翻板闸凭借其结构简单、造价低廉、景观效果佳、便于管理、运行维护费用少等特点，在城市园林景观、旅游、环保等综合工程中得到广泛的应用^[1]。翻板闸门开启后，门上门下两层泄流，为堰、孔混合流。目前翻板闸泄流能力计算主要有两种方法，一种是将闸孔出流和门顶堰流分别算出，然后相加得出过闸流量；另一种方法是将翻板闸视作河道中的障碍物，把堰孔混合流当作堰流处理，通过模型试验确定综合流量系数。在泄流能力计算方面，目前多根据试验确定综合流量系数方法进行分析，如叶镇国^[2–3]以及雷明慧^[4]等均给出了综合流量系数的经验公式。叶镇国^[2–3]通过试验研究发现，水力自控翻板闸门堰流、孔流相互影响，提出泄流关联理论，并给出计算参数。雷明慧等^[4]采用概化模型试验研究翻板闸门的开度对翻板闸门过流能力的影响，拟合综合流量系数。王倩^[5]把堰流当做薄璧堰与孔口出流叠加计算。于国兴等^[6]采用将堰流、孔流分别乘以差异系数后叠加计算，并拟合了差异系数值。刘晓庆等^[7]建议堰孔泄流时采用流量系数与相对开度的多项式函数关系式进行求解，在水力自控运行方式的堰流情况下，仍可采用传统的经验公式进行计算。就目前来看，所有研究均是以求得综合流量系数为目标，并未分开讨论在堰、孔独立出流同时又相互影响的情况下各自流量系数的改变。作者试验模拟翻板闸大开度工况，测定不同来流量及不同下游水深情况下闸下孔流和闸上堰流的水力学参数；在前人基础上，首次分开计算堰、孔流各自的流量系数，通过对比分析，探讨来流量及下游水深对堰流流量系数、孔流流量系数、总流量系数的影响。

1 试验模型 1.1 试验模型介绍

该研究采用概化模型试验探讨单扇水力翻板闸门运行过程中的过流特性。试验装置主要包括蓄水池、量堰、水池、试验水槽4个部分，同时还设置尾水渠，以便水的循环利用。来水量主要通过无侧收缩矩形薄壁堰控制，水流经过量堰后进入水池，水池设置两道花墙，以使水流平稳均匀地流入试验槽。试验水槽用有机玻璃制成，糙率较小，水槽长4.5 m、宽0.4 m、高1.0 m，设定坡比为0.15，试验模型如图1所示。

1.2 试验设计

试验主要测量的数据包括总来流量、上下游水深、流速等。来流量采用测针测量，通过矩形堰流公式（1）计算。上、下游水深的测量采用直接测量法，如图2所示，在典型试验段，测量断面分别设在距闸室段以上0.6 m的断面处及消力池段以下0.8 m断面处。每个测量断面读取3次数据，后取平均值作为该断面的水深。流速采用LGY–Ⅲ型多功能智能流速仪测量，过水断面定义为与水流方向垂直^[11]，测量断面位于闸门前端，闸门上测量流速时与水流通过闸门上流速方向一致，如图3所示。测点间距为0.05 m，通过测量闸上闸下多个流速，根据式（3），通过总流过水断面的流量等于多个微小流束的流量之和，由此可分别计算出闸上闸下流量。

$Q = {m_0}b\sqrt {2g} {H_0}^{3/2}$

(1)

${m_0} = 0.403 + 0.503\frac{H}{{{P_1}}} + \frac{{0.000\;7}}{H}$

(2)

$Q = \int_Q {\text{d}Q} = \int_A {u\text{d}A} $

(3)

式中：P₁为上游堰高，P₁取1.3 m；H为堰顶水头；u为dA面上流速。

试验工况的设计主要研究不同条件下翻板闸综合流量系数、闸上堰流和闸下孔流流量系数的变化特性。试验主要研究不同来流量和不同下游水深对流量系数的影响。

试验控制来流量分别为0.06、0.08、0.10、0.12 m³/s，同时通过调节试验槽下游闸门使每个流量对应下游水深0.50、0.55、0.60、0.65 m 4种工况进行测量，S01～S16共16种工况组合。具体试验方案见表1。

