孔令岑，王效涵，韓雅楠，周 靚，董小花，胡秀華，王春堂*

（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利土木工程學(xué)院，山東 泰安 271018；2.濱州市引黃灌溉管理服務(wù)中心，山東 濱州 256603；3.泰安市水利局，山東 泰安 271000）

1 項(xiàng)目背景及研究意義

我國(guó)水資源年內(nèi)、年際分布不均勻，在我國(guó)北方一些河流隨季節(jié)年際變化大，常有年份無洪水出現(xiàn)，在此河段上安裝帶有啟閉設(shè)備的閘門則會(huì)存在設(shè)備利用率低的問題，所以依靠水力作用來實(shí)現(xiàn)閘門啟閉的閘門應(yīng)運(yùn)而生。本章所研究的軌道式自動(dòng)擋潮閘門是在普通水力自動(dòng)翻板閘門的基礎(chǔ)上，進(jìn)行創(chuàng)新和改進(jìn)所形成的一種新型水力自動(dòng)閘門，相比普通的水力自動(dòng)閘門，此新型水力自動(dòng)閘門結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、運(yùn)行安全可靠、綠色環(huán)保，不會(huì)產(chǎn)生泥沙淤積的問題。其研制有利于我國(guó)水工事業(yè)的發(fā)展，進(jìn)一步為自動(dòng)擋潮裝置的優(yōu)化提供技術(shù)參考。

2 閘門設(shè)計(jì)及工作原理

2.1 裝置設(shè)計(jì)

本文所研究的模型設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，制作方便，模型長(zhǎng)150 cm，寬30 cm，高40 cm，閘門高25 cm，寬20 cm，所用材料為亞克力板，模型主要由配水箱、泄水槽、閘門、軌道等組成，其具體組成如圖1、圖2 所示。

2.2 工作原理

如圖1 所示，本文所研究的軌道式自動(dòng)擋潮裝置由上游配水箱進(jìn)水管、上游配水箱、泄水槽進(jìn)水口、滾軸支座、閘門主面板、閘門底板、上軌道、下軌道、泄水槽、泄水槽出水口、下游配水箱進(jìn)水管、下游配水箱、泄水槽底板及橫梁組成。本文所進(jìn)行的模型實(shí)驗(yàn)中，泄水槽為向下游傾斜的連接河水與海水的通道，在實(shí)際工程運(yùn)用中對(duì)地形的選擇具有一定的要求，其主要作用為宣泄河水，防止海水向內(nèi)陸回流倒灌。在進(jìn)行模型實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過配水箱進(jìn)水口向配水箱中輸水，上游配水箱中加入清水用來模擬河水，下游配水箱中加入清水后滴加若干滴墨水用來模擬海水，上下游配水箱及泄水槽頂部均為開口狀態(tài)用來模擬天然河流與海洋；在泄水槽上方布置一條橫梁可用來安置流速儀等設(shè)備，從而測(cè)定過流斷面的流速。普通的水力自動(dòng)翻板閘門是通過繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)閘門的開啟和關(guān)閉，此水力自動(dòng)閘門則是利用軌道來實(shí)現(xiàn)閘門的啟閉。

如圖2（a）所示，在閘門主面板及閘門底板兩側(cè)加止水片用來防止閘門側(cè)身漏水，同時(shí)還能起到減小摩擦的作用；在閘門主面板下方安裝底板，用來減小波浪的沖擊力，防止海水倒灌，通過分析認(rèn)為閘門主面板和閘門底板為一體式結(jié)構(gòu)時(shí)抵抗波浪的能力更強(qiáng)，故本裝置中閘門主面板和閘門底板采用一體式結(jié)構(gòu)；在閘門主面板上方安置軟塑料材質(zhì)的閘門頂板用來保護(hù)閘門，減小外部環(huán)境對(duì)閘門的磨損。如圖2（b）所示，在閘門與軌道之間安裝滾軸支座用以兩者之間的鉸接，使閘門在軌道上能更順利地移動(dòng)，減少閘門與軌道之間的摩擦。

