杨 洲，王远见，杨 飞，刘彦晖，杨 勇

（1.河海大学 水利水电学院，江苏 南京 210098；
2.黄河水利委员会 黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003；
3.水利部黄河下游河道与河口治理重点实验室，河南 郑州 450003）

多沙河流水库底孔闸门多会出现泥沙淤积现象。江超等［1］对国内几十座水库调研后发现，闸门前存在淤积问题的水库占41%，发生闸门启闭事故的水库占13%。因此，在修建水库时，往往会采用闸门前设置泥沙淤积监测装置、各进水口集中分布、增加事故闸门、事故闸门前安装冲淤设备、增加高压冲水装置、在发电尾水洞出口布置防淤闸、增建排沙洞等［2－4］预防泥沙淤堵，但当出现高含沙水流或操作不当时，闸门两侧仍可能发生显著的泥沙淤积。泥沙淤积显著增大了启门力，会发生闸门“提不起来、落不下去”的问题，严重威胁工程安全。

Cowlitz Falls水库闸门在1995年启闭时被卡住产生振动，导致巨大的噪声、闸门脱轨和卡死［5］。小浪底水库2018年7月15日2号开启孔板洞事故闸门检修门槽时测量得到泥沙淤积厚度为7.18 m，在接到闸门全开的调度指令后，闸门提升自动流程开启，卷扬启闭机即超荷载停机（正常启闭荷载为170 t，过载保护上限值为260 t）［6］，给工程安全带来了极大风险。此外，国内外多个水利枢纽出现过排沙洞闸门前后严重淤堵的实例，见表1［7－12］。

表1 国内外水库排沙洞底孔发生淤堵的实例

尽管闸门前后的泥沙淤积普遍存在并常造成严重后果，但闸门启闭力影响规律目前尚不清晰。清水条件下闸门启闭过程中受力分析与计算方法均较为明确［12－13］。现行《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL 74— 2019）［14］中给出了平面闸门在清水中的启门力计算公式，而对于闸门前有泥沙淤积的情况，提出计算启闭力时应做专门研究。除应考虑水压力外，还应考虑泥沙影响，包括泥沙引起的支承、止水摩阻力，泥沙与闸门间的黏着力和摩擦力，门上淤积泥沙重力等。具体算法目前还没有成熟、标准化的研究成果。

夏毓常［15］以三门峡水库部分实测资料为依据，提出了泥沙淤积对闸门启门力影响的估算方法，但在受力分析中未考虑下吸力，且单位面积上泥沙的附着力选用交通部打桩的经验数据，未考虑泥沙粒径的影响，导致该方法在计算中出现较大偏差；
徐国宾等［16］在此研究基础上，进一步完善了夏毓常提出的计算公式，在考虑下吸力的同时，将闸门前淤积泥沙考虑为粗细颗粒组成的宾汉体泥浆，其中粗颗粒之间的碰触和相对滑动提供了摩擦剪切应力，而细颗粒之间的絮凝作用在闸门开启的瞬间提供了极限剪切应力，该公式在受力分析上已较为完善，但在处理泥沙附着力时仍不能进一步区分不同粒径泥沙的影响；
蔡文刚等［17］对西郑闸闸门启闭力进行了原型试验，认为最大启门力多发生在闸门刚开启时，其原因是止水座不平直，局部止水橡胶挤压过紧，导致摩擦力增大等，该研究在工程上有启发意义，但缺乏精细的数值计算公式。

综上所述，前人的研究在泥沙淤积条件下闸门启门力计算公式上取得了一定进展，但是仍存在与实测资料吻合程度不高、未考虑泥沙粒径影响等问题。本文通过理论分析及物理模型试验，得出启门力与泥沙粒径及泥沙淤积厚度的关系，构建了单双面泥沙淤积条件下启门力计算公式。

闸门存在两面泥沙淤积时的受力情况如图1所示。

由图1可知，启门力的理论计算公式为［16］

图1 闸门双面淤积的受力情况

式中：nT为摩擦阻力安全系数，通常采用1.2；
n′为闸门自重安全系数，通常采用1.0～1.1。

除闸门自重G、外加压块重力Gj和静水柱压力Ws易于确定外，各分项力的计算方法［14，18］如下。

滑动轴承的支承摩阻力计算公式为

式中：P为水沙对轴承的水平压力，kN；
R为滚轮半径，mm；
r为滚轮轴半径，mm；
L为滚动摩擦力臂，mm；
f1为滑动摩擦系数，取值范围为0.12～0.14。

滚动轴承的支承摩阻力计算公式为

式中：R1为滚动轴承的平均半径，mm；
d为滚动轴承滚柱或滚珠的直径，mm。

滑动支承摩阻力计算公式为

式中：f2为滑动摩擦系数，取值范围为0.12～0.14。

止水摩阻力计算公式为

式中：f3为滑动摩擦系数，取值范围为0.12～0.14；
Pzs为作用在水封上的水沙水平压力，kN。

下吸力计算公式为

式中：Lzs为闸门底缘止水至主梁下翼缘的距离，m；
Bzs为两侧止水距离，m；
px为闸门底缘Lzs部分的平均下吸强度，根据国内原型试验资料，可按20 kN／m2考虑，当流态良好、通气充分时，可适当减小［14］；
ξ′为底缘真空度系数。

ξ′反映外界补气情况，并认为闸门底缘倾角为零时，底缘不能和外界发生气体交换，而现实中闸门底部并不能完全密封。淤积泥沙的级配和黏性颗粒的絮凝状态决定了淤积物的渗透性，开启瞬间形成的闸门底部真空状态需要淤积物中的水分通过渗透进行填充，使得闸门底部与底槛接触的封闭程度随着淤积物的厚度和渗透性发生改变。因此，可以认为单面淤积时，闸门底部与底槛接触的封闭程度基本不受淤积物影响，此时ξ′＝0；
闸门前后双面淤积时，ξ′与淤积物厚度成正比，与淤积物渗透系数成反比，可写为

