一种防淤型底轴驱动式翻板闸门

贺高年，刘细龙

（广东省水利电力勘测设计研究院，广州510635）

1 底轴驱动式翻板闸门

底轴驱动式翻板闸门是一种随底轴转动的平板闸门，使闸门的受力结构从常规的横主梁变为与空口无关的纵向悬臂主梁受力结构，门叶悬臂固端与底轴相连，闸门的启闭由底轴旋转直接驱动。使闸门的受力结构从常规的横主梁变为与空口无关的纵向悬臂主梁受力结构，门叶悬臂固端与底轴相连，闸门的启闭由底轴旋转直接驱动。底轴通过轴承装置固定在闸底坎上，底轴的两端穿过闸墙，与布置在设备室的启闭设备连接，由启闭设备驱动底轴在一定范围内（一般为0°~90°）旋转，带动门叶翻转，实现直立时可蓄水或挡洪潮（可单向或双向）、卧倒时过水和便于通航，门叶卧倒时处于水下的门库中，如图1。

图1 底轴驱动式翻板闸门

相比其他类型闸门，底轴驱动式翻板闸门具有可双向挡水、调控水流、卧倒后船只可无阻碍通航的等优点，且可门顶溢流形成人造瀑布、建筑整体外观易于融入周边景观。另外除底轴外，门叶结构不受孔口宽度的限制，适用于孔口宽度超大情况。

闸孔宽度较大的底轴驱动式翻板闸门，通常难以设置检修闸门，需对水下部件（包括门叶结构、底轴、轴承等）按照免维修、少维护的要求进行设计制造。

闸门的下游侧一般设有门库用于容纳卧倒时的门叶，对于布置在平原地区、多泥沙河道的底轴驱动式翻板闸门，由于门库处闸室断面相对闸门上游侧断面增大，水流速度降低，又低于门坎，因而水中夹带的泥沙易淤积处于门库内，门库淤积问题应倍加关注。为了解决门库淤积问题，除闸底坎上游布置沉砂池、拦沙坎外，还应在底坎下游布置高压冲淤管道，此类冲淤系统将冲淤管道安装在水闸底坎处，通过动力设备（冲淤泵）给管道提供高压水流，高压水流通过喷嘴射出作用于淤积处，使淤积的泥沙扬动悬浮，再借助河道自然水流将其输送到下游河段，从而达到定期清除特定区域的淤积物，其缺点：一是设置冲淤设备增加了工程投资，二是需定期运行设备冲淤，增加运行管理的工作量和运行能耗，三是冲淤效果不好，尤其是门库面积较大的工程。闸室淤积不及时清理将影响闸门的启闭，因此在运行管理中必须加强淤积观测，定时启动冲淤装置，必要时还应采用清淤船或其他清淤设施及时清淤。

据了解，国内有些工程出现了因淤积影响底轴驱动式翻板闸门的启闭，发生危及船只通航和影响闸门安全运行的现象。

2 防淤型底轴驱动式翻板闸门

2.1 闸门基本结构和防淤原理

防淤型底轴驱动式翻板闸门，是在常规底轴驱动式翻板闸门的基础上增设一套节流装置变化而成。节流装置可在一定范围内调节底轴与闸底槛之间的间隙，利用闸内、外水位差形成门底水流。可在闸门运行期间结合水闸泄流的需要，采用门底过流的方式对闸室进行冲洗，代替专用冲淤设备，利用可调节水流的动能冲淤，防止闸室淤积，保证闸门启闭顺畅，确保工程安全可靠运行。

2.2 节流装置

2.2.1 固定式节流装置

在底轴上设置固定的止水装置如图2，当闸门完全直立关闭时，止水装置与底坎闭合无缝隙；当闸门开启一定角度后止水装置与底槛之间形成间隙，此时水流从间隙流出冲刷门库。采用固定式节流装置，结构简单，容易实现免维护，但闸门只在一定的角度内，门底才可形成缝隙水流，且在闸门全关时才能达到闸门底部完全断流，调节的范围有限，而且在冲淤时可能出现门顶溢流的情况，此工况下流态复杂，容易引起振动。

2.2.2 活动式节流装置

止水装置通过轴承安装底轴上并可绕底轴转动，其驱动可采用连杆结构；也可安装在底坎上，如图3，采用转动或伸缩结构。活动式节流装置独立于闸门的启闭机机构，故其冲淤操作较为灵活。但活动式节流装置结构复杂、部件多、长期处于水下，不易检修且难于实现免维护。

