水力自控翻板式混凝土閘門的應(yīng)用

萬 澍 萬良牯

(江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院,江西南昌 330029)

1 水力自控翻板式混凝土閘門工作方式

水力自控翻板式混凝土閘門在水庫設(shè)計(jì)低水位關(guān)閘蓄水;當(dāng)水庫上游水位超過正常蓄水位,且繼續(xù)升高至某一高程 (水庫上游設(shè)計(jì)允許水位),閘門頂泄流并有一定過水深度 (一般為100～200mm)時(shí),閘門自動(dòng)翻倒泄流,水庫水位越高閘門的開啟量越大,直至閘門全開;當(dāng)水庫水位開始下降且降至正常水位(或工程設(shè)計(jì)選定的水位),閘門自動(dòng)關(guān)閉,恢復(fù)擋水的作用。水力自控翻板式混凝土閘門要求具有一定高度的啟動(dòng)水位,全開所需的水位更高。圖1為某水利工程上運(yùn)行的水力自控翻板式混凝土閘門。

2 水力自控翻板式混凝土閘門的主要特點(diǎn)

(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。水力自控翻板式混凝土閘門具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工簡(jiǎn)易、管理方便的特點(diǎn)。

(2)就地取材。由于該閘門不需要設(shè)置啟閉設(shè)備,且其主要的建造材料為沙、石、水泥及少量鋼材,因此具有造價(jià)低廉的特點(diǎn)。

(3)縮短工程周期。該閘門主要由現(xiàn)場(chǎng)澆筑鋼筋混凝土板、梁結(jié)構(gòu)拼裝而成,現(xiàn)場(chǎng)制作方法簡(jiǎn)單,具有制作、安裝周期短的特點(diǎn),從一定意義上講,可以縮短工程施工周期。

(4)運(yùn)行費(fèi)用低廉。該閘門因具有自動(dòng)關(guān)閉功能,閘門的運(yùn)行 (“開” 或“關(guān)”),完全由水庫水位的升降因素決定,故運(yùn)行費(fèi)用低廉。

(5)主要缺點(diǎn)。水力自控翻板式混凝土閘門在開啟和關(guān)閉的過程中,容易被雜物卡住而影響閘門的正常運(yùn)行;早期的水力自控翻板式混凝土閘門不能實(shí)現(xiàn)任意工況下人工控制水位的需求,是水力自控翻板式混凝土閘門的最大缺點(diǎn)。

3 工作原理

水力自控翻板式混凝土閘門的工作原理比較簡(jiǎn)單,即當(dāng)上游水位上漲并超過一定水位 (通常為正常蓄水位)后,水壓力與其他荷載圍繞閘門支鉸中心所產(chǎn)生的開門力矩大于抵抗開門的力矩時(shí),閘門自動(dòng)翻倒泄流,水位越高閘門的開啟度越大,直至閘門全開;閘門開啟后,水庫上游水位逐漸下降,當(dāng)水庫上游水位達(dá)到正常蓄水位 (或者工程設(shè)計(jì)選定的某一水位)后,水壓力與其他荷載圍繞閘門支鉸中心所產(chǎn)生的關(guān)門力矩大于抵抗關(guān)門的力矩時(shí),閘門自動(dòng)關(guān)閉并實(shí)施截流。

4 水力自控翻板式閘門的應(yīng)用

4.1 低水頭水利工程的應(yīng)用

水力自控翻板式混凝土閘門并非新的截流裝置。20世紀(jì)六七十年代,在江西省的吉安市、宜春市、贛州市、鷹潭市、萍鄉(xiāng)市等地的多處水閘、閘壩溢洪道、渠道泄洪閘中已經(jīng)得到了應(yīng)用,其效果有成功的,也有不夠成功的。例如:江西省宜豐縣在縣城南屏公園人工湖上采用水力自控翻板式混凝土閘門對(duì)人工湖進(jìn)行控制,使湖面水位保持恒定,其使用效果非常令人滿意。又如江西省吉水縣螺灘水電站攔河壩壩高18.0m,采用漿砌石重力式溢流壩 (堰頂高程317.50m)及3.0m×6.0m(高×寬),正常蓄水位76.50m,校核洪水位76.50m,溢流壩凈寬120m,原設(shè)計(jì)為平面鋼閘門控制。2002年大壩維修加固時(shí)采用水力自控翻板式閘門控制,同年完成閘門制作與安裝并正式投入運(yùn)行。除在施工當(dāng)年的一次洪水中,因上游漂流下來的大樹卡在兩扇閘門的縫隙之間造成門葉損壞外,至今閘門運(yùn)行基本正常。

圖1 運(yùn)行中的某水利工程水力自控翻板式混凝土閘門

江西省早期采用的水力自控翻板式閘門控制的水利工程大部分運(yùn)行正常;少數(shù)工程由于種種原因存在缺陷并在一定程度上影響正常運(yùn)行;個(gè)別工程由于設(shè)計(jì)、制造、安裝等多種原因造成不能正常發(fā)揮工程效益。

