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【摘 要】本文阐述了水闸设计的平面布置的特点，渠首闸的作用，水力计算、结构形式及设计应注意的问题等，仅供广大水利工作者借鉴和同行参考。
【关键词】灌区；渠首闸；优化设计；闸门
Optimized design of Canal head gate project in pear tree irrigation district
Yu Gui-zhen
(Xiasantai Reservoir Management Bureau Siping Jilin 136000)
【Abstract】This article describes the design layout gate features the role of headworks gates, hydraulic calculations, structure and design issues should be noted, only for reference and fellow workers, the majority of water for reference.
【Key words】Irrigation district ； Canal head gate ； Optimization gate
1. 概述
1.1 灌区渠首闸的作用。
渠首进水闸是引河流（水库）水源入田间灌溉不可缺少的控制工程，是灌区重要水工建筑物之一。进水闸常与河道拦河闸、拦河坝等联合布置，形成枢纽建筑物。
1.2 渠首闸的主要结构型式。
大中型灌区渠首进水闸常布置为开敞式，其结构由进水口、闸室、消力池和海漫段组成。闸室段为开敞式水闸主要组成部分，由闸墩、底板、闸门、工作桥及排架组成；为了保证灌区灌溉保证率，在河道枯水期低水位时多引水灌溉，闸室宽度设计往往采用宽浅式，一般与下游渠道底宽相同或略小于渠道底宽。闸门常采用简支平板钢闸门，也有用翻板平板钢闸门。消力池是渠首闸的又一重要组成部分，其作用是消能使水流平稳；消力池一般为钢筋混凝土结构，由挡土墙和护坦或U型槽构成矩形断面。
1.3 渠首闸设计存在的问题。
当前渠首闸结构设计存在的主要问题集中表现在闸室和消力池两个部位。闸室结构复杂、受力条件不好，施工困难，而且工程量较大；其投资一般约占全部工程的50%左右，相对较大。
消力池采用矩形断面，由挡土墙或U型槽等钢筋混凝土构成。其消能效果不如梯形断面消力池；而结构型式既不适应抗冻需要、又造成工程浪费，同时增加施工难度。
2. 渠首闸优化设计
2.1 设计要点。
渠首闸优化设计，重点之一是从改变闸门启闭系统，改善闸门结构条件，从而简化闸室型式，达到节省工程造价的目的。通过力学原理及能量转换原理，采用手、电动四联杆新型启闭设计，并与双悬臂平板钢闸门结合使用，形成四联杆翻板闸门系统。取消了原闸墩结构中的闸门槽，工作桥及排架结构，简化了闸室结构。原来集中作用于闸墩门槽上的水平推力通过结构简化，使作用力重新分配使用到闸墩和闸底板上、改善了闸室受力条件，因而使闸室结构得到优化。
优化设计的第二个重点是消力池采用浅槽与护坡结构型式。消力池断面底部为矩形、上部为梯形，其消能效果优于矩形断面。
2.2 启闭系统-手、电动四联杆启闭设备 。
过去常采用的简支平板闸门启闭设备位于闸室上部结构工作桥上，通过启闭机丝杠与门板吊点联接传递力完成启闭过程。这种启闭设备传动简单，可对闸室结构要求复杂，受力条件不好。
翻板闸启闭设备均采用三联杆结构，其固定铰与启闭油缸均在闸底板上。作用力全部集中在闸底板上，需加大闸底板结构尺寸和配筋量。而闸墩不受水平力作用，使结构不合理。由于启闭设备常年在水下运行，对维修和管理都带来十分不便。铁质杆件在水下运行易发生腐蚀，缩短启闭设备的使用年限。另外，液压启闭系统需要专门配置启闭动力设备。
手、电动四联杆启闭设备则克服了以往启闭设备的缺点和不足。四联杆启闭系统是由启闭机丝杠、大壁AC杆、短臂CD杆和闸门板纵梁四个杆件和三个固定铰（A、N、Q）组成。见图-1。铰座A＇、N固定在闸墩侧墙上，铰座Q固定在闸底板上，铰中心轴高度为三分之一设计水深（即：闸门水压力合力作用点），两铰座中心轴间距为0.586L(L一闸室垂直水流方向净宽)。这样布置可使闸门主渠跨中与两侧支座处弯矩相等，受力分布均匀。启闭机丝杆和CD杆为二力杆件。AC杆和门板纵梁为受弯杆件；铰座为固定支座，结构简单、受力条件好。四联杆启闭设备与双悬壁平板钢闸门结构，形成手、电两用四联杆启闭系统翻板闸门。
