弧形閘門開度尺增設(shè)探討

湯建忠

（江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚(yáng)州 225200）

水利工程是影響國計(jì)民生的重大工程項(xiàng)目，水閘建筑作為控制水道中水流的主要水工建筑，在水利工程中發(fā)揮著重要作用［1］。水閘是修建在河道、渠道或湖、?？?利用閘門控制流量和調(diào)節(jié)水位的水工建筑物，水閘在水利工程建筑中是十分常見的。當(dāng)閘門關(guān)閉，可以攔洪、擋潮或蓄水抬高上游水位，以滿足上游取水或通航的需要。開啟閘門，可以泄洪、排澇、沖沙、取水或根據(jù)下游用水的需要調(diào)節(jié)流量。

水閘閘門按結(jié)構(gòu)形式分為平面閘門、弧形閘門、人字閘門等?；⌒伍l門是擋水面為圓柱體的部分弧形面的閘門，其支臂的支承鉸位于圓心，啟閉時(shí)閘門繞支承鉸轉(zhuǎn)動(dòng)。弧形閘門的本體由門葉、支臂、支承鉸和止水裝置4個(gè)部分組成。當(dāng)啟閉閘門時(shí)，閘門圍繞固定支鉸的水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)。由于鉸軸中心一般布置在弧形面板的圓心處，故作用在面板上的全部水壓力通過形心，啟門時(shí)只需克服閘門自重以及止水和鉸軸的摩阻力對(duì)軸心的阻力矩?；⌒伍l門具有啟閉省力，運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，水力學(xué)條件好，廣泛用于各種類型的水道上作為工作閘門運(yùn)行。

1 設(shè)置閘門開度尺的意義

閘門開啟高度（簡稱閘門開度）指閘門底部止水至閘門底檻的垂直距離［2］，即孔口高度。閘門開啟時(shí)，控制閘門開度，防止下游因淹沒度小，沖壞消能防沖設(shè)施或河床。大型調(diào)水工程對(duì)流量的控制要求較高，所以對(duì)閘門開度的精確性要求也較高，目前閘門多采用的是拉線編碼器跟齒輪傳動(dòng)編碼器等開度自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)。

弧形閘門的開度大都通過開度儀進(jìn)行測(cè)量，為確保自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)可靠性需設(shè)現(xiàn)場(chǎng)閘門開度尺，現(xiàn)場(chǎng)閘門開度尺在自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)故障或人工校核閘門開度，與閘控電腦顯示的閘門開度進(jìn)行比對(duì)時(shí)發(fā)揮重要作用。閘門開度尺與閘門開度儀等相比，具有直觀、簡潔、可靠等優(yōu)點(diǎn)。

2 弧形閘門開度尺設(shè)計(jì)

2.1 閘門開度特點(diǎn)

對(duì)于平板直升閘門的現(xiàn)場(chǎng)閘門開度，可以用閘門的行走位移量直接反映，因閘門的位移和閘門的開高均在同一方向，而對(duì)于弧形閘門，閘門行走位移是在一個(gè)弧線上，不能直接反映閘門的開高?；⌒伍l門在啟閉過程中，門頂和門底在統(tǒng)一軌道上移動(dòng)，位移相同，但垂直方向上不一致，不能簡單以門頂所對(duì)應(yīng)的高度代替門底的高度，也就是閘門開度。

本文以江都水利工程管理處江都西閘為例，介紹弧形閘門開度尺的設(shè)計(jì)。江都西閘位于江都市新通揚(yáng)運(yùn)河河口上，是江都水利樞紐配套工程之一，其主要作用是在江都抽水站抽引江水北送時(shí)開閘引水，在江都抽水站抽排里下河澇水時(shí)關(guān)閘隔斷江水，并與江都東閘配合，自流引江入里下河地區(qū)，配合江都三站發(fā)電。工程于1963年6月開工建設(shè)，1964年5月建成。2006年2月至2008年12月，根據(jù)南水北調(diào)東線一期工程江都站改造工程初步設(shè)計(jì)批復(fù)，江都西閘按閘上設(shè)計(jì)擋水位7.08m，最高擋水位7.36m，閘下最高擋水位4.0m，引水950m3/s進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，閘室及防滲范圍內(nèi)的翼墻等主要建筑物為Ⅱ級(jí)建筑物，閘身為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，閘總寬106.27m，共9孔，每孔凈寬10.0m，底板分3塊。閘門剖面示意圖見圖1。