目前,江西省景德鎮(zhèn)市的樟樹坑水電站和瑞金市流金壩水電站的溢流壩成功地采用水力自控翻板式混凝土閘門進(jìn)行水庫的泄流控制。

江西省20世紀(jì)六七十年代建設(shè)的大型、中型水利工程使用水力自控翻板式混凝土閘門的情況(不完全統(tǒng)計(jì))見表1。

表1 江西省早期部分大型、中型水利工程使用的水力自控翻板式閘門一覽表

表1所列部分水利工程的水力自控翻板式鋼筋混凝土閘門,多年來發(fā)揮了其應(yīng)有的作用,其中部分工程至今仍然發(fā)揮著作用。但是,由于當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)選址、資金、制作技術(shù)、施工質(zhì)量等原因,大部分工程已年久失修,存在一定的安全隱患,按照國家對(duì)水利工程的改造規(guī)劃,這些工程將陸續(xù)進(jìn)行改造。

4.2 中等壩高大壩溢洪道水力自控翻板式鋼筋混凝土閘門的應(yīng)用

進(jìn)入21世紀(jì),由于民營資金大量投入水利水電工程建設(shè),鑒于水力自控翻板式鋼筋混凝土閘門節(jié)省一次性投資的特點(diǎn),從而使其在應(yīng)用方面得到了長(zhǎng)足發(fā)展;有從小型、低水頭閘壩工程向中等壩高、中型以上水利水電工程發(fā)展的趨勢(shì)。據(jù)有關(guān)資料介紹,浙江省某水利設(shè)備制造有限公司僅2005年以前在全國范圍內(nèi)就有113座水利工程安裝了該公司生產(chǎn)的水力自控翻板式鋼筋混凝土閘門。在浙江、貴州、廣西、江西等省已有在中等壩高的大壩溢洪道中應(yīng)用水力自控翻板式鋼筋混凝土閘門的成功實(shí)例。江西省永豐縣下溪水庫大壩溢洪道首次采用水力自控翻板式鋼筋混凝土閘門。該水庫系利用民間資金進(jìn)行開發(fā)建設(shè)的一座以發(fā)電為主的中型水利水電工程。水庫正常蓄水位為322.50m,大壩壩高為50.5m;溢洪道采用WES實(shí)用堰泄流,堰寬30m、堰頂高程317.50m;溢流堰設(shè)置3孔 (高×寬)5.0m×10.0m水力自控翻板式混凝土閘門,閘門頂高程為322.50m,無啟閉設(shè)備。水庫各種擋水建筑物經(jīng)過了2006～2009年的汛期運(yùn)行考驗(yàn),大壩溢洪道水力自控翻板式混凝土閘門能正常開啟泄流,未出現(xiàn)異常;目前工程已經(jīng)投入商業(yè)運(yùn)行。

該水庫在江西省內(nèi)中等壩高大壩溢洪道中首次采用水力自控翻板式混凝土閘門,為江西省類似工程上采用類似閘門積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。工程應(yīng)用實(shí)例 (現(xiàn)場(chǎng)照片)見圖2。

圖2 (5m×10m)水力自控翻板式混凝土閘門在水庫大壩溢洪道應(yīng)用實(shí)例

4.3 改進(jìn)型水力自控翻板式混凝土閘門應(yīng)用

隨著水力自控翻板式混凝土閘門設(shè)計(jì)、制造技術(shù)的不斷進(jìn)步,在原有水力自控翻板式混凝土閘門的基礎(chǔ)上增加了液壓控制裝置,使水力自控翻板式混凝土閘門完成了在任意開度下進(jìn)行泄流控制的技術(shù)進(jìn)步,從而使翻板式混凝土閘門的應(yīng)用范圍更加廣泛,同時(shí)將為水利水電工程建設(shè)節(jié)省大量的一次性投資。目前,江西省贛州市章江橡膠壩正在改建成水力自控+液控翻板式混凝土閘壩,而江西省修水縣三都水電站決定由原設(shè)計(jì)采用平面鋼閘門控制的閘壩改為水力自控+液控翻板閘壩。目前,江西省贛州市行政區(qū)境內(nèi),有多處橡膠壩正在改建成水力自控+液控翻板式混凝土閘壩。

5 水力自控翻板式混凝土閘門的結(jié)構(gòu)

5.1 常規(guī)型水力自控翻板式混凝土閘門的結(jié)構(gòu)

