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标题 南水北调中线工程渠道蓄水条件下闸门开度的人工测算方法
范文 刘爽+高帆+赵慧+刘斌



摘要：南水北调中线工程进入正式运行期后，渠道将常年向沿线省市供水，在渠道有较多蓄水的条件下，由于闸门底缘处于水面以下，不方便人工直接测量闸门开度，通过选取水面以上闸门某一合适位置的测量点，在闸门开度调整前、后，通过人工测量比较该点位移的变化，推算闸门的开度。
关键词：南水北调；闸门；开度；应用
中图分类号：TV132；TV68文献标志码：A文章编号：
1672-1683（2015）001-0141-03
Preliminary study on measurement of slucie opening height in the high-level canal of the South-to North Water Diversion Middle Route Project
LIU Shuang，GAO Fan，ZHAO Hui，LIU Bin
（Administration of the South-to-North Water Diversion Middle Route Project，Beijing 100038，China）
Abstract：The South-to-North Water Diversion Middle Route Project will supply water to four provinces recently，when the water storage at high level in the canal，the sluice opening height can′t be measure directly because the sluice bottom was under the water，so we can pick one proper point on the sluice above the water to compare the displacement variation and we will finally calculate the sluice opening height during the sluice operating.
Key words：SNWDP；sluice；opening height；application
南水北调中线工程从丹江口水库引水，调水到河南、河北、北京及天津，总干渠自陶岔渠首至北京团城湖全长1 277 km，天津干线自西黑山分水闸引出，至天津外环河出口闸长155 km，全长1 432 km。布置各类主要建筑物共计2 300余座。
南水北调中线工程欲实现渠道运行控制自动化，实现适时适量输水。实现这一目标的基础是在总干渠上设置若干闸门[1，4]。弧形闸门与平板闸门相比有很多优点[2]，得到了越来越广泛的应用，南水北调工程沿线控制工程全部采用弧形闸门设计，其特点是在无人操作的情况下能自动开闸排水和关闸防洪。它适用于交通不便、又没有专人管理的偏辟地区[3]。
南水北调中线工程进入正式运行期后，渠道将常年向沿线省市供水，在渠道有较多蓄水的条件下，由于闸门底缘处于水面以下，不方便人工直接测量闸门开度，在开度仪无法使用的紧急情况下，通过选取水面以上闸门某一合适位置的测量点，在闸门开度调整前、后，通过人工测量比较该点位移的变化，通过数学方法推算闸门的开度。
1闸门开度的推算方法
由于闸门沿圆弧轨迹运动，闸门弧线不同位置的点转过的圆心角相同，但其纵向距离变化一般是不同的，不能简单地将观测点纵向距离差值作为闸门开度，下面对这一观点进行证明。
如图1所示，观察圆弧中的A点和B点，当圆弧顺时针方向转动α度数时，A点和B点分别转动到A′点和B′点。此时，A点纵向变化的距离为|A′C|=|OA′|·sinα=R·sinα，R为圆半径。B点纵向变化的距离为|DB|=|OB| -|OB′|·cosα=R-R·cosα。则两个距离之比为：
图1
|A′C||DB|=sinα1-sinα
由上式可知，一般情况下比值不等于1，两距离不相等。特殊情况α=90°时，比值等于1。
2闸门开度的推算公式
2.1闸门开度测算公式推导
如图2所示，假设弧门从全部关闭状态开启后，弧门底缘A点变化到A′点，闸门开度e=|A′C|。相应的弧门顺时针转动α角度，观测点B点转到B′点，∠B′OB=∠A′OA=α。
图2