2 试验现象及结果分析

试验得出，翻板闸在大开度工况下，当来流量大于某一临界流量时，出现堰孔混合流。通过测量所得流量，验证得到总来流量与闸上、闸下测得流量之和基本一致，进而计算出堰流流量系数、孔流的流量系数、总流量系数。其中堰流流量系数采用堰流基本公式（4）计算；孔流流量系数采用孔流基本公式（5）计算；总流量系数是将过流视为宽顶堰，按宽顶堰堰流基本公式（4）计算：

$Q = mb\sqrt {2g} {H_0}^{3/2}$

(4)

$Q = \mu be\sqrt {2g{H_0}} $

(5)

式中，m为流量系数，b为断面宽度，H₀为堰顶全水头，Q为堰流流量，μ为闸孔流量系数，e为闸孔开度，H₀为闸孔全水头。

2.1 来流量的影响

从试验中发现，下游水深一定时，来流量大小对堰流、孔流混合影响较大。当下游水深一定，来流量较小时，闸后堰、孔混合流掺气现象不明显，见图4（a）；来流量较大时，闸后堰、孔混合流掺气现象较明显，见图4（b）。试验测定得到：来流量越大时，测得通过闸孔的平均流速越大。经过分析，这是由于门顶水舌与下部孔流水面间存在楔形体负压空间，负压的存在使紊动的水流波及闸门，影响泄流，对闸下孔流有促进作用^[8]。同时，闸上堰流在跌落过程有向下的速度分量，对闸下孔流有顶托作用，对闸下孔流有阻碍作用。随着闸前水头的增大，过闸流量增大，门后楔形体空间内的负压对闸孔出流的促进作用加强，负压对闸孔出流的促进作用大于堰流对孔流的顶托作用，闸孔出流的流量增大^[9]。

分析得出，孔流的流量系数跟上游来流量和下游水深呈一定的相关关系。当下游水深一定时，孔流量系数与来流量呈单一的递增关系，且接近于线性关系，增长系数约为2.40。堰流的流量系数跟孔流流量系数变化相似，即与上游来流量和下游水深呈一定关系。当下游水深一定时，堰流量系数与来流量近似呈正相关关系，且堰流流量系数明显大于孔流流量系数和总流量系数，增长系数约为4.00，增幅更大。变化特性及各工况公式拟合情况见图5。

2.2 下游水深的影响

试验发现：来流量一定时，下游水深对闸门处流态影响较大。以来流量为0.12 m³/s为例，当下游水深为0.50 m时，闸上闸下泄流相互影响下，闸上闸下流速都很大，水流紊动，掺气现象很强，见图6（a）。当下游水深为0.60 m时，水流平稳得多，掺气现象明显减弱，见图6（b）。

分析得出，随着下游水深的增加，闸后掺气现象减弱。当来流量一定时，孔流流量系数随下游水深的增加而递减，也近似线性关系，变化率在–0.69～–0.91之间。堰流流量系数与下游水深呈负相关关系，堰流流量系数较孔流量系数变化大，变化率大于–2.30，变化区间较大；总流量系数与孔流的流量系数较为接近。具体变化特性及各工况公式拟合见图7。

通过对比发现，堰流的超泄能力比孔流强。试验中继续增加下游水深，发现闸门对水流影响逐渐减弱，水流趋于平稳。由此可见，要使翻板闸更好地发挥作用，下游水深应该得到控制，下游消能防冲设计尤为重要。

3 结 论

试验在前人基础上，分别测量了闸门底部孔口出流流量与闸门顶部堰流流量，然后将两者相加得出翻板闸过流流量，计算出各流量系数，对比分析孔流流量系数、堰流流量系数及总流量系数的变化特性。主要结论如下：

1）在同一下游水深情况下，随着来流量的增大，孔流流量系数、堰流流量系数及总流量系数都呈增大的趋势。

2）在同一来流量情况下，随着下游水深的增大，孔流流量系数、堰流流量系数及总流量系数都呈减小的趋势。

3）相同测量条件下，堰流流量系数变化较孔流流量系数和总流量系数变化大，孔流流量系数和总流量系数的变化较为接近。

4）随着流量的增加，堰孔混合流开始向堰流流态转变，当流量大于特大流量时，闸门对泄流不起控制作用，流态趋于平稳。

试验结论可为翻板闸泄流能力的进一步研究提供参考价值，对翻板闸的设计及下游消能防冲设计具有一定的指导意义。