永豐縣下溪水庫溢洪道水力自控翻板式混凝土閘門的結(jié)構(gòu)型式為門支鉸型。每扇閘門由四塊實(shí)體混凝土板和五塊空心混凝土板及兩個(gè)混凝土支墩、兩個(gè)混凝土支腳及滾輪連桿、鐵件等部件組成。本文稱作“常規(guī)”結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資省;缺點(diǎn):不能任意控制水量和水位。常規(guī)型水力自控翻板式混凝土閘門的結(jié)構(gòu)型式見圖3。

5.2 改進(jìn)型水力自控翻板式混凝土閘門的結(jié)構(gòu)

水力自制+液控雙控翻板式混凝土閘門結(jié)構(gòu)與水力自控翻板式混凝土閘門在結(jié)構(gòu)上的最大區(qū)別是水力自制+液控雙控翻板式混凝土閘門在原來閘門結(jié)構(gòu)型式的基礎(chǔ)上增加一套液壓控制裝置。水力自制+液控雙控翻板式混凝土閘門可以在專門的控制室里任何時(shí)間內(nèi)控制閘門的任意開度。經(jīng)過技術(shù)改造后的水力自制+液控雙控翻板式混凝土閘門克服了水力自控翻板式混凝土閘門只能“全開”或“全關(guān)”、不能對(duì)下泄流量進(jìn)行有效控制的缺點(diǎn)。拓寬了翻板式混凝土閘門的使用范圍,提高了翻板式混凝土閘門的使用安全性能。本文稱作“雙控”結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)繼承了“常規(guī)”結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),克服了“常規(guī)”結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)。其使用范圍更加廣泛、工程安全性大大提高。

圖4為某工程水力自控加液壓控制的雙控式混凝土翻板閘門的應(yīng)用實(shí)例 (現(xiàn)場(chǎng)照片)。

圖3 水力自控混凝土翻板閘門結(jié)構(gòu)

圖4 水力自控加液壓控制的雙控混凝土翻板閘門

6 水力自控翻板式混凝土閘門的制作質(zhì)量控制

以江西省永豐縣下溪水庫為例,分述水力自控翻板式混凝土閘門制作過程中原材料控制。

6.1 制作過程的原材料控制

水力自控翻板閘門制造使用的主要原材料為:水泥、沙、卵 (碎)石和鋼筋,項(xiàng)目業(yè)主和制造單位對(duì)使用的上述原材料應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格控制,必須對(duì)混凝土試塊進(jìn)行試驗(yàn)。制造單位應(yīng)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)等相關(guān)資料、項(xiàng)目業(yè)主對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等資料應(yīng)予妥善保管。

(1)水泥。水泥質(zhì)量檢驗(yàn)報(bào)告單NO:100688;編號(hào):255;強(qiáng)度等級(jí):32.5R;安全性:合格;出廠數(shù)量:25.1t;水泥質(zhì)量檢驗(yàn)單位:(簽章)。

(2)砂。報(bào)告編號(hào):SA0501007;樣品編號(hào):SA0501993;檢驗(yàn)依據(jù):GB/T14684—2001;檢驗(yàn)結(jié)論:經(jīng)檢驗(yàn)該樣品所檢項(xiàng)目符合Ⅱ類砂規(guī)定的技術(shù)要求,規(guī)格為中沙;檢測(cè)單位:(簽章)。

(3)卵 (碎)石。報(bào)告編號(hào):SA0501005;樣品編號(hào):SI0501995;檢驗(yàn)依據(jù):GB/T14684—2001;檢驗(yàn)結(jié)論:經(jīng)檢驗(yàn)該樣品所檢項(xiàng)目符合Ⅱ類卵 (碎)石的技術(shù)要求;檢測(cè)單位:(簽章)。

(4)鋼材 (鋼筋)。

1)報(bào)告編號(hào):GC0507046;樣品編號(hào):SI0501995;樣品數(shù)量:6組樣品 (φ6.5mm2組、φ8mm2組、φ10mm2組);檢驗(yàn)依據(jù):GB/T701—1997;冷彎檢驗(yàn)判別:合格;檢驗(yàn)結(jié)果:樣品所檢指標(biāo)符合低碳鋼(軋鋼圓盤條)Q235標(biāo)準(zhǔn)要求;檢測(cè)單位:(簽章)。

2)報(bào)告編號(hào):GC0507043;報(bào)告日期:樣品數(shù)量:6組樣品 (φ18mm2組、φ16mm2組、φ12mm2組);檢驗(yàn)依據(jù):《鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋》 (GB1499—1998);冷彎檢驗(yàn)判別:合格;檢驗(yàn)結(jié)果:樣品所檢指標(biāo)符合HRB335標(biāo)準(zhǔn)要求;檢測(cè)單位:(簽章)。

3)報(bào)告編號(hào):GC0507044;樣品數(shù)量:共6組樣品 (φ20mm2 組 、φ25mm2 組、φ22mm2組);檢驗(yàn)依據(jù): 《鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋》(GB1499—1998);冷彎檢驗(yàn)判別:合格;檢驗(yàn)結(jié)果:樣品所檢指標(biāo)符合HRB335標(biāo)準(zhǔn)要求;檢測(cè)單位:(簽章)。

