廣西郁江調(diào)水工程大霧坪輸水渠雙向擋水工作閘門(mén)設(shè)計(jì)

劉國(guó)瑞

(浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002)

1 前 言

雙向擋水閘門(mén)常布置在內(nèi)河與外江或河流與外海的交匯處，其特點(diǎn)是同一扇閘門(mén)既可以滿(mǎn)足抵擋上游高水位的要求，又可以滿(mǎn)足抵擋下游高水位的要求，一門(mén)二用，簡(jiǎn)化了水工布置，節(jié)省了工程投資。此類(lèi)閘門(mén)可以借助水壓方向的改變自動(dòng)變換止水的方向，以實(shí)現(xiàn)引水、蓄水和防洪作用的變換，方便工程運(yùn)行管理。本文以郁江調(diào)水工程大霧坪輸水渠工作閘門(mén)為例介紹此類(lèi)閘門(mén)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

2 工程概況

根據(jù)廣西計(jì)委、水利廳批復(fù)的《廣西臨海工業(yè)園供水水源工程規(guī)劃報(bào)告》，欽州沿海工業(yè)園區(qū)供水所采取的中遠(yuǎn)期策略，就是先將郁江的水調(diào)至欽江，再?gòu)臍J江引水經(jīng)大風(fēng)江輸入金窩水庫(kù)，然后從金窩水庫(kù)向工業(yè)園區(qū)的水廠(chǎng)供水，工程建成后供水能力可達(dá)120萬(wàn)m3/d。郁江調(diào)水工程是特指將郁江水調(diào)至欽江，再?gòu)臍J江引至大風(fēng)江的工程部分。郁江調(diào)水工程涉及調(diào)出和調(diào)入兩大流域，調(diào)出流域即郁江流域，調(diào)入流域有欽江流域和大風(fēng)江流域。

郁江調(diào)水工程調(diào)水水源地位于郁江西津水庫(kù)庫(kù)區(qū)支流沙坪河，輸水路線(xiàn)是通過(guò)引水隧洞實(shí)現(xiàn)從沙坪河調(diào)水至欽江支流小西江，通過(guò)小西江自流引水到欽江久隆鎮(zhèn)，經(jīng)青年水閘調(diào)節(jié)后，欽江河水通過(guò)欽江支流大霧坪河～大風(fēng)江支流那慶河輸水線(xiàn)路實(shí)現(xiàn)自流引水到大風(fēng)江。涉及的工程點(diǎn)有沙坪河輸水隧洞進(jìn)水口、小西江及欽江輸水走廊、欽江支流大霧坪河引水口、大風(fēng)江支流那慶河出水口。大霧坪河為欽江的一級(jí)小支流，位于久隆鎮(zhèn)下游約1.3km，郁江水調(diào)入欽江后，將通過(guò)疏浚支流大霧坪河及開(kāi)挖渠道，全明渠自流引水至大風(fēng)江支流那慶河那慶村支流口。大霧坪輸水渠設(shè)工作閘門(mén)1道，位于大霧坪橋下游100m處，距欽江約500m，其上游設(shè)檢修閘門(mén)1道。工作閘門(mén)的作用是枯水期調(diào)節(jié)從大霧坪河向那慶河引水的流量，以滿(mǎn)足工業(yè)園區(qū)用水要求，最高引水位8.9m;汛期，要求工作閘門(mén)不但能夠抵擋大霧坪河的洪水，還要能夠在那慶河的洪水水位超過(guò)大霧坪河時(shí)防止河水倒流，徹底截?cái)嘁鞯?。因此本閘門(mén)需要雙向擋水，閘門(mén)孔口尺寸4.5m×3.4m(寬×高)，底檻高程5.5m，操作條件為動(dòng)水啟閉，且可以局部開(kāi)啟以調(diào)節(jié)引水流量。

3 閘門(mén)運(yùn)行工況及相應(yīng)水壓力

進(jìn)行門(mén)葉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，首先要了解閘門(mén)的各個(gè)特征水位及其操作條件，然后才能有的放矢，從門(mén)葉結(jié)構(gòu)上逐一滿(mǎn)足工程需要。本閘門(mén)運(yùn)行操作存在以下三種控制工況(閘門(mén)兩側(cè)水位差相對(duì)最大的工況):

