諶偉寧，年夫喜

（湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖北武漢 430072）

渠道斷面根據(jù)地形地質(zhì)條件情況，可設(shè)計(jì)為矩形斷面或梯形斷面。相比于矩形斷面的直墻護(hù)坡護(hù)岸，梯形斷面的護(hù)坡護(hù)岸可充分利用了渠坡的自穩(wěn)能力，尤其是對(duì)土渠，不需要在岸坡設(shè)置大體積的擋土建筑物，襯砌厚度也較小，護(hù)坡施工簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性突出，因此梯形斷面在水利工程輸水渠道中得到廣泛應(yīng)用。

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

橡膠壩為柔性結(jié)構(gòu)［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(shè)計(jì)壓力擋水時(shí)，斜坡壩段頂部與河床壩段的頂部均與上游設(shè)計(jì)水位齊平；完全塌壩時(shí)，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(wú)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(shì)明顯，但充壩、塌壩采用充氣或充水方式，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，耗時(shí)長(zhǎng)［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(zhuǎn)軸固定于梯形底邊上，三角形閘門底邊通過轉(zhuǎn)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(cè)邊通過連綴片相連，各自繞其底軸轉(zhuǎn)動(dòng)可直立狀態(tài)擋水，完全臥倒時(shí)分別與渠底、斜坡面齊平達(dá)到最大泄流量。本文探討用圖解分析法來(lái)設(shè)計(jì)一種斜坡臥底閘，既無(wú)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(guān)系

1.1 幾何結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建

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

如圖1，OXYZ為空間直角坐標(biāo)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(diǎn)O。

平底門立起時(shí)為鉛直狀態(tài)，其側(cè)邊OA與OZ軸重合。相應(yīng)地，斜坡門葉的BD邊與平底門頂邊CA位于同一個(gè)水平面內(nèi)，且D點(diǎn)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(shí)與水平面XOY貼合，其水平狀態(tài)的位置是A′C′FO，其側(cè)邊OA′與OY軸重合。相應(yīng)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(yuǎn)為平底門AOFC的側(cè)邊的長(zhǎng)度，即交點(diǎn)O到角頂點(diǎn)A的長(zhǎng)度；坡比m為斜坡坡度用1∶m表示時(shí)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(shí)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(diǎn)B到角頂點(diǎn)D的邊長(zhǎng)；Lb為斜底門△DOB的交點(diǎn)O到角頂點(diǎn)B的邊長(zhǎng)；Ls為斜底門△DOB的交點(diǎn)O到角頂點(diǎn)D的邊長(zhǎng)；垂直距離s為角頂點(diǎn)B到平軸OF所在鉛垂面的垂直距離，E為垂足點(diǎn)；d為平底門和斜坡門之間的三角形豁口△AOB的頂點(diǎn)A、頂點(diǎn)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(dāng)平底門從水平位置逐漸立起至極限鉛直位置時(shí)，令斜坡門葉的頂點(diǎn)D一直在平底門葉的側(cè)邊OA的頂點(diǎn)與B點(diǎn)的連線上，平底門側(cè)邊OA上的A點(diǎn)繞底軸OF旋轉(zhuǎn)形成90°的圓弧。設(shè)圓弧上的任一點(diǎn)A″與水平面夾角為ζ＝∠A″OA′，點(diǎn)A″到B點(diǎn)的距離為d。

由圖1可知，

上式整理可得：

當(dāng)平底門與水平面夾角為ζ＝45°時(shí)，d取得極小值

此時(shí)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(yīng)用正弦定理逐個(gè)求得斜坡門葉的側(cè)邊OD和頂邊DB長(zhǎng)度分別為

1.3 斜坡門的啟閉運(yùn)動(dòng)

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(zhuǎn)動(dòng)立起或臥倒過程中，其靠近坡腳的閘門側(cè)邊OA由位置OA轉(zhuǎn)動(dòng)到位置OA’時(shí)，將始終位于坡腳線所在的鉛垂面ZOY內(nèi)。

于是，按照滿足公式（3）～（5）的條件進(jìn)行斜底門△DOB和平底門矩形ACFO的設(shè)計(jì)時(shí)，斜底門△DOB在繞斜軸底邊OB轉(zhuǎn)動(dòng)立起或臥倒過程中就不會(huì)侵入到鉛垂面ZOY內(nèi)而與平底門矩形ACFO發(fā)生碰撞，從而實(shí)現(xiàn)閘門的順利啟閉運(yùn)動(dòng)。

同時(shí)，為了使平底門ACFO和斜坡門△DOB在繞各自底軸轉(zhuǎn)動(dòng)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(cè)邊上。連綴片由可伸縮或可折疊的結(jié)構(gòu)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(lái)，這種斜坡臥底閘門結(jié)構(gòu)將既具有斜坡橡膠壩無(wú)需上下游漸變段的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，針對(duì)剛性閘門的現(xiàn)有多種拉拽、頂推或其他型式的啟閉驅(qū)動(dòng)方式，仍可應(yīng)用于斜底門△DOB和平底門矩形ACFO的啟閉驅(qū)動(dòng)［4－5］。

1.4 基于Inventor軟件的斜坡臥底閘運(yùn)動(dòng)仿真

由于上述理論模型沒有考慮閘門厚度對(duì)啟閉運(yùn)動(dòng)的影響，為此，基于Inventor軟件建立了斜坡臥底閘實(shí)體模型（見圖2），并模擬了閘門啟閉運(yùn)動(dòng)過程［3］。運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果表明，在渠底和斜坡面分別設(shè)置容納平底門和斜坡門的凹槽，即可實(shí)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(cè)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(shí)避免干涉（見圖2（b））。

2 工程實(shí)例

武漢市黃陂區(qū)礦巴水庫(kù)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(zhǎng)8.5 km，灌溉面積0.08萬(wàn)hm2，設(shè)計(jì)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(jìn)口分別設(shè)置有進(jìn)水閘，但在五顯支渠上的相應(yīng)位置未設(shè)置節(jié)制閘，其水位無(wú)法達(dá)到兩條毛渠的引水水位，當(dāng)?shù)卮迕裼谑亲孕性谇郎显O(shè)置了簡(jiǎn)易的壅水堰，但使用不便，且運(yùn)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(zhǎng)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(gè)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(dòng)葫蘆啟閉?？紤]渠頂超高后，渠底門葉和左右岸斜坡門葉立起后設(shè)計(jì)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?dāng)嗝?。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(jìn)口取水要求。五顯支渠斜坡臥底閘見圖4。

3 結(jié) 語(yǔ)

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(guān)系，進(jìn)而用Inventor實(shí)體模型模擬了斜坡臥底閘啟閉過程，最后通過實(shí)際工程實(shí)例驗(yàn)證了斜坡臥底閘的的設(shè)想是可行的，為進(jìn)一步研究和推廣應(yīng)用斜坡臥底閘打下了可靠的基礎(chǔ)。