6.2 制作安裝工期

工程制作安裝合同工期為2003年11月6日至2004年4月30日,總工期 175d;安裝工作于2006年4月19日進(jìn)場(chǎng)至2006年5月9日水力自控翻板式混凝土閘門制作、安裝工序全部結(jié)束。

本節(jié)想要強(qiáng)調(diào)的中心內(nèi)容是:水力自控翻板式混凝土閘門制作、安裝質(zhì)量的重要性,無論何種型式的水力自控翻板式混凝土閘門,從其制作工藝、原材料質(zhì)量,甚至混凝土澆筑模板的使用均應(yīng)嚴(yán)格控制;同理,安裝質(zhì)量的重要性也是顯而易見的。否則,翻板式混凝土閘門運(yùn)行過程中出現(xiàn)問題是不可避免的。

7 水力自控翻板式混凝土閘門試運(yùn)行情況

江西省永豐縣下溪水庫溢洪道水力自控翻板式混凝土閘門2006年汛期的試運(yùn)行情況的實(shí)測(cè)記錄見表2。

表2 江西省永豐縣下溪水庫溢洪道水力自控翻板式混凝土閘門2006年汛期的試運(yùn)行情況的實(shí)測(cè)記錄

溢洪道泄流歷時(shí) (有記錄)約97h,這期間水力自控翻板式混凝土閘門運(yùn)行時(shí)間約90h。運(yùn)行人員反映,當(dāng)壩前水位超過閘門頂高程約20mm時(shí)該閘門即自動(dòng)開啟。

8 幾點(diǎn)看法

筆者綜合親身經(jīng)歷和間接掌握的相關(guān)信息,對(duì)水利水電工程,特別是中等以上壩高的水庫大壩溢洪道,在采用水力自控翻板式鋼筋混凝土閘門時(shí)提出如下意見供感興趣的同行討論或參考。

(1)為了節(jié)約工程建設(shè)投資,閘壩、渠首控制閘、市政景觀、灌溉閘、防洪閘等低水頭水利水電工程采用水力自控翻板式鋼筋混凝土閘門進(jìn)行控制是可行的。

(2)設(shè)計(jì)采用水力自控翻板式閘門的水利工程,閘壩壩址選擇應(yīng)避開在河道的彎道處,并且壩前應(yīng)有一段較平直的河段。樞紐布置上應(yīng)盡量使大壩軸線與河道正交,避免水力自控翻板式閘門受水流影響而失去穩(wěn)定,造成閘門不能安全運(yùn)行。同時(shí),應(yīng)采取必要的工程措施防止沖刷河道及壩頭山體。

(3)由于水力自控翻板式閘門開啟后其底緣應(yīng)有一定的 (閘門關(guān)閉)淹沒水深,為了防止上游漂浮物卡、堵、損壞閘門,應(yīng)在泄洪閘前設(shè)置阻攔漂浮物的裝置。

(4)對(duì)于采用支鉸型結(jié)構(gòu)的水力自控翻板式閘門,其受力支撐點(diǎn)為支鉸,門葉兩翼為懸臂,必須確保制作、安裝質(zhì)量,否則水力自控翻板式閘門不能正常工作。

(5)水力自控翻板式閘門的制作材料絕大部分為當(dāng)?shù)夭牧?必須嚴(yán)格控制其制作過程中的材料選擇與檢測(cè)、制作質(zhì)量記錄與評(píng)定、閘門安裝與調(diào)試;確保閘門制作、安裝調(diào)試質(zhì)量,是水力自控翻板式閘門能否安全、有效運(yùn)行的關(guān)鍵。所有工程參建單位都必須十分重視、認(rèn)真對(duì)待。這也是筆者對(duì)那些有意采用水力自控翻板式閘門工程的善意忠告。

(6)鑒于該閘門具有自動(dòng)開啟和關(guān)閉的特性,對(duì)于重要的水利工程、有水位和流量控制要求的節(jié)制閘、防洪閘、具有較高安全保障要求的工程和中等及以上壩高的大壩溢洪道,建議根據(jù)工程的重要性部分或全部采用液壓控制的水力自控翻板式鋼筋混凝土閘門。

(7)應(yīng)選擇具有制造資質(zhì),且具有類似閘門制作經(jīng)驗(yàn)的制造商。

最后,在本文編寫過程中得到了同事、同行和某生產(chǎn)單位的大力支持,在此表示感謝。由于筆者所見證的水力自控翻板式閘門型式、類型、數(shù)量均有限度,經(jīng)驗(yàn)也不夠豐富,文中定有不少錯(cuò)誤,敬請(qǐng)批評(píng)指正,在此深表謝意。