圖解分析法在斜坡臥底閘設計中的應用

諶偉寧，年夫喜

（湖北省水利水電規(guī)劃勘測設計院，湖北武漢 430072）

渠道斷面根據(jù)地形地質條件情況，可設計為矩形斷面或梯形斷面。相比于矩形斷面的直墻護坡護岸，梯形斷面的護坡護岸可充分利用了渠坡的自穩(wěn)能力，尤其是對土渠，不需要在岸坡設置大體積的擋土建筑物，襯砌厚度也較小，護坡施工簡單，經濟性突出，因此梯形斷面在水利工程輸水渠道中得到廣泛應用。

在輸水渠道為兩岸提供灌溉或工業(yè)與生活用水時，需要在渠道上設置小型低水頭擋水設施。這些擋水設置包括小型橡膠壩、各類小型水閘等。

橡膠壩為柔性結構［1］，兩岸斜坡壩段和河床壩段的基座分別與上下游斜坡和河底齊平。壩袋充水至設計壓力擋水時，斜坡壩段頂部與河床壩段的頂部均與上游設計水位齊平；完全塌壩時，斜坡壩段和河床壩段分別與斜坡壩基面和河底壩基面貼合。橡膠壩與上下游河床橫斷面可接近于完全一致，無需漸變連接段。橡膠壩在改善流態(tài)，減少水頭損失等方面均優(yōu)勢明顯，但充壩、塌壩采用充氣或充水方式，結構復雜，耗時長［2］。

渠道上水閘的主體為閘門，其型式有直升式、臥倒式、升臥式等，均為剛性閘門。閘門的啟閉方式多種多樣，快速方便，但閘門邊墩均必須為鉛直面，與上下游岸坡銜接需要漸變段，因此其水流流態(tài)較差，局部水頭損失較大［3］。

斜坡臥底閘是一種布置在梯形斷面河道上的剛性閘門，由布置在梯形底邊的矩形閘門和布置在斜坡上的三角形閘門組成。矩形閘門底邊通過轉軸固定于梯形底邊上，三角形閘門底邊通過轉軸固定于斜坡面上。矩形閘門和三角形閘門的頂邊均水平，其側邊通過連綴片相連，各自繞其底軸轉動可直立狀態(tài)擋水，完全臥倒時分別與渠底、斜坡面齊平達到最大泄流量。本文探討用圖解分析法來設計一種斜坡臥底閘，既無需漸變連接段，啟閉方式又靈活方便。

1 斜坡臥底閘的幾何模型及參數(shù)關系

1.1 幾何結構模型的構建

為了推求斜坡臥底閘各參數(shù)之間的關系，在忽略門體厚度、底軸直徑等物理因素的基礎上，將斜坡臥底閘抽象為幾何結構模型，其幾何結構透視圖見圖1。

如圖1，OXYZ為空間直角坐標系，XOY為水平面，OZ軸為鉛直軸；斜坡面與渠底面的交線（坡腳線）與OY軸重合，平底門葉為矩形ACFO，平底門葉的底軸OF與OX軸重合，斜坡門葉為△DOB，斜坡門葉的底軸OB與斜坡面貼合，且與平底門葉的底軸OF交于點O。

平底門立起時為鉛直狀態(tài)，其側邊OA與OZ軸重合。相應地，斜坡門葉的BD邊與平底門頂邊CA位于同一個水平面內，且D點位于AB連線上，BE為門頂水平面與斜坡面的交線，CE與AE重合均為門頂所在水平面ABE與平底門所在鉛垂面ACFO的交線；

平底門ACFO臥倒時與水平面XOY貼合，其水平狀態(tài)的位置是A′C′FO，其側邊OA′與OY軸重合。相應地，斜坡門葉D′OB臥倒于斜坡面上。

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

1.2 參數(shù)求解

令圖1中各參數(shù)意義分別為：門高h為平底門AOFC的側邊的長度，即交點O到角頂點A的長度；坡比m為斜坡坡度用1∶m表示時斜坡的坡比；閘門開啟角α為平底門AOFC在立起的極限位置時與坡腳水平面夾角，通常為70°～90°；底角β為斜底門△DOB的底角∠OBD；底角θ為斜底門△DOB的底角∠DOB；頂角ρ為斜底門△DOB的頂角∠ODB；Lt為斜底門△DOB的角頂點B到角頂點D的邊長；Lb為斜底門△DOB的交點O到角頂點B的邊長；Ls為斜底門△DOB的交點O到角頂點D的邊長；垂直距離s為角頂點B到平軸OF所在鉛垂面的垂直距離，E為垂足點；d為平底門和斜坡門之間的三角形豁口△AOB的頂點A、頂點B之間的距離。

令平底門矩形ACFO的底軸OF垂直于坡腳線OY，當平底門從水平位置逐漸立起至極限鉛直位置時，令斜坡門葉的頂點D一直在平底門葉的側邊OA的頂點與B點的連線上，平底門側邊OA上的A點繞底軸OF旋轉形成90°的圓弧。設圓弧上的任一點A″與水平面夾角為ζ＝∠A″OA′，點A″到B點的距離為d。