图1 四联杆起止位置图 比例1：20
使用该启闭系统可以取消闸室上部的工作桥和工作排架以及闸墩上闸门槽等结构，使闸室结构变得更加简化。而且由于取消了门槽，大部分作用力通过铰座作用在闸底板上，同时四联杆通过铰支座分别固定在闸墩侧墙上，使作用在闸门板上的水压力得以重新分布，从而减轻节闸墩的作用力。在启闭机启门力作用下，通过四联杆的复合运动完成了闸门全部启闭行程，从而有效地减轻了启门力，一般可省力20%左右。闸门正常工作时，由于上下游水流作用、四联杆支撑臂并不受力或受力很小；由于作用在闸室上的作用力的合理分布、改善了闸室受力稳定条件，可减短闸室沿水流方向的长度而保持闸室稳定。
2.3 双悬臂翻板闸门。
简支平板闸以两侧闸门槽为支座，由力学公式，简支闸门主梁跨中最大弯矩：Mmax=1/8qL2，而双悬臂平板闸门主梁跨中最大弯跨Mmax=1/47qL2。因此，将同跨度的简支平板闸门支座（闸门槽）由闸室底板上两个铰座取代，平面布置距闸墩0.207L处，两铰座中心间距为0.586L，形成双悬臂翻板闸门。闸门主梁是大弯距可减少为相同跨度简支闸门的近1/6，可有效降低闸门主梁的计算高度，因而减轻闸门重量、节省钢材。
双悬臂翻板闸门在闸底板上的两个下支点铰座位于设计水压力合力作用点上（铰座中心轴在闸底板以上1/3H处）。闸门受力条件好，具有较好的稳定性。克服了自动翻板闸由于受力条件造成的闸门板振动现象。所以，双悬臂平板钢闸门具有跨度大、受力条件好、结构简单、造价低、运行管理方便、对闸室结构要求简单等优点。
图2 图3
2.4 闸室结构简化。
四联杆启闭设备与双悬臂平板钢闸门相结合，形成四联杆双悬臂翻板闸门系统。由于该系统对闸室结构要求简单，因而可以使闸室简化，通过设计达到优化的目的。闸室简化主要体现在以下几方面。
2.4.1 取消工作桥及排架。
工作桥及排架是支撑、安装启闭机设备、完成闸门运行及管理的重要结构设施，是闸室结构的组成部分。与闸室下部结构相比，工作桥和排架结构精细、尺寸较小，施工安装难度很大。
四联杆启闭设备的应用，从结构上取消了原简支闸门所需的工作桥及排架。原来需要在工作桥上完成的工作，在地面上完全可以操作。这样既简化了闸室结构、节约了工程量，减少工程投资和施工难度，又方便了工程日常管理。
2.4.2 取消闸门槽及埋件。
闸门槽位于闸墩侧墙内，是简支闸门水压力支撑部位，也是闸墩受力薄弱环节。由于门槽断面尺寸较小，为满足受力条件门槽周围需埋设钢件，因此，施工模板安装及混凝土浇筑都十分困难，而且闸门槽施工质量要求较高，否则将影响闸门的正常运行。双悬臂翻板闸门由于受力作用在闸底板铰支座和四联杆上，因此，从结构上可以取消闸门槽及其附属埋件。
2.4.3 减小闸墩及闸底板尺寸。
采用四联杆双悬臂翻板闸门，取消了闸门槽和工作桥及工作排架，可使闸墩厚度减薄0.2～0.3米；由于闸室上部结构减轻，因而减小了作用在闸底板上的垂直力，从结构上可使闸底板变薄。这就使整个闸室重量变轻，减小了地基应力。同时由闸室自重产生的倾覆弯矩值也减小，因而对闸室的抗倾稳定有利。
以往闸室设计在软土地基上时，由于闸室自重过大，地基承受力往往不能满足要求；需要对地基进行处理或加大闸室顺水流方向的长度，来提高地基承载力或减小闸室对地基产生的压力。这些措施均加大工程量、增加工程投资。由于取消了闸室上部结构及闸墩、底板尺寸变小，使闸室自重变轻对闸室抗滑稳定不利。但如果考虑下游消力池阻力作用及闸底板上下游两齿间土体的阻力作用，一般仍能满足抗滑稳定要求；如不满足要求，可在闸室前增加钢筋混凝土阻滑板。
2.5 消力池结构型式优化。
渠首进水闸要求有足够的过闸流量和相当的水位。因此，渠首进水闸设计其闸室宽度一般与渠道底宽相同或略小。相对过闸单宽流量q值不大，一般均小于2m3/s.m，因此闸后水流佛洱德数Fr及水跃跃前能量E均不大；同时，闸后消能多采用底流消能型式，水流表面漩滚相对较弱，对消力池上部结构冲刷不是十分严重。所以，渠首闸消力池横断采用复合断面，即：下部采用钢筋混凝土浅槽（同消力池设计深度），上部采用与渠道坡比相同的混凝土板护坡，其上部横断型式为梯形断面即可满足消能要求。