圖2 閘門設(shè)計(jì)圖

模型工作時(shí)通過輸水管向上下游配水箱中分別加入一定的水量，當(dāng)閘門上游水位較高，閘門受力達(dá)到極限平衡狀態(tài)，若再向上游配水箱加水，則閘門沿著軌道向下游移動(dòng)，如圖1（a）所示，閘門主面板豎直，上下軌道水平，閘門向下游移動(dòng)時(shí)，閘門底板與泄水槽底板之間的縫隙越來越大，從而完成泄水工作。當(dāng)閘門下游水位較高，閘門受力達(dá)到極限平衡狀態(tài)，若再向下游配水箱加水，則閘門沿著軌道向上游移動(dòng)，將閘門推回上游位置，從而起到自動(dòng)擋潮泄洪的作用。

圖1 軌道式自動(dòng)擋潮裝置示意圖

作用在閘門上的主要荷載有：閘門的自重G，閘門面板及底板上游面、下游面和底緣所受水壓力的合力：Fp1、Fp2、Fp3、Fp4、Fp5、Fp6，軌道對(duì)閘門的支持力Fn，以及軌道與閘門之間的摩擦力fn1、fn2。如圖3 所示。

圖3 閘門受力圖

如圖3 所示，該模型裝置工作時(shí)，閘門在自重G，所受水壓力的合力Fp1、Fp2、Fp3、Fp4、Fp5、Fp6，受到的支持力Fn，所受的摩擦力fn1、fn2的作用下達(dá)到平衡，當(dāng)閘門受力達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)閘門的移動(dòng)由上下游水位的高低來決定。該裝置利用力學(xué)平衡的原理來控制閘門的移動(dòng)；裝置利用上下游水位的高低來達(dá)到自動(dòng)擋水擋潮的目的。閘門面板下側(cè)的底板可以抵擋波浪的沖擊力，起到消能的作用，從而減弱海水倒灌的程度。

3 閘門擋水擋潮效果

3.1 實(shí)驗(yàn)一：研究閘門上游擋水效果

在模型上下游的配水箱中分別加入一定量的水，實(shí)驗(yàn)時(shí)下游所加水量明顯低于上游的加水量，此時(shí)閘門處于靜態(tài)的平衡狀態(tài)，然后持續(xù)緩慢地向閘門上游配水箱中加水，直到閘門沿著軌道向下游移動(dòng)時(shí)停止加水，測(cè)出此時(shí)的極限水位差ΔH，進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，對(duì)得到的多組水位差ΔH取平均值作為最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，此平均值水位差即能反應(yīng)出閘門上游的擋水能力。實(shí)驗(yàn)效果如圖4 所示。

圖4 閘門擋水實(shí)驗(yàn)效果圖

按照上述方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)出平均水位差ΔH約為5 cm，通過計(jì)算可知當(dāng)上游水壓力大于下游水壓力約300 Pa 時(shí)，閘門向下游移動(dòng)，認(rèn)為該模型閘門擋水效果較好。

3.2 實(shí)驗(yàn)二：研究閘門下游擋潮效果

在模型閘門的兩側(cè)加入水，下游一側(cè)加入幾滴墨水來模擬海水，上游一側(cè)加入清水來模擬河水，利用軟水管震蕩閘門下游一側(cè)的墨水來模擬海水在波浪、風(fēng)力作用下的來潮現(xiàn)象，通過觀察閘門兩側(cè)水的匯流情況來反應(yīng)海水的倒灌程度以及擋潮效果。

按照上述方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過圖5、圖6 可以看出在閘門兩側(cè)兩種類型的水具有較為明顯的界線，本文中認(rèn)為該模型閘門下游擋潮效果較好。

圖5 閘門擋潮實(shí)驗(yàn)側(cè)視圖

圖6 閘門擋潮實(shí)驗(yàn)俯視圖

3.3 實(shí)驗(yàn)三：研究閘門底板抵抗波浪力的效果

設(shè)置對(duì)照組實(shí)驗(yàn)A 和實(shí)驗(yàn)B，A 組實(shí)驗(yàn)取下閘門底板，在模型閘門的兩側(cè)加入水，下游一側(cè)加入帶有墨水的自來水，上游一側(cè)加入清水，分別用以模擬海水和河水，觀察閘門兩側(cè)不同類型的水的匯流情況；B 組實(shí)驗(yàn)安裝上閘門底板，然后重復(fù)A 組實(shí)驗(yàn)的步驟形成對(duì)照實(shí)驗(yàn)。最后分別觀察閘門兩側(cè)不同類型的水的匯流情況，從而可以反映出閘門底板抵抗波浪力的效果。