由圖1可知，

上式整理可得：

當平底門與水平面夾角為ζ＝45°時，d取得極小值

此時在△OBA″中，用余弦定理可求得∠BOA″，也就是斜坡門葉的斜底角θ、底角∠OBA″＝β、頂角∠OA″B＝ρ分別為

再應用正弦定理逐個求得斜坡門葉的側邊OD和頂邊DB長度分別為

1.3 斜坡門的啟閉運動

由于平底門矩形ACFO的底軸垂直于坡腳線（斜坡面與坡腳水平面的交線），因此，平底門矩形ACFO在繞其底軸轉動立起或臥倒過程中，其靠近坡腳的閘門側邊OA由位置OA轉動到位置OA’時，將始終位于坡腳線所在的鉛垂面ZOY內。

于是，按照滿足公式（3）～（5）的條件進行斜底門△DOB和平底門矩形ACFO的設計時，斜底門△DOB在繞斜軸底邊OB轉動立起或臥倒過程中就不會侵入到鉛垂面ZOY內而與平底門矩形ACFO發(fā)生碰撞，從而實現(xiàn)閘門的順利啟閉運動。

同時，為了使平底門ACFO和斜坡門△DOB在繞各自底軸轉動的過程中，避免出現(xiàn)平底門和斜坡門之間的三角形豁口漏水，令三角形的連綴片△OAD的兩邊分別固定連接于斜底門△DOB和平底門矩形ACFO靠近坡腳的側邊上。連綴片由可伸縮或可折疊的結構物制作，例如橡膠止水片、PVC止水片、不銹鋼止水片、紫銅止水片或類似物。

如此一來，這種斜坡臥底閘門結構將既具有斜坡橡膠壩無需上下游漸變段的優(yōu)點，同時，針對剛性閘門的現(xiàn)有多種拉拽、頂推或其他型式的啟閉驅動方式，仍可應用于斜底門△DOB和平底門矩形ACFO的啟閉驅動［4－5］。

1.4 基于Inventor軟件的斜坡臥底閘運動仿真

由于上述理論模型沒有考慮閘門厚度對啟閉運動的影響，為此，基于Inventor軟件建立了斜坡臥底閘實體模型（見圖2），并模擬了閘門啟閉運動過程［3］。運動仿真結果表明，在渠底和斜坡面分別設置容納平底門和斜坡門的凹槽，即可實現(xiàn)平底門和斜坡門和渠底面和斜坡門完美齊平（見圖2（a））；在斜坡門與平底門相臨的側邊留出足夠容納連綴片緊固件及其折疊后厚度的空間，即可避免閘門立起時避免干涉（見圖2（b））。

2 工程實例

武漢市黃陂區(qū)礦巴水庫灌區(qū)二支渠位于黃陂區(qū)泡桐鎮(zhèn)五顯村，又名五顯支渠，長8.5 km，灌溉面積0.08萬hm2，設計流量2.0 m3／s。五顯支渠左右岸分別有張家溝和陳家溝兩條毛渠。五顯支渠渠道狀況見圖3。

為滿足灌溉需求，五顯支渠在左右岸陳家溝和張家溝兩條毛渠進口分別設置有進水閘，但在五顯支渠上的相應位置未設置節(jié)制閘，其水位無法達到兩條毛渠的引水水位，當?shù)卮迕裼谑亲孕性谇郎显O置了簡易的壅水堰，但使用不便，且運行不安全可靠。

為此，在張家溝毛渠下游3 m處新建了1座斜坡臥底閘。該閘閘底寬1.5 m，高0.8 m，兩岸坡比均為1∶1；新建的斜坡臥底閘上下游方向總長2.6 m，C25混凝土襯砌厚0.23 m，C15混凝土墊層厚0.1 m，渠頂C25封頂寬0.5 m，跨渠交通橋凈跨3.3 m，寬1 m。新建的斜坡臥底閘分為三個門葉，即渠底門葉和左右岸斜坡門葉；門葉與渠底、門葉間均采用厚5 mm硅橡膠板銜接，螺栓壓板壓緊止水，采用手動葫蘆啟閉。考慮渠頂超高后，渠底門葉和左右岸斜坡門葉立起后設計最大擋水高度0.8 m，渠底門葉和左右岸斜坡門葉臥倒后分別與原渠道底板和坡面齊平，不擠占渠道過水斷面。門葉立起后，可抬高上游渠道水位，滿足上游左右岸陳家溝和張家溝兩條毛渠進口取水要求。五顯支渠斜坡臥底閘見圖4。

3 結 語

本文用圖解分析法從理論上推求得到斜坡臥底閘各參數(shù)之間的關系，進而用Inventor實體模型模擬了斜坡臥底閘啟閉過程，最后通過實際工程實例驗證了斜坡臥底閘的的設想是可行的，為進一步研究和推廣應用斜坡臥底閘打下了可靠的基礎。