弧形闸门垂直高度与闸门开度关系的建立与应用

李 杨

(滁州水文水资源局，安徽 滁州 239000)

0 引言

滁州市位于安徽省东部，地处江淮分水岭地区，为解决农业灌溉用水问题，20 世纪60、70 年代兴建了大中小型水库1032 座，其中大中型水库53 座。近年来，水库除险加固工程已陆续实施，除险加固设计中，大中型水库有--座采用弧形闸门替代了传统的平面闸门。水库泄洪流量推求主要采用自由孔流e/H～M关系，因此如何准确、快捷地确定弧形闸门开启高度，满足泄洪流量预报要求，已成为水库防汛调度的一个重要问题。

1 不同型式闸门开度的确定方法

目前最常用的闸门有平面闸门和弧形闸门两种。

平面闸门的挡水板是平面，结构简单，门的启闭一般都是铅直升降，闸门垂直高度等于闸门开度，操作简单，计算方便。

弧形闸门的挡水板是圆弧面，弧形闸门相对于传统的平面闸门，闸门开启高度计算相对复杂，门的启闭是绕着固定水平铰轴旋动，由于弧形闸门的特殊性，闸门垂直高度一般不等于闸门开度。目前现有的闸门开度计算，利用测量角度值的方法计算闸门开度值，这种方法存在测量和操作麻烦的情况，给工程调度、防洪预报等带来诸多不便。

2 弧形闸门开启高度的计算方法

弧形闸门若不能方便地观测到闸门开启移动的角度，可选取若干个角度值，分别计算闸门开启高度和闸门顶移动的垂直高度，并点绘两者的关系线，从线上查出闸门开启高度为0.1、0.2……m时相应的闸门顶移动的垂直高度见图1。

图1 弧形闸门示意图

闸门顶移动的垂直高度可按下式计算:

式中:e'为弧形闸门顶移动的垂直高度，m;R为弧形闸门门臂长，m;a为弧形闸门移动角度，(°);Φ'为开闸时闸门顶至弧形连线与水平线的夹角，(°)，可从设计图上量得。

弧形闸门开启高度可按下式计算:

式中:e为弧形闸门开启高度，m;R为弧形闸门门臂长，m;为弧形闸门移动角度，(°);φ为关闸时闸门底至弧形连线与水平线的夹角，(°)，可从设计图上量得。

图1中:AB为闸门关闭时闸门度、闸门顶的位置;A'B'为闸门开启时闸门度、闸门顶的位置;e为闸门开启高度，m;e'为闸门顶移动的垂直高度，m。

3 应用实例

以沙河集水库水文站为例，沙河集水库水文站设立于1953 年，集水面积为300 km2，为省级重要站、二类精度水文站，江淮丘陵区200 km2～500 km2代表站，搜集水文、水质等资料，为沙河集水库防汛、管理、调度服务。沙河集水库溢洪道系人工开挖河道，主河槽宽约130 m，测验河段顺直长度约200 m，测流断面位于闸上游130 m 处，是溢洪道和非常溢洪道的总控制断面，断面河槽表层为砂粘土，河底约0.50 m 以下为岩石，枯水时长有杂草，河床较为稳定。泄洪闸共5 孔，每孔宽10 m，弧型闸门，底部为宽顶堰，堰顶高程33.00 m，闸门门臂长9.6 m。主河槽左侧与泄洪闸平齐处建有200 m 长、平均高程为42.58 m 的非常溢洪道。

3.1 实测流量资料

沙河集水库溢洪道测流断面2021 年收集了8 份实测流量资料，见表1。

表1 沙河集沙河集水库溢洪道测流断面实测流量

3.2 关系建立的应用

3.2.1求垂直高度

采用式(1)计算: = 5°，φ'= 0°(从设计图纸上量得)，同理计算其它角度，结果见表2。

3.2.2求闸门开度e

采用式(2)计算: = 5°，φ'= 56.4°(从设计图纸上量得)，同理计算其它角度，结果见表2。

3.2.3建立与e的关系

用闸门顶移动的垂直高度e'和闸门开启高度e'的数据见表2，点绘两者关系线(纵坐标为e'，横坐标为e)，沙河集弧形闸门垂直高度与闸门开度曲线关系图见图2。

表2 沙河集弧形闸门开度推算表

图2 沙河集弧形闸门垂直高度与开度曲线关系图

3.3 验证分析

3.3.1利用Auto CAD 绘图验证分析

弧形闸门支臂的支承饺位于圆心，启闭时闸门绕支承铰转动，通过运用Auto CAD 软件绘制沙河集水库泄洪闸工作闸门及启闭机布置图，还原弧形闸门启闭时的运动轨迹，在CAD 图中以圆心为固定点分别按1°、2°……10°顺时针转动，并量取闸门各个角度前后的垂直高度、开度和弧度的数据见表3。

表3 沙河集弧形闸门开度查线数据与图纸数据对比

图3 沙河集弧形闸门查线开度与实测开度关系图

沙河集弧形闸门开度在Auto CAD 中验证分析的两种方法，一种方法是验证分析闸门的垂直高度与闸门运行弧长关系，另一种是验证分析查线闸门开度与实测闸门开度关系见图4，两种方法的差值都在1 cm 以内，在实际工作中较难操作，故忽略不计。弧形闸门开度在0～1.04 m 之间这个范围内，闸门运行弧长可代替闸门的垂直高度，e'与e的关系曲线精度高，误差小，成果符合客观实际，可靠性高。

3.3.2实测流量验证分析

自由孔流e/H～M关系在堰闸关系推流中已经得到了广泛应用，闸门开启高度的确定是该关系应用精度的主要影响要素。根据2021 年沙河集水库溢洪道测流断面共收集8 份实测流量资料见表4，实测流量变幅为29.6 m3/s～156 m3/s，闸门开度变幅为0.14 m～0.34 m，实测流量经水文资料整编，代表性好，可靠性高，满足验证分析要求。

表4 沙河集水利工程调度与实测资料的对比表

列公式对工程调度流量和查线流量进行误差计算。

式中:σ 为相对误差，%;Q1为工程调度流量，m3/s;Q2为查线流量，m3/s。

由表4 可见，验证了8 次流量，其中3 次相对误差大于5%;5 次相对误差小于5%，目前e/H～M关系在理论试验阶段，流量很小时可适当放宽。按照水利工程调度流量，确定闸门开度，反推闸门垂直高度经验证数据一致。该站防汛工程调度任务量重，流量测验工作量大，测流历时长。弧形闸门开启高度理论计算比较复杂，实际应用不方便，需要寻求一种快速、便捷、精度可控的一种解决途径或方法。闸门开度的确定，利用自由孔流e/H～M关系推流可以减轻该站防汛工程调度流量测验工作量，缩短防汛工程调度的测报历时。

4 结论

本次通过对弧形闸门垂直高度与开度关系曲线的验证分析得出以下几点结论:

(1)根据沙河集水库水文站弧形闸门垂直高度与开度关系曲线成果验证分析，在闸门开度0～1.04 m 这个范围内，应用便捷、精度可靠、关系稳定，具有普适性，值得推广和应用各弧形闸门，为泄洪流量预报、应急报汛及工程调度提供技术支撑和科学依据。

(2)开启度数量级受限，数据点不足。由于缺乏闸门开度在1.04 m 以上的实测资料，这方面的研究有待于进一步探讨。