这种上部结构为梯型断面、下部为浅槽矩形断面的消力池，由于过水断面大于同底宽的短形断面（由挡土墙或U型槽形成的断面），其过闸后单宽流量相对较小、因此消能快、效果好。在总体布置上，闸室与下游渠道迅速衔接，缩短了闸室与渠道间过渡段的长度。因而优化了消力池结构，降低了工程造价，方便了施工。同时，该种结构型式适应冻胀变形，便于维修养护。
2.6 工程适用条件。
四联杆双悬臂平板钢闸门翻板闸，经结构计算适用于闸前水深2.5米以下，水压力16×103KPa～24×103KPa，单孔闸门净宽8.0～12.0米的条件。以8.0米净宽最为经济合理。四联杆机械手、电动启闭系统适用于单孔或多孔闸，如拦河闸、渠道进水闸、节制闸、泄水闸上，可获得广泛的应用。
3. 优化设计实例
渠首节制闸位于灌区总干渠首，施工图设计阶段应用四联杆双悬臂翻板闸结构，对闸室和消力池结构进行优化。
3.1 设计资料。
渠首节制闸与一干进水闸组成枢纽工程。该闸主要作用是控制水位、调节流量，保证节制闸上游支渠6万亩水田灌溉和下游供水。建闸位置渠道设计流量上游Q上=10.4m3/s，下游Q下=8.5m3/s，设计水深闸前H正常=1.65米、H雍=2.0米，闸后H1=1.55米，渠道底宽B=8.3米，边坡系数M内=2.0、M外=3.0，渠堤顶宽左侧3.0米、右侧4.0米，渠底比降为1/7000。
3.2 总体布置。
节制闸由闸室、消力池、上游进口段和下游海漫段四部分组成。闸室一孔、净宽8.0米，由结构要求闸室长3.5米；启闭设备及闸门采用四联杆双悬臂翻板闸门系统，闸门尺寸为8.0×2.0米。闸室为U型槽结构，闸墩与底板为一整体，闸墩顶宽0.6米，底宽1.0米，高3.0米，底板厚1.0米，闸室上部有人行，宽1.2米，闸室上下游两侧设防渗膜垂直防渗墙。消力池下部为U型槽结构，净宽 8.0米、长7.0米、槽深0.5米，消力池上部为梯形断面，与下游渠首相同，采用（1.5×1.0×0.15）米现浇混凝土板护坡。上游翼墙位于支渠分水闸一侧为悬臂式挡土墙，另一侧与下游翼墙结合采用U型槽结构。进水口护砌及下游海漫段采用（1.0×1.0×0.15）米现浇混凝土板护坡、护底。
3.3 水力计算。
水力计算包括两方面内容，其一计算闸门不同开启高度对应流量；其二是闸后消能计算。
3.3.1 流量计算。
启闭机丝杠（NM杆）在启闭行程中不同转角对应闸门不同启闭高度，相应对闸流量也不相同。闸孔过流存在两种型式：当闸门开启度高H小于闸门临界开启高度H临时，仅为闸下孔流，其计算公式采用。
Q1=σsH0be 2g(H0-εe（1）
当闸门开启高度大于临界高度时，闸门板上下均过流，闸门板下为闸孔出流，闸门板上为薄壁出流，两者过流量之和为闸孔泄流量。计算公式：
Q=Q1′+Q2……(2)
Q1′=m0b2gH03/2 自由出流（3）
Q2 ′=1.05σsm0b2gH03/2 淹没出流（4）
式中符号见水闸设计有关公式。对闸门初始和终止状态及中间过程流量见表1。
V=3.6°时 e=33.5（厘米）为闸门临界开启高度。
3.3.2 消能计算。
当闸室上游为设计水深时，下游不同闸门开启高度其过闸流量及相应产生的水跃其水深不相同。由闸孔自由出流计算公式：
Q=μeb2gH0-εe（5）
及 hc=εe（6）
hc″=h c/Z(1+8q2/ghc3-1)（7）
由式求得hc″值均小于下游渠道相应水深，即闸后为淹没出流，按结构要求设深0.5米、长7.0米消力池。式中符号：Q：过闸流量；μ:闸孔自由出流的流量系数；e:闸孔开度；b:闸孔宽度；ho:包括行进流速水头的闸前水头；ε：垂直收缩系数。
3.4 四联杆结构计算
3.4.1 四联杆尺寸拟定。
根据闸前设计水深及加大水深值确定固定铰座Q及中心轴距底板65厘米，启闭机中心轴距AC杆上的铰轴M的长度NM=100厘米，AC杆长160厘米，AM=80厘米，CD值为50厘米，DB=30厘米，DE=105厘米。
闸门在运行过程中，始终比铰Q为转轴；当闸门板转动90°到终止状态水平放置时，启闭机丝杠达到最大转角V=13.3°，相应a=43.8°、NM′=174厘米。
3.4.2 四联杆受力计算。
四联杆各杆件受力均来自闸前水压力及闸门板自重，CD杆与NM杆为二力杆件，AC杆为受弯杆件。分别选取起始和终止及中间六种运行状态计算杆件及铰座受力情况，计算结果见表2。
