图解分析法在斜坡卧底闸设计中的应用

2022-12-02谌伟宁年夫喜

水电与新能源 2022年9期

谌伟宁，年夫喜

（湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北武汉 430072）

渠道断面根据地形地质条件情况，可设计为矩形断面或梯形断面。相比于矩形断面的直墙护坡护岸，梯形断面的护坡护岸可充分利用了渠坡的自稳能力，尤其是对土渠，不需要在岸坡设置大体积的挡土建筑物，衬砌厚度也较小，护坡施工简单，经济性突出，因此梯形断面在水利工程输水渠道中得到广泛应用。

在输水渠道为两岸提供灌溉或工业与生活用水时，需要在渠道上设置小型低水头挡水设施。这些挡水设置包括小型橡胶坝、各类小型水闸等。

橡胶坝为柔性结构［1］，两岸斜坡坝段和河床坝段的基座分别与上下游斜坡和河底齐平。坝袋充水至设计压力挡水时，斜坡坝段顶部与河床坝段的顶部均与上游设计水位齐平；完全塌坝时，斜坡坝段和河床坝段分别与斜坡坝基面和河底坝基面贴合。橡胶坝与上下游河床横断面可接近于完全一致，无需渐变连接段。橡胶坝在改善流态，减少水头损失等方面均优势明显，但充坝、塌坝采用充气或充水方式，结构复杂，耗时长［2］。

渠道上水闸的主体为闸门，其型式有直升式、卧倒式、升卧式等，均为刚性闸门。闸门的启闭方式多种多样，快速方便，但闸门边墩均必须为铅直面，与上下游岸坡衔接需要渐变段，因此其水流流态较差，局部水头损失较大［3］。

斜坡卧底闸是一种布置在梯形断面河道上的刚性闸门，由布置在梯形底边的矩形闸门和布置在斜坡上的三角形闸门组成。矩形闸门底边通过转轴固定于梯形底边上，三角形闸门底边通过转轴固定于斜坡面上。矩形闸门和三角形闸门的顶边均水平，其侧边通过连缀片相连，各自绕其底轴转动可直立状态挡水，完全卧倒时分别与渠底、斜坡面齐平达到最大泄流量。本文探讨用图解分析法来设计一种斜坡卧底闸，既无需渐变连接段，启闭方式又灵活方便。

1 斜坡卧底闸的几何模型及参数关系

1.1 几何结构模型的构建

为了推求斜坡卧底闸各参数之间的关系，在忽略门体厚度、底轴直径等物理因素的基础上，将斜坡卧底闸抽象为几何结构模型，其几何结构透视图见图1。

如图1，OXYZ为空间直角坐标系，XOY为水平面，OZ轴为铅直轴；斜坡面与渠底面的交线（坡脚线）与OY轴重合，平底门叶为矩形ACFO，平底门叶的底轴OF与OX轴重合，斜坡门叶为△DOB，斜坡门叶的底轴OB与斜坡面贴合，且与平底门叶的底轴OF交于点O。

平底门立起时为铅直状态，其侧边OA与OZ轴重合。相应地，斜坡门叶的BD边与平底门顶边CA位于同一个水平面内，且D点位于AB连线上，BE为门顶水平面与斜坡面的交线，CE与AE重合均为门顶所在水平面ABE与平底门所在铅垂面ACFO的交线；

平底门ACFO卧倒时与水平面XOY贴合，其水平状态的位置是A′C′FO，其侧边OA′与OY轴重合。相应地，斜坡门叶D′OB卧倒于斜坡面上。

显然，BE∥OA，如果令BE＝OA，则AB∥平面XOZ，亦即平面BA′C′∥平面XOZ，于是可知∠OA′B为直角，△OA′B≌△OAB，△OA′D′≌△OAD，△OD′B≌△ODB。

1.2 参数求解

令图1中各参数意义分别为：门高h为平底门AOFC的侧边的长度，即交点O到角顶点A的长度；坡比m为斜坡坡度用1∶m表示时斜坡的坡比；闸门开启角α为平底门AOFC在立起的极限位置时与坡脚水平面夹角，通常为70°～90°；底角β为斜底门△DOB的底角∠OBD；底角θ为斜底门△DOB的底角∠DOB；顶角ρ为斜底门△DOB的顶角∠ODB；Lt为斜底门△DOB的角顶点B到角顶点D的边长；Lb为斜底门△DOB的交点O到角顶点B的边长；Ls为斜底门△DOB的交点O到角顶点D的边长；垂直距离s为角顶点B到平轴OF所在铅垂面的垂直距离，E为垂足点；d为平底门和斜坡门之间的三角形豁口△AOB的顶点A、顶点B之间的距离。

