代 威

（1太原理工大學(xué) 山西太原030024；2山西省水利水電勘測設(shè)計研究院 山西太原030024）

1 問題的引出

弧形閘門是一種應(yīng)用十分廣泛的閘門類型，具有結(jié)構(gòu)簡單、啟門力小、水流條件好等優(yōu)點，常被用于泄水建筑物上作為工作閘門使用。然而也正是因為閘門啟閉時門葉繞固定水平鉸軸轉(zhuǎn)動，致使弧形閘門開度的計算并不像平面閘門的那樣簡單。

作為設(shè)計人員，經(jīng)常會需要知道幾個數(shù)據(jù)：1）當閘門提起一定高度時，啟閉機此時將滑輪組提升了多高。2）當閘門完全提出孔口進入檢修工位時，此時滑輪組提升了多少，即啟閉機所需的最小行程是多少。3）當閘門提起一定高度時，閘門頂部提升了多少，當閘門提升多高時，閘門頂部就脫離了門槽限位。4）當閘門完全提出孔口進入檢修工位時，此時門頂?shù)南鄬Ω叨仁嵌喔?，會不會與啟閉機下部混凝土大梁發(fā)生干涉。5）當一個攔河閘全部提出孔口泄流時，此時閘門頂部與啟閉機房的相對位置關(guān)系又是怎樣的。

幾年前，筆者也曾面對過這些問題，當時作為“設(shè)計”，完全可以通過精確制圖來回答這些問題。但是如果設(shè)計人員通過制圖法得出了上述問題的結(jié)論，那么校核人員仍然用制圖法校核，審查人員還是用制圖法審查，那么恐怕有些不妥。其實通過幾何推導(dǎo)，一樣可以解決這些問題，而且通過計算機簡單的編程，其效率遠高于用精確制圖法。

由于弧形閘門的特殊性，閘門面板曲率半徑一般不等于吊耳曲率半徑，故筆者上述的5個問題中，分兩類:一類是啟閉機行程與閘門開度的關(guān)系，即問題1與2；另一類是閘門門頂運行高度與閘門開度的關(guān)系，即問題3～5。下面將分別推導(dǎo)總結(jié)，推導(dǎo)中用到的數(shù)據(jù)全部為閘門總圖、閘門及啟閉機聯(lián)系圖內(nèi)可方便讀出的，且為必須標注的關(guān)鍵尺寸。

2 公式的推導(dǎo)

2.1 啟閉機行程與閘門開度的關(guān)系

已知：

R—弧形閘門面板外緣曲率半徑，mm；

R’—弧形閘門吊點所在位置曲率半徑，mm；

A—弧形閘門支鉸高度，mm；

H0—弧形閘門吊耳初始高度，mm；

X—起吊中心線距支鉸中心水平距，mm；

Y—啟閉機距支鉸相對安裝高度，mm；

h—閘門開度，mm。

另，O0為閘門關(guān)閉時，吊耳所在位置；

O1為閘門開度為h時，吊耳所在位置；

Q點為啟閉機吊點所在位置。

求：

L—啟閉機行程，mm；

具體內(nèi)容見圖1。

圖1 啟閉機行程計算圖

推導(dǎo)公式過程如下：

由圖1可知：

此時L0即為閘門關(guān)閉狀態(tài)下鋼絲繩組的初始伸長；

當閘門開啟h高度時，門體轉(zhuǎn)過的角度即為β角，故有：

此時L1即為閘門開度為h狀態(tài)下鋼絲繩組的伸長；

將（A-3）、（A-6）、（A-7）帶入（A-10）可得 L 的最終計算結(jié)果。

L值即為在h開度下，啟閉機的實際行程，當h取極大值時，所對應(yīng)的L值即為啟閉機的最小行程。

注：（A-4）式中，當?shù)醵叨雀哂谥сq高度時，所有公式均不改變，此時僅僅為負數(shù)而已。

2.2 閘門門頂運行高度與閘門開度的關(guān)系

已知：

H—弧形閘門面板高度，mm；

LC—弧形閘門面板總弧長，mm；

h—閘門開度，mm；

其余同上。

求：

g—門頂啟升高度，mm。

具體內(nèi)容見圖2。

圖2 門頂啟升高度計算圖

推導(dǎo)公式過程如下：

由圖2可知：g+H=H′+h

將（B-3）帶入（B-2）中，可得：

將（B-6）、（B-7）帶入（B-5）中，可得：

將（B-8）帶入（B-4），可得：

化簡得：

將（B-9）帶入（B-1），可得：

將（B-11）帶入（B-10），可得：

g值即為在h開度下，閘門門頂?shù)膯⑸叨取?/p>

3 應(yīng)用舉例

不論是（A-10）還是（B-12）看似公式有些繁瑣，但是在計算機高度發(fā)達的今天，通過簡單地Excel表格，使用一個僅需2×12的表格，將已知數(shù)據(jù)輸入，立刻就能得到想要的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)以山西省晉中地區(qū)某水庫底孔弧形工作閘門為例做以簡單說明。

已知數(shù)據(jù)：R=9000 mm，H=5230 mm，A=6000 mm，LC=5797mm，H0=5500 mm,R’=8376mm,X=7477mm,Y=9323mm。將閘門提至極限位置即檢修工位時，h=5800 mm。此時將數(shù)據(jù)帶入（A-11）、（B-12）公式可得：L=5582mm，g=6094mm?？紤]到余量，閘門實際選用啟閉機行程5900 mm，啟閉機平臺凈空高度6623mm。

本文中L及g的應(yīng)用非常廣泛，上例中僅計算了閘門極限位置是對應(yīng)的關(guān)系。在實際應(yīng)用中，通過計算機可以很容易地制作一張附表，附在“閘門與啟閉機聯(lián)系圖”上，有了這樣的表格，弧形閘門的開度就可以方便的控制，不但使得工程驗收時對閘門開度控制有據(jù)可循，也便于運營管理部門平時對閘門運行時的開度進行較好的控制。