通过计算可知：闸门作用力大部分集中在铰座Q传递给闸底板，其最大值为74.46KN，C、D铰最大受力为45.87KN，N、M铰最大受力41.22KN，A点最大受力29.4KN，AC杆最大弯矩14.0KN.M。由各种杆件受力和弯矩值选取杆件及铰座断面尺寸，进行强度和稳定验算，确定断面设计尺寸。
3.5 闸室稳定计算。
闸室稳定计算包括作用荷载计算，抗滑稳定校核和地基应力校核等三方面内容。
3.5.1 荷载计算闸室受力按建闸后闸门关闭、闸前段为设计水深最不利情况考虑。（受力图未附）闸室受力：F=67.06（T）
力矩：M=108.85（T.M）
合力作用点距离板上游端的距离：
e=∑M/∑F=108.85/67.06=1.62(m)
闸室防渗板长L=18.5（m），上、下游水头差H=1.65（m）,H/L=0.089，∑W=27.63（T），∑P=10.89（T），对底板上游端取矩得：
∑M=42.74（T.M）
3.5.2 抗滑稳定计算。
由公式：Kc= f×/P
式中：f——摩擦系数，砂类土取f=0.4；Kc——抗滑系数；
求得Kc=1.11>［K］=1.10，满足抗滑稳定要求。
3.5.3 地基应力校核
作用在闸室上合力作用点位置距闸底板上游端距离e值由公式：
e=M/ 求得e=1.55(m)
偏心距：eo=b/2-e，式中b为闸底板沿水流方向宽度为3.5米。求得eo=0.20（m）。
地基应力由公式：
σmax=/Lb±6e0/L2×b
__所有垂直力的总和；
b——同上式；
L——闸底板垂直水流方向长度。
计算结果：σmax=0.88（T/m2）
地基应力不均匀系数：σmax/σmax=1.27，介于1.2～1.5之间，满足地基不均匀沉陷要求。
4. 工程运行观察
渠首节制闸于二00五年秋季竣工，二OO六年春季通水运行。闸门在启闭运行过程中门板及四联杆设备运用灵活、无死角自锁现象，受力后系统无振动现象。在设计水头和加大水头条件下，闸门全部关闭门板受力运行正常，在最大受力条件下四联杆各杆件受力正常，未发生变形。经过近两年的运行证明：手、电动两用四联杆启闭系统与双悬臂平板钢闸门翻板闸联合使用，用于渠道节制闸是可靠的。
5. 经济效益
四联杆双悬臂平板钢闸门翻板闸，由于结构简单，在作用功能完全相同的情况下，简化了闸室结构、使其优化更趋合理。因此，在经济上减少了工程量、降低工程造价。以闸室净宽为8.0米单孔双吊点简支平板钢闸门与相同宽度四联杆双悬平板钢闸门翻板闸为例进行比较，详见表3.
消力池采用复式断面（上部梯形、下部矩形）由于结构简单、消能效果明显，与矩形消力池相比节约工程量、减少工程投资。详见表3。经计算比较同为8.0米净宽节制闸可节省工程投资9.402万元，占总投资的17.1%。如该闸与交通桥结合设计，将桥面板置于闸墩上可节省桥墩工程量，其经济效益更为显著。
由于闸室和消力池的优化设计，使其结构简单化，不仅仅降低工程造价；而且也极大程度地简化了施工工艺、方便了施工，可节省工日140个，提前工期20天。由于闸室优化设计，取消了闸室上部结构，使工程运行管理更加方便和安全。
［文章编号］1006-7619（2010）10-11-913
［作者简介］ 于桂珍（1959-），女，吉林四平市人，汉族，毕业于东北水利水电学校，工程师，现在四平市下三台水库从事水利工程技术管理。
【关键词】灌区；渠首闸；优化设计；闸门
Optimized design of Canal head gate project in pear tree irrigation district
Yu Gui-zhen
(Xiasantai Reservoir Management Bureau Siping Jilin 136000)
【Abstract】This article describes the design layout gate features the role of headworks gates, hydraulic calculations, structure and design issues should be noted, only for reference and fellow workers, the majority of water for reference.