设B点转到B′点横向和纵向的位移变化量分别为Δx、Δy，则|BB′|=Δx2+Δy2，取E为弦BB′的中点，可知OE垂直于BB′，则sinα2=12|BB′||OB′|=12Δx2+Δy2R，R为圆半径。
cosβ=|OD||OA|=HR，则β=arccosHR，H为弧形闸门圆心距离闸底板的距离。由此推算出闸门开度公式：
e=|A′C|=|OD|-|OA′|·cos（α+β）=H-R·cos（α+β）
2.2闸门开度的推算步骤
闸门开度的推算需要根据观测点纵向和横向距离的变化值进行推算，具体方法如下。
第一步：为了测试方便和尽量减少误差，每次测量前均将闸门调至全部关闭状态。
第二步：在水面以上部分的闸门上任意选择合适的测量点，测量并记录该点距离上游墙壁（弧门凸起的方向）的距离x1，以及该点距离闸室地面的高度y1。
第三步：将闸门开启至某一开度，闸门停稳后，再次记录观测点相对于上游墙壁和闸室地面的距离x2，y2。
第四步：将两次测量的数据x1，y1，x2，y2代入下列公式计算得出闸门开度e。
（1）计算Δx=|x2-x1|，Δy=|y2-y1|。
（2）计算α=2arcsin（12Δx2+Δy2R），其中R为弧形闸门的半径。
（3）计算β=arccosHR，其中H为弧形闸门圆心距离闸底板的距离。
（4）计算闸门开度e=H-R·cos（α+β）。
利用Excel可十分容易地实现上述公式。在实际操作过程中，可由南水北调中线局总调中心向分调中心（或现地闸站）下达闸门调整的指令。现地人员按上述方法测量出相关数据，提交总调中心。总调中心可将数据输入事先准备的Excel表格中，自动计算出闸门开度。
3闸门开度的推算方法在南水北调工程中的应用
3.1实地测量及数据计算
选取南水北调中线工程某节制闸进行了实地应用，在闸门上用记号笔做标记点，按照上述推算方法，首先测量闸门全部关闭（开度仪显示开度为0）状态下测量标记点距离上游墙壁的水平距离及距离闸室地面的垂直距离；调节闸门开度，分标测量开度仪显示开度为02 m、05 m、1 m三种工况下，测量标记点距离上游墙壁的水平距离及距离闸室地面的垂直距离。将测量数据带入上述计算公式，计算闸门开度，并与开度仪显示开度进行对比，从而验证上述推算公式。具体测量过程见图3-图7。
图3初始开度
图4第1次调整开度为02 m开度仪显示开度
图5标记工具
图6在闸门上做标记
图7测量
具体测量结果见表1。
表1测量结果
序号水平方向变化量/m垂直方向变化量/m弧门半径/m圆心到闸底距离/m初始弧度转动弧度闸门开度/m目标开度误差值（%）
10050.2151280.8410.0180.1660.2-17
20.0640.5861280.8410.0490.4490.5-10
30.2961.1321280.8410.0980.9091-9
3.2计算结果分析
3.2.1计算结果分析
开度02 m时，误差值为17%；开度05 m时，误差值为10%；开度1 m时，误差值为9%，闸门开度越大，计算误差越小。
3.2.2误差原因分析
（1）主要原因。理论测量误差应该不超过2 cm，实际工程测距不够垂直，相应的测量误差值较大，在开度较小（20 cm）的情况下，误差较大（开度02 m时误差将近20%）。
（2）弧门半径12 m，圆心到闸底距离8 m，相比02、05 m的开度，数据非常大，这些数据稍微有误差，比如热胀冷缩、设计容忍误差[5]，就会导致本计算方法系统性错误。
（3）推测闸门轨迹不是完美的圆，可能是椭圆[6]。
通过以上实地测量及计算，可以看出，推算的闸门开度计算公式在闸门开度越大情况下，误差值越小。实际工程中，在开度仪无法显示开度的应急状态下，该公式及推算方法可以作为计算闸门开度的依据，可为工程调度决策提供数据信息保障。
参考文献：
[1]刘孟凯.弧形闸门过闸流量公式比较分析[J].南水北调与水利科技，2009，7（3）：18-19.
[2]吴持恭.水力学[M].北京：高等教育出版社，1982.
[3]金荣权，方官井，谢文茹，等.水力自动启闭弧形闸门的设计与实践[J].黑龙江水利，1986（1）：12-13.
[4]穆祥鹏，陈文学，崔巍，等.弧形闸门流量计算方法的比较与分析[J].南水北调与水利科技，2013（5）：20-22
[5]曾昭民，邓爱平，翁尊袁.谈大型弧形钢闸门制造工艺[J].江西水利科技，2005（12）：222-224
[6]仲梁，苏江，穆有森.弧形钢闸门设计施工中的注意事项[J].水利天地，2012（6）：43.
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更新时间：2025/3/22 15:53:18