1.1　研究背景和意义

进入21世纪以来，我国实施“西电东送”等战略工程，在西南地区高库大坝不断涌现，在建和拟建包括溪洛渡、锦屏、小湾、白鹤滩、糯扎渡、乌东德等一大批巨型水利水电工程，这些工程坝高已达300m量级，泄水建筑物及闸门具有水头高、流量大的特点，其事故闸门的设计水头已大大超过100m（表1.1），如小湾电站底孔中事故链轮平面闸门的设计承压水头高达160m，闸门动水关闭的操作水头达106m，闸门孔口尺寸为5m×12m（宽×高），总水压力超过100MN，其设计和应用水平已达到世界前列。在国外，高水头闸门的应用也比较广泛，典型的如法国谢尔邦松的深孔平板门，其设计水头达126m，总水压力达84.3MN；在加拿大Mica大坝中，电站进水口平板事故闸门的孔口尺寸为5.258m×6.706m（宽×高），最高水头为71.5m。从国内外平面事故闸门的发展趋势来看，随着高库大坝的建设，闸门的应用水头越来越高，在高水头及高流速的运行条件下，闸门动水关闭的水动力学问题非常突出，闸门的体型及水动力性能是否良好，高水头条件下闸门能否正常动水关闭，都是高水头闸门设计及应用所关注的焦点问题。

平面（板）闸门的优点是在顺水流方向所占有的空间尺寸较小，闸门启闭装备的构造也相对简单，闸门门叶可移出孔口而有利于检修和维护，泄水孔的孔数较多时还能做到一门多用，因此在水利水电工程泄水建筑物（泄水孔、泄洪洞及引水发电流道等）中得到广泛应用。平面闸门底缘一般可分为上游倾角底缘、下游倾角底缘和上、下游组合倾角底缘3种型式，见图1.1。对于在动水中操作的平面事故闸门，一般要求闸门上游底缘受到正压力作用，避免底缘水流发生强分离时引起闸底产生过大负压和强压力波动，因此，我国《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL 74—2013）规定：“对于部分利用水柱的平面闸门，其上游底缘倾角应不小于45°；平面闸门下游底缘倾角应不小于30°，当不能满足要求时应采取适当补气措施”。

当前平面事故闸门的应用水头越来越高，高速水流下闸门水动力特性对体型边界非常敏感，闸门布置或体型设计稍有不当，极易造成事故情况下不能紧急关闭，不仅威胁工程的泄水安全，甚至会给下游带来严重的生命财产损失。我国天桥水电站泄洪洞平板闸门在1977年投入运行后，多次出现高水位下闸门落不到底、启门力超载及拉杆钢丝绳断裂等问题。水口水电站溢洪道的事故闸门在1997年动水关闭原型试验中，也发生了门机超负荷破坏的严重事故。上述两个工程的事故闸门运行水头仅30m左右，尚由于闸门水动力特性不良而发生事故，对于当前高达和超过100m水头的平面闸门，闸门动水关闭水流呈高速水气两相过渡流，闸门底缘处容易发生脱流和水流分离，在强剪切流作用下门体压力产生大梯度变化，闸门的水动力荷载呈复杂的时空变化特征，高速水流影响下闸门的水动力荷载系数可能还会发生变化，因此参考低水头闸门研究成果或经验就会产生较大的偏差。另外，高水头下平面事故闸门底缘水流容易发生严重脱流和水流分离，闸底产生过大负压和压力波动，不仅影响闸门启闭力，严重时可能还会导致门叶发生振动，甚至导致闸门发生空蚀破坏。

综上所述，对于高水头平面事故闸门，研究闸门动水关闭的复杂水流及水力荷载演变规律，研究高水头下闸门的水动力特性，揭示闸门体型及水力参数对闸门水动力性能的影响，提出有利于闸门动水关闭可靠性的措施及方法，是当前高水头闸门亟待解决的一个重要科学难题，其研究成果不仅对高水头闸门的研究、设计和运行能发挥重要的科技支撑作用，对于提高现代闸门水动力学研究水平也具有重要意义。