【Key words】Irrigation district ； Canal head gate ； Optimization gate
1. 概述
1.1 灌区渠首闸的作用。
渠首进水闸是引河流（水库）水源入田间灌溉不可缺少的控制工程，是灌区重要水工建筑物之一。进水闸常与河道拦河闸、拦河坝等联合布置，形成枢纽建筑物。
1.2 渠首闸的主要结构型式。
大中型灌区渠首进水闸常布置为开敞式，其结构由进水口、闸室、消力池和海漫段组成。闸室段为开敞式水闸主要组成部分，由闸墩、底板、闸门、工作桥及排架组成；为了保证灌区灌溉保证率，在河道枯水期低水位时多引水灌溉，闸室宽度设计往往采用宽浅式，一般与下游渠道底宽相同或略小于渠道底宽。闸门常采用简支平板钢闸门，也有用翻板平板钢闸门。消力池是渠首闸的又一重要组成部分，其作用是消能使水流平稳；消力池一般为钢筋混凝土结构，由挡土墙和护坦或U型槽构成矩形断面。
1.3 渠首闸设计存在的问题。
当前渠首闸结构设计存在的主要问题集中表现在闸室和消力池两个部位。闸室结构复杂、受力条件不好，施工困难，而且工程量较大；其投资一般约占全部工程的50%左右，相对较大。
消力池采用矩形断面，由挡土墙或U型槽等钢筋混凝土构成。其消能效果不如梯形断面消力池；而结构型式既不适应抗冻需要、又造成工程浪费，同时增加施工难度。
2. 渠首闸优化设计
2.1 设计要点。
渠首闸优化设计，重点之一是从改变闸门启闭系统，改善闸门结构条件，从而简化闸室型式，达到节省工程造价的目的。通过力学原理及能量转换原理，采用手、电动四联杆新型启闭设计，并与双悬臂平板钢闸门结合使用，形成四联杆翻板闸门系统。取消了原闸墩结构中的闸门槽，工作桥及排架结构，简化了闸室结构。原来集中作用于闸墩门槽上的水平推力通过结构简化，使作用力重新分配使用到闸墩和闸底板上、改善了闸室受力条件，因而使闸室结构得到优化。
优化设计的第二个重点是消力池采用浅槽与护坡结构型式。消力池断面底部为矩形、上部为梯形，其消能效果优于矩形断面。
2.2 启闭系统-手、电动四联杆启闭设备 。
过去常采用的简支平板闸门启闭设备位于闸室上部结构工作桥上，通过启闭机丝杠与门板吊点联接传递力完成启闭过程。这种启闭设备传动简单，可对闸室结构要求复杂，受力条件不好。
翻板闸启闭设备均采用三联杆结构，其固定铰与启闭油缸均在闸底板上。作用力全部集中在闸底板上，需加大闸底板结构尺寸和配筋量。而闸墩不受水平力作用，使结构不合理。由于启闭设备常年在水下运行，对维修和管理都带来十分不便。铁质杆件在水下运行易发生腐蚀，缩短启闭设备的使用年限。另外，液压启闭系统需要专门配置启闭动力设备。
手、电动四联杆启闭设备则克服了以往启闭设备的缺点和不足。四联杆启闭系统是由启闭机丝杠、大壁AC杆、短臂CD杆和闸门板纵梁四个杆件和三个固定铰（A、N、Q）组成。见图-1。铰座A＇、N固定在闸墩侧墙上，铰座Q固定在闸底板上，铰中心轴高度为三分之一设计水深（即：闸门水压力合力作用点），两铰座中心轴间距为0.586L(L一闸室垂直水流方向净宽)。这样布置可使闸门主渠跨中与两侧支座处弯矩相等，受力分布均匀。启闭机丝杆和CD杆为二力杆件。AC杆和门板纵梁为受弯杆件；铰座为固定支座，结构简单、受力条件好。四联杆启闭设备与双悬壁平板钢闸门结构，形成手、电两用四联杆启闭系统翻板闸门。
图1 四联杆起止位置图 比例1：20
使用该启闭系统可以取消闸室上部的工作桥和工作排架以及闸墩上闸门槽等结构，使闸室结构变得更加简化。而且由于取消了门槽，大部分作用力通过铰座作用在闸底板上，同时四联杆通过铰支座分别固定在闸墩侧墙上，使作用在闸门板上的水压力得以重新分布，从而减轻节闸墩的作用力。在启闭机启门力作用下，通过四联杆的复合运动完成了闸门全部启闭行程，从而有效地减轻了启门力，一般可省力20%左右。闸门正常工作时，由于上下游水流作用、四联杆支撑臂并不受力或受力很小；由于作用在闸室上的作用力的合理分布、改善了闸室受力稳定条件，可减短闸室沿水流方向的长度而保持闸室稳定。