(1)枯水期(閘門(mén)兩側(cè)水位皆小于8.9m)，閘門(mén)可動(dòng)水啟閉，以調(diào)節(jié)從大霧坪河向那慶河引水的流量，此時(shí)那慶河側(cè)大風(fēng)江流域的最低可能水位低于閘門(mén)底檻。大霧坪河水位超過(guò)8.9m即動(dòng)水閉門(mén)，不再引水。

(2)汛期，大霧坪河側(cè)欽江流域洪水水位達(dá)13.69m(P=5%)時(shí)，閘門(mén)攔擋大霧坪河側(cè)洪水，此時(shí)那慶河側(cè)大風(fēng)江流域的最低可能水位低于閘門(mén)底檻。

(3)汛期，那慶河側(cè)大風(fēng)江流域洪水水位達(dá)15m(P=5%)時(shí)，閘門(mén)攔擋那慶河側(cè)洪水，此時(shí)大霧坪河側(cè)欽江流域的最低可能水位為8.5m。

各工況閘門(mén)承受最大水壓力見(jiàn)表1。

表1 閘門(mén)運(yùn)行控制工況

從表1可看出:

(1)工況1閘門(mén)攔擋上游(大霧坪河側(cè))水位，且此時(shí)有動(dòng)水操作要求。工況2閘門(mén)攔擋上游水位，無(wú)操作行走要求。工況3閘門(mén)攔擋下游(那慶河側(cè))水位，無(wú)操作行走要求。

(2)工況2水頭雖然比工況3大，但門(mén)葉結(jié)構(gòu)所承受的最大水壓力反而比工況3小，因此，門(mén)葉結(jié)構(gòu)強(qiáng)度應(yīng)按工況3進(jìn)行計(jì)算。工況2與工況3均為擋水工況，沒(méi)有操作行走要求。

(3)工況1為動(dòng)水操作，因此，閘門(mén)行走支承設(shè)計(jì)及啟閉設(shè)備容量選擇應(yīng)按工況1進(jìn)行控制。

4 門(mén)葉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙向擋水閘門(mén)一般采用門(mén)葉和水封結(jié)構(gòu)都較容易制作安裝的平面閘門(mén)型式，以保證閘門(mén)的雙向止水效果。本閘門(mén)采用平面滾輪鋼閘門(mén)，雙吊點(diǎn)啟吊。閘門(mén)的特性見(jiàn)表2。

表2 閘門(mén)特性

門(mén)葉采用焊接結(jié)構(gòu)，設(shè)3根實(shí)腹式焊接組合工字形主梁及3根縱隔板，主梁支承于邊柱上，縱隔板兼作豎直次梁并支承于主梁上;水平次梁為連續(xù)梁，它通過(guò)縱隔板上的預(yù)留孔并支承在縱隔板上;閘門(mén)梁格為等高布置。當(dāng)大霧坪河側(cè)水位較高時(shí)，閘門(mén)存在引水要求，需動(dòng)水啟閉且可局部開(kāi)啟，此時(shí)為了防止流水?dāng)y帶污物堵塞門(mén)槽和懸掛在梁系結(jié)構(gòu)上，引起閘門(mén)啟閉卡槽造成危險(xiǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)將閘門(mén)面板和水封均布置于大霧坪河側(cè);面板兼作主梁的前翼緣，閘門(mén)雙向止水。正向主支承布置在那慶河側(cè)以承受大霧坪河水壓，并有行走要求;反向主支承布置在大霧坪河側(cè)以承受那慶河水壓，側(cè)向?qū)С胁贾糜谀菓c河側(cè)。閘門(mén)底緣下游傾角37°，滿(mǎn)足規(guī)范規(guī)定的不小于30°的要求。

