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水 利 学 报

２０２３年 ６月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５４卷 第 ６期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２３）０６ － ０６７７ － １０

垂直梯形闸门自由出流水力特性试验研究

李 琳 １，２ ，赵帅杰 １，２
（１．新疆农业大学 水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 ８３００５２；
２．新疆水利工程安全与水灾害防治重点实验室，新疆 乌鲁木齐 ８３００５２）

摘要：垂直梯形闸门是一种新型平板闸门，与常规矩形闸门相比，因其不需修建闸室和扭面等附属建筑物，占地
小，在灌区各级梯形渠道控流和分流应用方面具有优势。梯形闸门的过流边界条件特殊，与矩形闸门过流水力特
性明显不同。为明晰其水力特性，在边坡系数为 １．５、１．７５和 ２的典型梯形渠道上开展了 １８６组模型试验，重点
分析了闸门开度 ｅ、闸前水深 Ｈ 等参数对闸后流态和流量的影响，并基于试验数据研究了梯形闸门自由出流时的
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流量计算方法。结果表明，水流经梯形闸门左、中、右孔口流出的三股水流在闸后碰撞，水面宽收缩至最小，中
轴线及其附近水深最大，横向水面轮廓呈 “驼峰” 状，且驼峰出现的位置和水流碰撞引起的水面波动幅度与闸门
开度、闸前水深有关。当流量和闸门相对开度分别增大 １倍时，驼峰距闸门的距离分别由 ３．６ｅ、８．２ｅ变化为 ６．０ｅ、
３．３ｅ，驼峰高度由 １．５ｅ、３．０ｅ变化为 ２．４ｅ、１．５ｅ，驼峰下游渠道水流趋于均匀分布所需要的距离由 １５．０ｅ、３３．０ｅ变
化为 ３４．０ｅ、１７．０ｅ。收缩水流在势能和动能相互转化作用下沿横向和纵向扩散，能量沿程耗散，水面波动减小直
至与渠道水面衔接。流量系数公式相对误差平均值为 ２．１７％，其中相对误差小于 ６％的数据占比为 ９６．３％，总体精
度较好。研究成果可为垂直梯形闸门的工程设计和运行管理提供参考。
关键词：梯形闸门；自由出流；流量；流量系数
文献标识码：Ａ
中 图 分 类 号 ： Ｔ Ｖ １ ３ １ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２２０７８０
１ 研究背景

灌区内部渠道系统分为干、支、斗、农、毛等渠系系统，每级渠系上有若干分水口，需在分水口
处设置节制闸及分水闸来满足渠道分水及控制过流要求。平板闸门以其结构简单紧凑、安装维护方
便、所需闸室空间小、运行安全可靠、成本低廉等特点成为应用最广泛的闸门。本文提出了一种新型
平板闸门———垂直梯形闸门 ［１］ ，由闸门门叶、支撑臂、门架系统、渠道预埋件系统与启闭机 ５部分组
成，如图 １所示。闸门门叶为梯形，由两侧螺杆式启闭机沿垂直方向启闭，梯形闸门侧边和底边设条
状止水橡皮；支撑臂在闸门门叶中部，与门叶焊接为一体，穿过门架系统位于支撑臂前后的两根上下
支撑梁；门架立柱底部浇筑混凝土来固定门架。传统矩形闸门和闸室应用于灌区各级梯形渠道的节制
分水口处时，需要修建大量附属水工建筑物如扭面、挡土墙等，施工工艺复杂，造价高。而梯形闸门
直接应用于节制分水口处时，因无需修建闸室和附属建筑物，具有节约占地面积、降低工程建设费用
的优势。此外，梯形水闸布置时不改变渠道过流断面面积，闸前水流边界清晰，流态平顺，闸前水流
流线与渠道主流方向一致，流速大小和方向易准确量测，为闸门精准控流也提供了条件。在过流方
面，梯形闸门受门叶形状的影响，局部开启控流时水流除了从门叶底部流出外，还同时从门叶的两侧
流出，出流边界不同于传统矩形平板闸门，传统闸门水位 － 流量计算公式不再适用垂直梯形闸门，垂

收稿日期：２０２２ － ０９ － ２６；网络首发日期：２０２３ － ０２ － ２６
网络首发地址：ｈｔｔｐ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２３０２２４．１６２２．００１．ｈｔｍｌ
基金项目：新疆维吾尔自治区自然科学基金项目（２０２２Ｄ０１Ａ１８２）；“新疆水利工程安全与水灾害防治自治区重点实验室” ２０２１年
开放课题（ ＺＤＳＹＳ － ＪＳ － ２０２１ － １３）
作者简介：李琳（１９７９ － ），博士，教授，主要从事水力学及河流动力学研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｌｉｌｉｎ＿ｘｊａｕ＠１６３．ｃｏｍ
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