令平底门矩形ACFO的底轴OF垂直于坡脚线OY，当平底门从水平位置逐渐立起至极限铅直位置时，令斜坡门叶的顶点D一直在平底门叶的侧边OA的顶点与B点的连线上，平底门侧边OA上的A点绕底轴OF旋转形成90°的圆弧。设圆弧上的任一点A″与水平面夹角为ζ＝∠A″OA′，点A″到B点的距离为d。

由图1可知，

上式整理可得：

当平底门与水平面夹角为ζ＝45°时，d取得极小值

此时在△OBA″中，用余弦定理可求得∠BOA″，也就是斜坡门叶的斜底角θ、底角∠OBA″＝β、顶角∠OA″B＝ρ分别为

再应用正弦定理逐个求得斜坡门叶的侧边OD和顶边DB长度分别为

1.3 斜坡门的启闭运动

由于平底门矩形ACFO的底轴垂直于坡脚线（斜坡面与坡脚水平面的交线），因此，平底门矩形ACFO在绕其底轴转动立起或卧倒过程中，其靠近坡脚的闸门侧边OA由位置OA转动到位置OA’时，将始终位于坡脚线所在的铅垂面ZOY内。

于是，按照满足公式（3）～（5）的条件进行斜底门△DOB和平底门矩形ACFO的设计时，斜底门△DOB在绕斜轴底边OB转动立起或卧倒过程中就不会侵入到铅垂面ZOY内而与平底门矩形ACFO发生碰撞，从而实现闸门的顺利启闭运动。

同时，为了使平底门ACFO和斜坡门△DOB在绕各自底轴转动的过程中，避免出现平底门和斜坡门之间的三角形豁口漏水，令三角形的连缀片△OAD的两边分别固定连接于斜底门△DOB和平底门矩形ACFO靠近坡脚的侧边上。连缀片由可伸缩或可折叠的结构物制作，例如橡胶止水片、PVC止水片、不锈钢止水片、紫铜止水片或类似物。

如此一来，这种斜坡卧底闸门结构将既具有斜坡橡胶坝无需上下游渐变段的优点，同时，针对刚性闸门的现有多种拉拽、顶推或其他型式的启闭驱动方式，仍可应用于斜底门△DOB和平底门矩形ACFO的启闭驱动［4－5］。

1.4 基于Inventor软件的斜坡卧底闸运动仿真

由于上述理论模型没有考虑闸门厚度对启闭运动的影响，为此，基于Inventor软件建立了斜坡卧底闸实体模型（见图2），并模拟了闸门启闭运动过程［3］。运动仿真结果表明，在渠底和斜坡面分别设置容纳平底门和斜坡门的凹槽，即可实现平底门和斜坡门和渠底面和斜坡门完美齐平（见图2（a））；在斜坡门与平底门相临的侧边留出足够容纳连缀片紧固件及其折叠后厚度的空间，即可避免闸门立起时避免干涉（见图2（b））。

2 工程实例

武汉市黄陂区矿巴水库灌区二支渠位于黄陂区泡桐镇五显村，又名五显支渠，长8.5 km，灌溉面积0.08万hm2，设计流量2.0 m3／s。五显支渠左右岸分别有张家沟和陈家沟两条毛渠。五显支渠渠道状况见图3。

为满足灌溉需求，五显支渠在左右岸陈家沟和张家沟两条毛渠进口分别设置有进水闸，但在五显支渠上的相应位置未设置节制闸，其水位无法达到两条毛渠的引水水位，当地村民于是自行在渠道上设置了简易的壅水堰，但使用不便，且运行不安全可靠。

为此，在张家沟毛渠下游3 m处新建了1座斜坡卧底闸。该闸闸底宽1.5 m，高0.8 m，两岸坡比均为1∶1；新建的斜坡卧底闸上下游方向总长2.6 m，C25混凝土衬砌厚0.23 m，C15混凝土垫层厚0.1 m，渠顶C25封顶宽0.5 m，跨渠交通桥净跨3.3 m，宽1 m。新建的斜坡卧底闸分为三个门叶，即渠底门叶和左右岸斜坡门叶；门叶与渠底、门叶间均采用厚5 mm硅橡胶板衔接，螺栓压板压紧止水，采用手动葫芦启闭。考虑渠顶超高后，渠底门叶和左右岸斜坡门叶立起后设计最大挡水高度0.8 m，渠底门叶和左右岸斜坡门叶卧倒后分别与原渠道底板和坡面齐平，不挤占渠道过水断面。门叶立起后，可抬高上游渠道水位，满足上游左右岸陈家沟和张家沟两条毛渠进口取水要求。五显支渠斜坡卧底闸见图4。