平板闸门底缘型式对动水荷载的影响分析

平面闸门底缘的型式决定着闸下水流状态，对闸门系统的安全运行有着重要的影响。如果底缘的型式选择不当，底缘的结构设计不合理，闸门工作时闸下水流状态不良，会产生空穴，诱发闸门振动。严重时，会在闸门区段发生空蚀现象，导致闸门结构或门槽破坏。在实际工程中，平板闸门底缘的型式主要有以下四种形式：平底式底缘，仅有后倾角的底缘，有前、后倾角的底缘，仅有前倾角的底缘，如图9.33所示，文献[21]详细描述了各种底缘型式与闸下动水荷载之间的相互影响。

图9.33　平板闸门底缘型式

（a）平底式底缘；（b）仅有后倾角的底缘；（c）有前、后倾角的底缘；（d）仅有前倾角的底缘

9.3.4.1 平底式的底缘

如果闸门在动水中操作，则水流分离点在上游，如图9.33（a）所示。但当水流脱壁时，闸下射流与底缘之间出现空隙，由于底缘水平，空隙无法及时补气，此处易出现不稳定的负压。这不仅使闸门底缘处的水压力脉动性增强，产生下吸力，而且会使闸门产生空蚀，并导致闸门垂直振动。理论与实践都证明，采用这种底缘型式，闸下水流的条件较差，特别是水流流速越大，负压就越大。但其结构简单，便于制造、安装和检修。因此，在一些引水灌渠等小型工程的闸门中有所应用，而在大中型工程中特别是动水中运行的闸门很少采用。(www.xing528.com)

9.3.4.2 仅有后倾角的底缘

当闸门底止水布置在紧靠门叶上游侧时，形成仅有后倾角的底缘式结构。如果闸门在动水中操作，水流分离点在闸门上游底缘处，如图9.33（b）所示。闸门在开启后或关闭前处于小开度状态，或经常做局部开启状态时，水流属于典型的孔口出流，这种型式的底缘对闸下水流流态有着明显影响。一方面，由于水流分离，闸门底主梁与水舌之间存在一定空间，水流经过底缘垂直收缩后到下游压力急剧增加，当下游倾角较小时，水舌与底主梁后翼缘间会出现不稳定的“封闭”。导致补气困难，从而出现不稳定的负压，易引起闸门底部空蚀和整体振动。因此，对于这种底缘，当闸门在动水中操作时，要求θ≥30°。但这会导致底主梁位置上移，使闸门整体结构布置不够理想。另一方面，当闸门部分开启时，闸下射流因受闸门底缘的压缩或水舌垂直方向上的收缩而具有较强的侧向扩散能力，其扩散角可高达40°。水流自闸门底缘射出后，会急剧向侧向扩散，在两侧冲击门槽，当撞击到下游门槽侧边壁时，激发水翘，水流飞溅并伴随大片雾状云；同时，在门槽内加剧了立式漩涡的形成，并在门槽下游边壁出现水流脱壁分离。这些现象必然产生极不稳定的负压和水流的大量掺气，使闸门发生强烈振动和空蚀破坏，特别对于含有推移质的水流，将对闸门及门槽造成磨蚀，结构表面磨蚀进一步加剧了闸门的空蚀，水流状态恶化。前苏联的布赫塔尔明水电站导流深孔闸门的破坏就是一个典型的工程实例。水头越高或流速越大，漩涡越强，门槽下游边界水流分离越严重，水翘越明显。

9.3.4.3 有前后倾角的底缘

当需要部分利用水柱下门时，闸门侧止水布置在门叶下游侧，而底止水需布置在门槽中部，构成了图9.33（c）所示的有前、后倾角的斜面底缘结构。此时，上下游倾角的大小对闸下水流流态影响显著。前倾角越小，越易提早发生水流分离现象，致使底缘边界产生负压，导致底缘绕流流态复杂：试验研究表明，门叶底缘前倾角α≥45°时，无水流分离现象，当前倾角α=60°时闸下水流流态相对最优。同时，后倾角θ对水流的影响如同底缘为仅有后倾角的锐缘，只需θ≥30°就可以避免门叶底缘在启闭过程中产生负压导致门体振动。但同时，由于底缘处于门槽中部位置，绕过底缘的水流急剧向门槽侧向扩散，仍然会出现立式漩涡和水翘现象。而且侧止水布置在下游，底、侧止水之间的水流还加强了闸下水流的复杂程度。加剧了水流在门槽下游棱角处的分离，诱发闸门和门槽空蚀以及闸门振动。

9.3.4.4 仅有前倾角的底缘

如图9.33（d）所示，闸门底止水布置在下游，如果闸门底止水上游布置合理，形成流线型轮廓，闸门在动水中启闭时，底缘后水流横向扩散受到下游门槽的约束，因此，闸门底缘下游几乎没有水流分离点，无漩涡、水翘，门槽壁边界水流分离减少，过闸水流流态稳定。但当闸门底止水上游轮廓或倾角布置不合理，如上游倾角较小，水流会在闸门底缘处发生不稳定的分离，产生水流脱壁分离现象，引起闸门振动和空蚀。因此，只要使上游轮廓合理，就能够保证底缘水流具有良好的流态。故这种型式底缘设计的关键是选择上游轮廓形式。