2.3 双悬臂翻板闸门。
简支平板闸以两侧闸门槽为支座，由力学公式，简支闸门主梁跨中最大弯矩：Mmax=1/8qL2，而双悬臂平板闸门主梁跨中最大弯跨Mmax=1/47qL2。因此，将同跨度的简支平板闸门支座（闸门槽）由闸室底板上两个铰座取代，平面布置距闸墩0.207L处，两铰座中心间距为0.586L，形成双悬臂翻板闸门。闸门主梁是大弯距可减少为相同跨度简支闸门的近1/6，可有效降低闸门主梁的计算高度，因而减轻闸门重量、节省钢材。
双悬臂翻板闸门在闸底板上的两个下支点铰座位于设计水压力合力作用点上（铰座中心轴在闸底板以上1/3H处）。闸门受力条件好，具有较好的稳定性。克服了自动翻板闸由于受力条件造成的闸门板振动现象。所以，双悬臂平板钢闸门具有跨度大、受力条件好、结构简单、造价低、运行管理方便、对闸室结构要求简单等优点。
图2 图3
2.4 闸室结构简化。
四联杆启闭设备与双悬臂平板钢闸门相结合，形成四联杆双悬臂翻板闸门系统。由于该系统对闸室结构要求简单，因而可以使闸室简化，通过设计达到优化的目的。闸室简化主要体现在以下几方面。
2.4.1 取消工作桥及排架。
工作桥及排架是支撑、安装启闭机设备、完成闸门运行及管理的重要结构设施，是闸室结构的组成部分。与闸室下部结构相比，工作桥和排架结构精细、尺寸较小，施工安装难度很大。
四联杆启闭设备的应用，从结构上取消了原简支闸门所需的工作桥及排架。原来需要在工作桥上完成的工作，在地面上完全可以操作。这样既简化了闸室结构、节约了工程量，减少工程投资和施工难度，又方便了工程日常管理。
2.4.2 取消闸门槽及埋件。
闸门槽位于闸墩侧墙内，是简支闸门水压力支撑部位，也是闸墩受力薄弱环节。由于门槽断面尺寸较小，为满足受力条件门槽周围需埋设钢件，因此，施工模板安装及混凝土浇筑都十分困难，而且闸门槽施工质量要求较高，否则将影响闸门的正常运行。双悬臂翻板闸门由于受力作用在闸底板铰支座和四联杆上，因此，从结构上可以取消闸门槽及其附属埋件。
2.4.3 减小闸墩及闸底板尺寸。
采用四联杆双悬臂翻板闸门，取消了闸门槽和工作桥及工作排架，可使闸墩厚度减薄0.2～0.3米；由于闸室上部结构减轻，因而减小了作用在闸底板上的垂直力，从结构上可使闸底板变薄。这就使整个闸室重量变轻，减小了地基应力。同时由闸室自重产生的倾覆弯矩值也减小，因而对闸室的抗倾稳定有利。
以往闸室设计在软土地基上时，由于闸室自重过大，地基承受力往往不能满足要求；需要对地基进行处理或加大闸室顺水流方向的长度，来提高地基承载力或减小闸室对地基产生的压力。这些措施均加大工程量、增加工程投资。由于取消了闸室上部结构及闸墩、底板尺寸变小，使闸室自重变轻对闸室抗滑稳定不利。但如果考虑下游消力池阻力作用及闸底板上下游两齿间土体的阻力作用，一般仍能满足抗滑稳定要求；如不满足要求，可在闸室前增加钢筋混凝土阻滑板。
2.5 消力池结构型式优化。
渠首进水闸要求有足够的过闸流量和相当的水位。因此，渠首进水闸设计其闸室宽度一般与渠道底宽相同或略小。相对过闸单宽流量q值不大，一般均小于2m3/s.m，因此闸后水流佛洱德数Fr及水跃跃前能量E均不大；同时，闸后消能多采用底流消能型式，水流表面漩滚相对较弱，对消力池上部结构冲刷不是十分严重。所以，渠首闸消力池横断采用复合断面，即：下部采用钢筋混凝土浅槽（同消力池设计深度），上部采用与渠道坡比相同的混凝土板护坡，其上部横断型式为梯形断面即可满足消能要求。
