qiáng)，1、2測(cè)量點(diǎn)水壓力幾乎為零,3、4、5測(cè)量點(diǎn)水壓力隨流量的增大逐漸增大。當(dāng)實(shí)驗(yàn)流量增大到最大實(shí)驗(yàn)流量時(shí),12、13斷面水壓力幾乎為零,14、15、16斷面右側(cè)3個(gè)測(cè)量點(diǎn)水壓力且呈階梯性增大。

綜上可得，在傾斜角度相同、實(shí)驗(yàn)流量不同的情況下，閘門上12、13斷面的水壓力隨實(shí)驗(yàn)流量的增大而減小，14斷面左側(cè)3個(gè)測(cè)量點(diǎn)隨實(shí)驗(yàn)流量的增大而減小，右側(cè)2個(gè)測(cè)量點(diǎn)隨實(shí)驗(yàn)流量的增大而增大，15、16斷面的水壓力隨實(shí)驗(yàn)流量的增大而增大。

2.1.4 閘門開度規(guī)律

對(duì)實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到了閘門開度規(guī)律圖，如圖9所示。

由圖9可得，在實(shí)驗(yàn)流量相等情況下，閘門的開度隨閘門的傾斜角度的增大而增大；在閘門傾斜角度相等的情況下，閘門的開度隨實(shí)驗(yàn)流量的增大而增大。

2.2 閘前水深H與實(shí)驗(yàn)流量Q的關(guān)系

對(duì)實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到不同傾斜角度下閘前水深H與實(shí)驗(yàn)流量Q的關(guān)系圖，如圖10所示。橫坐標(biāo)為實(shí)驗(yàn)流量，m3·h-1，縱坐標(biāo)為水深，cm。

由圖10可得，在相同閘門傾斜角度的情況下，閘前水深隨實(shí)驗(yàn)流量的增大而增大，但傾斜角度α<45°時(shí)，在實(shí)驗(yàn)流量Q=250m3·h-1處會(huì)形成一個(gè)“拐點(diǎn)”，該點(diǎn)之后的閘前水深會(huì)隨流量的增大而降低。在相同實(shí)驗(yàn)流量的情況下，閘前水深隨閘門傾斜角度的增加而降低。

圖10 閘前水深H與實(shí)驗(yàn)流量Q關(guān)系

2.3 斜軸式閘門流量公式

根據(jù)《水力學(xué)》相關(guān)理論，斜軸式閘門出閘孔流的計(jì)算公式可由能量方程推求得到，并將斜軸式閘門視作寬頂堰型閘門來進(jìn)行閘孔出流水力計(jì)算[5]。

對(duì)斜軸式閘門閘孔自由出流，對(duì)閘前斷面0-0及收縮斷面c-c應(yīng)用能量方程：

又因?yàn)镼=vcAc=vcbhc

而收縮斷面水深hc可表示為閘孔開度e與垂直收縮系數(shù)ε2的乘積，即hc=ε2e

令μ0=ε2φ，μ0為寬頂堰型閘孔出流的基本流量系數(shù)。則可得：

(1)

為簡(jiǎn)便計(jì)算，進(jìn)一步將(1)式化簡(jiǎn)，得到：

即:

(2)

(3)

式(3)中,μ為寬頂堰型閘孔自由出流的流量系數(shù)。

2.4 斜軸式閘門的流量系數(shù)

流量系數(shù)是指某一堰閘在不同水位、不同過水?dāng)嗝婷娣e上的過流能力。

2.4.1 斜軸式閘門流量系數(shù)

為計(jì)算方便，本文斜軸式閘門流量系數(shù)μ的大小可按南京水利科學(xué)研究所的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

(4)

2.4.2 斜軸式閘門流量系數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)代入公式進(jìn)行計(jì)算與整理，得到不同情況下斜軸式閘門的流量系數(shù)，如表2所示。

表2 斜軸式閘門流量系數(shù)

由表2可得，在實(shí)驗(yàn)流量相同的情況下，斜軸式閘門的流量系數(shù)隨閘門傾斜角度的增大而減?。辉陂l門傾斜角度相同的情況下，斜軸式閘門的流量系數(shù)隨實(shí)驗(yàn)流量的增大而減小。

2.4.3 斜軸式閘門流量系數(shù)的影響因素

綜上可得，斜軸式閘門的流量系數(shù)受閘孔入口邊界條件、閘孔相對(duì)開度e/H、閘門的傾斜角度和實(shí)驗(yàn)流量等因素影響。

3 結(jié)論

本文通過物理模型實(shí)驗(yàn)結(jié)合理論分析，對(duì)斜軸式閘門的水流特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論。

在自由出流情況下，斜軸式閘門過閘水流水面線大致呈單一降落的趨勢(shì)，閘前水流流態(tài)穩(wěn)定且流速分布均勻，閘后水流流態(tài)紊亂，流速分布不均；結(jié)合前輩的研究成果，利用能量方程推求得出了斜軸式閘門的流量公式，該公式適用于自由出流的情況；在斜軸式閘門流量公式的基礎(chǔ)上推求得到了閘門的流量系數(shù)公式，并在綜合考慮到流量系數(shù)各影響因素的情況下，對(duì)斜軸式閘門的流量系數(shù)進(jìn)行了修正，利用式(4)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算；根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，斜軸式閘門的傾斜角度是影響閘門流量系數(shù)的最主要因素。