3 翻版闸门相关试验

在升卧式翻板闸门研究和江新联围大洞口水闸工程的水工模型试验中，针对翻板闸门门库进行了门底水流冲淤试验。冲淤试验为单体模型试验，模型截取单孔通航孔，闸上下游分别截取400m长河道。冲淤试验对两种不同方案进行对比，一种方案是目前较为普遍采用的冲淤措施，即利用冲淤泵和管道提供的高压水流扰动底坎和门库区域的淤泥； 另一种是本文提出的门底水流冲淤方案。

3.1 单体模型试验

模型截取单孔通航孔，闸上下游分别截取400m长河道。闸门孔口宽度60m，上游水深5.1m，门库底板比底槛高程低3.5m。根据潮流悬沙模型试验确定了闸室内最大淤积厚度60cm（门库内30cm厚，下游护坦60cm厚）。需要特别说明的是，试验闸门为升卧式翻板闸门，其底部上游侧为圆弧型，与底轴驱动式翻板闸门相似又略有不同。主要试验成果如下：

3.2 冲淤泵方案试验

间隔开启冲沙孔时，冲沙孔出口流速从4m/s提升到12m/s，冲沙效果均不理想，闸门边的底部淤沙，经过2h冲刷后，冲沙不彻底，淤沙层冲刷成齿状，说明冲沙孔的间距太大。冲沙孔全开时，冲沙效果有明显改善。冲沙孔的出口流速4m/s时，冲沙效果不够充分，近冲沙孔的闸门底部仍残留15～20cm厚的淤沙；当冲沙孔出口流速达8m/s时，近冲沙孔的闸门底部，距冲沙孔1.5～2m的范围内，淤泥被完全冲散、扬起，并向闸门中部推移。模型还进行了潮位分别为-1.0，1.0m组次试验，试验显示潮位的变化对冲沙效果影响不大。

3.3 底流冲淤方案

进行了多种水位组合和出口高度试验。

派生于高斯消元法的因子表法[1-5]与LR[1,3-5]、LDU[1-2,4-5]、CU[4-5]三角分解法一样，都是求解常系数方程组的经典算法，因子表法中形成因子表的过程实际上就是含规格化的高斯消元法过程。由于因子表法与CU三角分解法计算过程非常相似，因此其计算过程更为简单，计算速度也更快[6]，得到了广泛地应用。

（1）试验1。闸门关闭时内、外水位差0.2m、门底闸孔出流高度0.5m。试验表明，门底泄流流量达84.3m3/s，经1h（原体时间）冲沙后，闸室底板12m范围内的淤泥被完全冲刷干净，淤泥推移至门库下游。冲淤效果如图3，图5。

（2）试验2。闸门关闭时内、外水位差0.1m、门底与底槛水平间隙0.2m。试验表明，门底泄流流量达28.10m3/s，闸室前缘淤泥被冲刷推移的最大距离4～5m。

图4 冲淤泵8m/s出口流速冲沙效果

图5 闸底水流冲沙效果（平面）

图6 闸底水流冲沙效果

（3）试验3。闸门关闭时内、外水位差1.86m、门底与底槛水平间隙0.2m。试验表明，门底泄流流量达84.3m3/s，经2h（原体时间）冲刷后，闸室8～10m底板内的淤泥被冲刷干净，淤泥推移至门库以外。

需要说明的是，试验闸门为升卧式翻板闸门，其底部上游侧为圆弧型，下游侧为梁格结构，与底轴驱动式翻板闸门相似又略有不同。

试验效果表明，两种冲淤方案都能达到预期要求。与冲淤泵抽水冲淤相比，采用门底全宽度连续水流冲淤，利用了河道下泄流量，动能足够较大，冲淤效果更为节能和有效。当门底缝隙水流达到一定流速和流量时, 可在短时间内将门库区域内淤泥冲洗干净。而冲淤泵方案只能达到扰动门库范围内的水体，并需定期进行冲淤扰动，以免门库区域内淤泥板结。

如采用水泵冲淤方式来得到同等的冲淤效果，需装备大型水泵，不但增大工程投资，在运行期也将耗费相当大电能。如按相同与门底水流冲淤效果的试验条件来计算电能，每次冲淤可节约电能4000kWh（按功率95kW、流量2m3/s的轴流泵等量水流冲淤进行计算）。

4 结语

防淤型底轴驱动式翻板闸门利用闸内、外水位差形成门底水流，对门库进行冲淤，解决了现有底轴驱动式翻板闸门需专设冲淤设备及冲淤效果不好等问题，可简化工程布置和运行管理程序、降低运行能耗，减小工程投资并效保证闸门运行安全。

（1）节流最大间隙应根据工程的实际情况确定。

（2）门底水流的振动对底轴及其轴承座的影响。

（3）无检修条件的应尽量采用固定式节流装置。

（4）闸门实际运行下应尽量避免门底、门顶同时过流，必要时应进行专项试验。