这种上部结构为梯型断面、下部为浅槽矩形断面的消力池，由于过水断面大于同底宽的短形断面（由挡土墙或U型槽形成的断面），其过闸后单宽流量相对较小、因此消能快、效果好。在总体布置上，闸室与下游渠道迅速衔接，缩短了闸室与渠道间过渡段的长度。因而优化了消力池结构，降低了工程造价，方便了施工。同时，该种结构型式适应冻胀变形，便于维修养护。
2.6 工程适用条件。
四联杆双悬臂平板钢闸门翻板闸，经结构计算适用于闸前水深2.5米以下，水压力16×103KPa～24×103KPa，单孔闸门净宽8.0～12.0米的条件。以8.0米净宽最为经济合理。四联杆机械手、电动启闭系统适用于单孔或多孔闸，如拦河闸、渠道进水闸、节制闸、泄水闸上，可获得广泛的应用。
3. 优化设计实例
渠首节制闸位于灌区总干渠首，施工图设计阶段应用四联杆双悬臂翻板闸结构，对闸室和消力池结构进行优化。
3.1 设计资料。
渠首节制闸与一干进水闸组成枢纽工程。该闸主要作用是控制水位、调节流量，保证节制闸上游支渠6万亩水田灌溉和下游供水。建闸位置渠道设计流量上游Q上=10.4m3/s，下游Q下=8.5m3/s，设计水深闸前H正常=1.65米、H雍=2.0米，闸后H1=1.55米，渠道底宽B=8.3米，边坡系数M内=2.0、M外=3.0，渠堤顶宽左侧3.0米、右侧4.0米，渠底比降为1/7000。
3.2 总体布置。
节制闸由闸室、消力池、上游进口段和下游海漫段四部分组成。闸室一孔、净宽8.0米，由结构要求闸室长3.5米；启闭设备及闸门采用四联杆双悬臂翻板闸门系统，闸门尺寸为8.0×2.0米。闸室为U型槽结构，闸墩与底板为一整体，闸墩顶宽0.6米，底宽1.0米，高3.0米，底板厚1.0米，闸室上部有人行，宽1.2米，闸室上下游两侧设防渗膜垂直防渗墙。消力池下部为U型槽结构，净宽 8.0米、长7.0米、槽深0.5米，消力池上部为梯形断面，与下游渠首相同，采用（1.5×1.0×0.15）米现浇混凝土板护坡。上游翼墙位于支渠分水闸一侧为悬臂式挡土墙，另一侧与下游翼墙结合采用U型槽结构。进水口护砌及下游海漫段采用（1.0×1.0×0.15）米现浇混凝土板护坡、护底。
3.3 水力计算。
水力计算包括两方面内容，其一计算闸门不同开启高度对应流量；其二是闸后消能计算。
3.3.1 流量计算。
启闭机丝杠（NM杆）在启闭行程中不同转角对应闸门不同启闭高度，相应对闸流量也不相同。闸孔过流存在两种型式：当闸门开启度高H小于闸门临界开启高度H临时，仅为闸下孔流，其计算公式采用。
Q1=σsH0be 2g(H0-εe（1）
当闸门开启高度大于临界高度时，闸门板上下均过流，闸门板下为闸孔出流，闸门板上为薄壁出流，两者过流量之和为闸孔泄流量。计算公式：
Q=Q1′+Q2……(2)
Q1′=m0b2gH03/2 自由出流（3）
Q2 ′=1.05σsm0b2gH03/2 淹没出流（4）
式中符号见水闸设计有关公式。对闸门初始和终止状态及中间过程流量见表1。
V=3.6°时 e=33.5（厘米）为闸门临界开启高度。
3.3.2 消能计算。
当闸室上游为设计水深时，下游不同闸门开启高度其过闸流量及相应产生的水跃其水深不相同。由闸孔自由出流计算公式：
Q=μeb2gH0-εe（5）
及 hc=εe（6）
hc″=h c/Z(1+8q2/ghc3-1)（7）
由式求得hc″值均小于下游渠道相应水深，即闸后为淹没出流，按结构要求设深0.5米、长7.0米消力池。式中符号：Q：过闸流量；μ:闸孔自由出流的流量系数；e:闸孔开度；b:闸孔宽度；ho:包括行进流速水头的闸前水头；ε：垂直收缩系数。
3.4 四联杆结构计算
3.4.1 四联杆尺寸拟定。
根据闸前设计水深及加大水深值确定固定铰座Q及中心轴距底板65厘米，启闭机中心轴距AC杆上的铰轴M的长度NM=100厘米，AC杆长160厘米，AM=80厘米，CD值为50厘米，DB=30厘米，DE=105厘米。
