Page 50 - 2023年第54卷第6期

直梯形闸门的出流特性和流量计算方法成为其应用于工程实际亟待解决的问题。
精准预测过闸流量一直是闸门研究的重点内容，研究人员通过试验研究、理论分析、数值模拟和
［２］
统计分析等方法对矩形和非矩形平板闸门水力特性和流量系数计算方法开展了大量研究。Ｈｅｎｒｙ 通
过试验研究的方法获得了矩形平板闸门的流量系数。张政 ［３］ 通过试验与数值模拟相结合的方法研究了
对开斜立轴式水力自控闸门在不同上游水深以及不同闸门倾角下闸前闸后的水力特性。能量方程和动
［５］
［４］
量方程一直是解决水力学问题的重要方法，计算过闸流量也不例外，如 Ｈａｂｉｂｚａｄｅｈ 和 Ｖａｈｅｄｄｏｏｓｔ
［６］
［７］
联立能量方程和动量方程得到矩形平板闸门流量系数的计算公式。Ｃｌｅｍｍｅｎｓ 和 Ｓｈａｙａｎ 基于弧形闸
门的能量与动量方程得到弧形闸门流量计算公式。郭永鑫等 ［８ － ９］ 引入综合能耗系数，重新定义弧形闸
门的 流 态 识 别 方 法 和 流 量 计 算 方 法。 量 纲 分 析 法 也 广 泛 应 用 于 闸 门 流 量 计 算 公 式 推 导， 如
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Ｖａｔａｎｋｈａｈ ［１０］ 采用量纲分析求出了圆形管道上设置圆形闸门时的流量计算公式，Ｆｅｒｒｏ 通过量纲分
［１３］
析与不完全相似理论得出闸门顶部和底部同时出流的异形闸门和圆柱形闸门的流量公式，Ｂａｂａｅｉ 通
［１４ － １５］
过量纲分析与势流理论得出四分之一圆弧闸门的流量系数和速度分布方程。Ｍａｒａｓｈｉ 通过量纲分
析、叠加法等方法找出半圆形旋转闸门的流量计算方法。随着计算机的发展，神经网络和遗传程序也
成为了拟合过闸流量的方法之一，如曹玉升等 ［１６］ 采用遗传程序对南水北调节制闸流量计算进行研究。
窦明等 ［１７］ 根据原型闸的数据，利用人工神经网络和回归分析，建立了自由出流流量计算模型。
目前已有的研究主要是针对矩形、圆形和半圆形平板闸门水力特性和水位 － 流量关系开展的相关
研究，有关梯形闸门水力特性和流量计算方法的相关研究尚未见报道。借鉴前人对各类矩形和非矩形
平板闸门的水力特性的相关研究方法，同时考虑到梯形闸门主要应用于灌区各级渠系的分流和控流，
闸后以自由出流为主，且模型自由出流特性和流量计算方法是探明淹没出流特性的基础。因此，本文
通过试验研究和理论分析相结合的方法对垂直梯形闸门自由出流时的流态、水面变化及流量计算方法
开展研究，研究成果为梯形闸门的推广应用于工程实际提供理论依据。

①下支撑梁；②吊耳；③支撑臂；④上支撑梁；⑤螺杆启闭机；⑥立柱；⑦闸门门叶；⑧渠道底板及边坡预埋钢板
图 １ 梯形闸门示意图

２ 试验装置及试验方案

本试验在新疆农业大学水利与土木工程学院水力学及水工实验室进行，图 ２、３分别为本试验的
试验装置图与照片，地下水库的水经水泵抽到高位水箱后流入长 ３ｍ的稳水箱中，稳水箱后接长 ６ｍ、
底坡为 １?１０００的梯形渠道，渠道底宽为 ０．１５ｍ。为方便观察流态，自渠道进口起 ３ｍ长度范围内用透
明亚克力板制作渠道，其余部分用 ＰＶＣ板制作。梯形闸门安装在距渠道进口 １ｍ处，渠道末端安装翻
板闸门，用来控制下游水深。渠道下游设置三角形量水堰对梯形闸门过流流量进行测量，水流经过量
水堰后进入回水廊道流回地下水库，整个系统实现自动循环。灌区各级渠系中常见的梯形渠道边坡系

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