式中：f4为待定系数；
h为双面淤积厚度；
K为淤积物渗透系数。

根据实测资料显示，在门前有泥沙淤积的情况下，启门力的最大值出现在闸门开启的瞬间［7］。原因是门前泥沙长时间处于淹没状态，属于宾汉体泥浆。在闸门开启的过程中，粗泥沙颗粒与闸门之间的碰撞和相对滑动产生了摩擦力，浑水中的细颗粒（粒径d＜0.01 mm）的絮凝作用产生了极限剪切力［16］。泥沙对闸门的附着力［16］可表示为

式中：τ1为粗泥沙与闸门间的摩擦力，kN；
τ2为细泥沙产生的极限剪切力，kN；
f为摩擦系数；
Ps为淤积泥沙的压力，kN；
τB为细泥沙产生的极限剪切应力，kN／m2；
D为泥沙与闸门的接触面积，m2。

作用在坝、水闸等挡水建筑物上的淤积泥沙水平压力标准值［19］计算公式为

式中：b为闸门的宽度，m；
γsb为泥沙的浮容重，kN／m3，γsb＝γsd－（1－e）γw，γsd为泥沙的干容重，kN／m3，γw为水的容重，kN／m3，e为泥沙的孔隙率；
hs为挡水建筑物前泥沙淤积厚度，m；
φ为泥沙的内摩擦角，（°），对于淤积时间较长的泥沙φ＝18°～20°，对于较细的黏土泥沙φ＝12°～14°，对于极细泥沙φ＝0°［20］。

细颗粒泥沙提供的极限剪切应力［21］计算公式为

式中：CV为泥沙体积浓度；
CVm为极限泥沙体积浓度；
CV0为牛顿体与非牛顿体的分界体积浓度，CV0＝

综上所述，考虑各分项计算公式，可将闸门启门力计算公式（1）表征为单／双面淤积厚度h（其中双面淤积仅考虑两面淤积厚度相同的情况）的计算公式：

其中

式中：Pw1、Pw2分别为闸门上、下游水压力。

采用物理模型试验验证式（11）的合理性。

3.1 试验设备与试验设计

试验设备包括水箱、可编程逻辑控制器（PLC）、电动推杆、搅拌器、平面钢闸门、传感器等。试验装置如图2所示，试验水箱长2.0 m、宽0.50 m、高1.0 m；
电动推杆电压为24 V，行程为600 mm，速度为5 mm／s，推力为7 000 N；
通过PLC控制器进行闸门的提升和下降。PLC控制器具有拉力控制、参数设置、数据记录的功能。

图2 物理模型试验装置

物理模型试验用沙粒径组成见表2。

表2 物理模型试验用沙粒径组成

选取2个泥沙中值粒径、6个淤积厚度、2个淤积时长，以及单、双面淤积对照，共组合安排试验组次44组，见表3。

表3 物理模型试验组次安排

3.2 试验结果

闸门开启试验中，PLC控制器可实时读取、记录启门力。各组次试验结果均表明，启门力会随着时间迅速增大至一峰值，此时闸门底部抬起，然后启门力逐渐回落至一稳定值（见图3，以第3组次试验结果为例，即泥沙中值粒径为0.06 mm，双面淤积3 h，淤积厚度为7.5 cm）。此启门力峰值在工程应用上具有重大意义，逐一记录各组次试验该峰值并进行数值拟合，结果如图4所示。

图3 闸门开启过程启门力变化曲线

图4 各组次试验中启门力峰值与淤积厚度的关系

由图4可以得到泥沙中值粒径为0.20 mm对应的启门力拟合公式：

式中：h为淤积厚度，m。

由图4可以得到泥沙中值粒径为0.06 mm对应的启门力拟合公式：

由图3、图4和上述拟合公式可以得到如下结论：①启门力的最大值发生在闸门提动的瞬间，随着闸门被提起，启门力迅速下降；
②同一泥沙中值粒径和同一淤积厚度下（无论单双面淤积），淤积时间越长，启门力越大；
③同一泥沙中值粒径和淤积时长条件下，无论单双面淤积，启门力和淤积厚度均为线性函数关系，与理论推导的二次函数不同，原因可能是二次函数所代表的粗泥沙与闸门的摩擦力、滑动支承摩阻力和止水摩阻力相比其他力来说为显著小量；
④同一泥沙中值粒径和淤积时长条件下，平面钢闸门发生双面泥沙淤积时的启门力相较于单面泥沙淤积的启门力显著增大。对比拟合公式，相同条件下双面淤积启门力拟合公式的一次项系数为单面淤积的2倍以上，与理论推导结论一致。

本文基于理论分析，针对下吸力项和泥沙对闸门的附着力项进行了有效改进，建立了考虑泥沙单双面淤积条件下水库平面钢闸门启门力的计算公式，表明启门力与泥沙淤积厚度为二次函数关系，且双面淤积条件下启门力将显著增大。通过开展物理模型试验进一步发现：①平面钢闸门启门力与泥沙淤积厚度为线性关系，式（11）中的二次项相比一次项和常数项在试验条件下可以忽略；
②双面淤积相比单面淤积所需的启门力显著增大，相同条件下双面淤积启门力拟合公式一次项的系数为单面淤积的2倍以上，与理论推导结论一致。该研究成果可为泥沙淤积条件下平面钢闸门启门力计算提供理论和试验参考。

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