闸门在运行过程中，始终比铰Q为转轴；当闸门板转动90°到终止状态水平放置时，启闭机丝杠达到最大转角V=13.3°，相应a=43.8°、NM′=174厘米。
3.4.2 四联杆受力计算。
四联杆各杆件受力均来自闸前水压力及闸门板自重，CD杆与NM杆为二力杆件，AC杆为受弯杆件。分别选取起始和终止及中间六种运行状态计算杆件及铰座受力情况，计算结果见表2。
通过计算可知：闸门作用力大部分集中在铰座Q传递给闸底板，其最大值为74.46KN，C、D铰最大受力为45.87KN，N、M铰最大受力41.22KN，A点最大受力29.4KN，AC杆最大弯矩14.0KN.M。由各种杆件受力和弯矩值选取杆件及铰座断面尺寸，进行强度和稳定验算，确定断面设计尺寸。
3.5 闸室稳定计算。
闸室稳定计算包括作用荷载计算，抗滑稳定校核和地基应力校核等三方面内容。
3.5.1 荷载计算闸室受力按建闸后闸门关闭、闸前段为设计水深最不利情况考虑。（受力图未附）闸室受力：F=67.06（T）
力矩：M=108.85（T.M）
合力作用点距离板上游端的距离：
e=∑M/∑F=108.85/67.06=1.62(m)
闸室防渗板长L=18.5（m），上、下游水头差H=1.65（m）,H/L=0.089，∑W=27.63（T），∑P=10.89（T），对底板上游端取矩得：
∑M=42.74（T.M）
3.5.2 抗滑稳定计算。
由公式：Kc= f×/P
式中：f——摩擦系数，砂类土取f=0.4；Kc——抗滑系数；
求得Kc=1.11>［K］=1.10，满足抗滑稳定要求。
3.5.3 地基应力校核
作用在闸室上合力作用点位置距闸底板上游端距离e值由公式：
e=M/ 求得e=1.55(m)
偏心距：eo=b/2-e，式中b为闸底板沿水流方向宽度为3.5米。求得eo=0.20（m）。
地基应力由公式：
σmax=/Lb±6e0/L2×b
__所有垂直力的总和；
b——同上式；
L——闸底板垂直水流方向长度。
计算结果：σmax=0.88（T/m2）
地基应力不均匀系数：σmax/σmax=1.27，介于1.2～1.5之间，满足地基不均匀沉陷要求。
4. 工程运行观察
渠首节制闸于二00五年秋季竣工，二OO六年春季通水运行。闸门在启闭运行过程中门板及四联杆设备运用灵活、无死角自锁现象，受力后系统无振动现象。在设计水头和加大水头条件下，闸门全部关闭门板受力运行正常，在最大受力条件下四联杆各杆件受力正常，未发生变形。经过近两年的运行证明：手、电动两用四联杆启闭系统与双悬臂平板钢闸门翻板闸联合使用，用于渠道节制闸是可靠的。
5. 经济效益
四联杆双悬臂平板钢闸门翻板闸，由于结构简单，在作用功能完全相同的情况下，简化了闸室结构、使其优化更趋合理。因此，在经济上减少了工程量、降低工程造价。以闸室净宽为8.0米单孔双吊点简支平板钢闸门与相同宽度四联杆双悬平板钢闸门翻板闸为例进行比较，详见表3.
消力池采用复式断面（上部梯形、下部矩形）由于结构简单、消能效果明显，与矩形消力池相比节约工程量、减少工程投资。详见表3。经计算比较同为8.0米净宽节制闸可节省工程投资9.402万元，占总投资的17.1%。如该闸与交通桥结合设计，将桥面板置于闸墩上可节省桥墩工程量，其经济效益更为显著。
由于闸室和消力池的优化设计，使其结构简单化，不仅仅降低工程造价；而且也极大程度地简化了施工工艺、方便了施工，可节省工日140个，提前工期20天。由于闸室优化设计，取消了闸室上部结构，使工程运行管理更加方便和安全。
［文章编号］1006-7619（2010）10-11-913
［作者简介］ 于桂珍（1959-），女，吉林四平市人，汉族，毕业于东北水利水电学校，工程师，现在四平市下三台水库从事水利工程技术管理。