按照上述方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖7、圖8 所示，發(fā)現(xiàn)安裝閘門底板時(shí)，閘門底端的墨水向上游入侵的程度弱，這反應(yīng)安裝閘門底板可以起到一定的消能作用，從而防止海水入侵，使海水與河水的交界線向海洋一側(cè)遷移，有利于人類的生產(chǎn)生活。

圖7 安裝底板擋潮效果圖

圖8 不安裝底板擋潮效果圖

4 與其他類型閘門對(duì)比

本文中將研究的軌道式自動(dòng)擋潮閘門與目前社會(huì)上存在的傳統(tǒng)類型的閘門、自動(dòng)啟閉的懸掛式閘門、鉸式閘門相比較，建立數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型，利用層次分析法，通過查閱資料，問詢專家老師意見，從閘門的自動(dòng)化程度、抵抗波浪能力、抵抗風(fēng)力能力3個(gè)方面給出評(píng)價(jià)的判斷矩陣，對(duì)閘門進(jìn)行評(píng)價(jià)。

首先建立層次分析系統(tǒng)，確定目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、方案層，然后確定出分析系統(tǒng)中各因素之間的關(guān)系，建立系統(tǒng)的遞階層次結(jié)構(gòu)，如圖9 所示。

圖9 層次分析結(jié)果樹狀圖

對(duì)于同一層次的各元素關(guān)于上一層次中某一準(zhǔn)則的重要性進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造出評(píng)價(jià)判斷矩陣，具體見表1-表3。

表1 閘門自動(dòng)化控制程度判斷矩陣

表2 閘門抵抗波浪力能力判斷矩陣

表3 閘門抵抗風(fēng)力能力判斷矩陣

根據(jù)以上評(píng)價(jià)判斷矩陣，利用算術(shù)平均法、幾何平均法和特征值法對(duì)矩陣進(jìn)行計(jì)算，對(duì)3 種方法取平均值并進(jìn)行歸一化處理作為最終理論結(jié)果見表4。

表4 各閘門準(zhǔn)則層歸一化平均分

通過以上建立的數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型可以得出結(jié)論：本文所研究的軌道式自動(dòng)水力閘門在自動(dòng)化程度、抵抗波浪力能力、抵抗風(fēng)力能力方面較其他類型閘門都具有較大的優(yōu)勢(shì)。

與傳統(tǒng)的擋潮閘門相比，本文研究閘門最大的特點(diǎn)就是自動(dòng)控制，利用上下游的水位差來控制閘門的移動(dòng)，當(dāng)上游水位較高時(shí)，閘門向下游移動(dòng)，用以宣泄洪水；當(dāng)下游水位較高時(shí)，閘門向上游移動(dòng)，防治海水入侵。不但可以對(duì)上游積水及時(shí)疏放，還可以有效地防止海水倒灌。與鉸式水動(dòng)力自動(dòng)翻倒式擋潮閘門相比，本文所研究的閘門可以有效消除波浪作用力對(duì)上下游兩側(cè)水位差的動(dòng)態(tài)影響，有效緩解波浪作用力。與懸掛形式的水力自控閘門相比，本文所研究的閘門可以消除風(fēng)力的影響。相信一旦投入實(shí)際應(yīng)用中一定會(huì)帶來巨大的效益。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文所研究的軌道式自動(dòng)擋潮閘門可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，工作時(shí)無須人工操作，簡(jiǎn)單方便，解決了傳統(tǒng)擋潮閘費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不利于推廣的問題。本裝置集傳統(tǒng)擋潮閘門、懸掛式、鉸式閘門優(yōu)點(diǎn)于一體，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作綠色環(huán)保，充分體現(xiàn)了智慧水利的特點(diǎn)，適合在廣大沿海地區(qū)推廣使用，可為新型水利設(shè)備的設(shè)計(jì)及改進(jìn)提供參考。