圖1 閘門剖面示意圖（單位：m）

2.2 閘門開度與門頂累計(jì)位移對(duì)應(yīng)關(guān)系

江都西閘閘門啟閉運(yùn)用如圖2所示，閘門門底由B移動(dòng)到D，同時(shí)閘門門頂由A移動(dòng)到C，閘門開度為HBD。閘門正常啟閉過程中，絕大多數(shù)時(shí)間，閘門底處于水下，HBD無法通過目測(cè)觀察，更無法量測(cè)，只能通過閘門頂?shù)奈灰苼肀硎尽４蠖鄶?shù)弧形閘門是扇形，導(dǎo)致在扇形軌道門底由B點(diǎn)移到D點(diǎn)與門頂A點(diǎn)移到C點(diǎn)位移雖然相同，但在垂直高度上不相同，也就是HAC與HBD不同，閘門開度為HBD，故不能用HAC直接代替。

圖2 閘門運(yùn)用示意圖（單位：m）

實(shí)際應(yīng)用中，可采用弧形閘門開度計(jì)算［3］、弧門開度與啟閉機(jī)行程的函數(shù)關(guān)系推導(dǎo)［4］等進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算，也可運(yùn)用軟件模擬推算，本文運(yùn)用Autocad軟件模擬閘門啟閉時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡，找出閘門開高與門頂位移之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，江都西閘開啟高度與門頂位移對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。表1中，門頂累計(jì)位移是某一時(shí)刻門頂與全關(guān)位置時(shí)門頂之間的弧長，也就是閘門起閉過程中門頂所做的位移，每米弦長數(shù)值用于制作開度尺時(shí)復(fù)核檢查。

表1 江都西閘開啟高度與門頂位移對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.3 閘門開度尺刻度線方向

弧形閘門開度標(biāo)尺的刻度線方向?yàn)閮A斜指向支鉸和水平方向2種，刻度線方向示意見圖3。從符合讀數(shù)習(xí)慣以及便于日常觀測(cè)出發(fā)，建議開度尺的刻度線采用圖3（b）中的水平方向。

圖3 刻度線方向示意

3 弧形閘門開度尺制作

開度尺常用材質(zhì)有搪瓷標(biāo)尺、鋁合金標(biāo)尺、不銹鋼標(biāo)尺等，通過常見標(biāo)尺對(duì)比（表2）可知，不銹鋼標(biāo)尺雖然投資相對(duì)較高，但其使用壽命長，維護(hù)簡單方便，建議選用?？紤]性價(jià)比，經(jīng)過比較分析，江都西閘最終采用厚度1.5mm、寬度200mm的304不銹鋼標(biāo)尺。

目前，在不銹鋼表面印字主要使用噴漆、絲印、轉(zhuǎn)印、蝕刻等方法，不銹鋼表面印字工藝對(duì)比見表3。通過對(duì)比，優(yōu)先選用蝕刻工藝。

4 弧形閘門開度尺的安裝

閘門的開度尺與水閘的水位尺不同，當(dāng)水閘或泵站建成后，由于重力作用，地基土遭受壓縮，墩墻一般會(huì)產(chǎn)生沉降，進(jìn)而帶動(dòng)水位刻度標(biāo)尺一起下沉，導(dǎo)致水位尺高程不準(zhǔn)，直接影響水位的觀測(cè)精度。實(shí)際使用過程中，水尺需定期校正和調(diào)整。而閘門開度尺僅表示閘門實(shí)際開啟高度，與建筑物沉降無關(guān)，因而閘門開度尺使用膨脹螺栓固定在墩墻上，安裝靠近閘門面板且人工易于觀測(cè)的位置處，使用中僅需對(duì)是否固定牢靠進(jìn)行檢查維護(hù)，無需調(diào)整其高程。

5 結(jié)語

江都西閘弧形閘門開度尺已完成安裝并投入使用，通過閘位計(jì)顯示的閘門開度與閘門開度尺的開度差顯示，在±1 cm范圍內(nèi)，基本滿足使用功能要求。弧形閘門開度尺是對(duì)自動(dòng)化啟閉閘門的一種備份，尤其是在閘控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)方式能及時(shí)將閘門啟閉到調(diào)度指令要求的開度，滿足工程實(shí)時(shí)啟閉精準(zhǔn)調(diào)度要求，方便直觀，維護(hù)簡單，對(duì)具有相同弧形閘門的水閘工程具有一定借鑒作用。

表2 常見標(biāo)尺對(duì)比

表3 不銹鋼表面印字工藝