閘門(mén)的總體布置見(jiàn)圖1。

5 支承行走機(jī)構(gòu)的選擇

平面閘門(mén)的支承行走機(jī)構(gòu)的型式按閘門(mén)啟閉時(shí)的阻力不同分滑動(dòng)式與滾動(dòng)式兩大類(lèi)。雙向擋水閘門(mén)的支承行走機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)為正反向均為主支承，正向主支承在設(shè)計(jì)過(guò)程中還要綜合考慮支承和行走兩方面的因素。根據(jù)表1比較結(jié)果，大霧坪河側(cè)水位較高時(shí)，閘門(mén)不但需要擋水，還存在動(dòng)水操作要求，因此采用摩阻力較小的簡(jiǎn)支滾輪(外徑φ500mm)作為正向主支承，既滿(mǎn)足了承載力要求又獲得了較小的啟閉力;那慶河側(cè)水位較高時(shí)，閘門(mén)僅存在擋水要求，因此采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但承載能力強(qiáng)的鋼滑塊作為反向主支承，此時(shí)盡管鋼滑塊摩擦系數(shù)較大，但由于不存在行走要求，所以并不影響使用。如此布置，閘門(mén)的支承行走機(jī)構(gòu)布置緊湊，避免采用大規(guī)格的滾輪，方便了制作也使質(zhì)量容易得到保證。側(cè)向支承采用懸臂側(cè)輪，以有效降低閘門(mén)啟閉時(shí)左右晃動(dòng)的幅度，避免閘門(mén)因左右傾斜而卡阻。

6 止水裝置設(shè)計(jì)

止水漏水會(huì)引起閘門(mén)產(chǎn)生振動(dòng)和空蝕，導(dǎo)致閘門(mén)結(jié)構(gòu)、埋件以及止水本身的破壞，影響閘門(mén)的正常工作。對(duì)雙向擋水閘門(mén)而言，閘門(mén)止水效果更是設(shè)計(jì)、制造、安裝的難點(diǎn)。

圖1 門(mén)葉總圖(mm)

本閘門(mén)頂止水、側(cè)止水及底止水均布置于大霧坪河側(cè)，頂、側(cè)止水采用雙音符形特制止水，其止水效果隨著水壓方向的變換在形式上是上游止水和下游止水的變換，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)同時(shí)考慮這兩種形式的特點(diǎn)。作為上游止水的潛孔閘門(mén)，由于門(mén)葉頂梁和主支承受水壓作用而產(chǎn)生的變形方向與止水預(yù)壓方向相反，所以要求止水必須有足夠的預(yù)壓縮量以確保止水效果;反之，作為下游止水的潛孔閘門(mén)，由于門(mén)葉頂梁和主支承受水壓作用而產(chǎn)生的變形方向與止水預(yù)壓方向相同，所以要防止止水壓縮量過(guò)大而導(dǎo)致橡皮磨損大、耐久性差。兩者作為一個(gè)矛盾共同存在于雙向擋水閘門(mén)。止水橡皮是通過(guò)受水壓力作用變形和預(yù)壓縮而壓緊水封座板達(dá)到止水效果，在閘門(mén)剛度一定的前提下，閘門(mén)前后水位差越大，止水效果越容易得到保證，但是雙向擋水閘門(mén)水壓方向變換過(guò)程中必然存在閘門(mén)前后水位差很小的特殊時(shí)段，要保證這一特殊時(shí)段閘門(mén)不漏水，要求其止水橡皮必須始終保持一定的預(yù)壓縮量。

考慮到門(mén)槽埋件施工精度?？刂圃凇?mm范圍，而門(mén)槽的施工一般存在正偏差，設(shè)計(jì)門(mén)葉門(mén)槽關(guān)系時(shí)就要在可保證的施工精度范圍內(nèi)使閘門(mén)既不卡槽又止水嚴(yán)密，因此門(mén)體與門(mén)槽間的間隙取6mm。本閘門(mén)包含支承在內(nèi)的門(mén)體總厚度為814mm，門(mén)槽寬度820mm(見(jiàn)圖2)。

圖2 門(mén)葉門(mén)槽關(guān)系圖(mm)

不銹鋼水封座板厚取8mm，因此在閘門(mén)上游止水形式(大霧坪河側(cè)水位較高)時(shí)，止水橡皮最小預(yù)壓縮2mm，在下游止水形式(那慶河側(cè)水位較高)時(shí)，止水橡皮最大預(yù)壓縮8mm。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，保證門(mén)葉的剛度，使頂主梁最大撓度不超過(guò)1mm，從而確保上游止水形式時(shí)止水嚴(yán)密，并避免下游止水形式時(shí)橡皮產(chǎn)生過(guò)大的壓縮量。同時(shí)，為保證止水嚴(yán)密并降低止水與座板之間的摩阻力，對(duì)不銹鋼止水座板應(yīng)進(jìn)行機(jī)加工。為避免橡皮圓頭翻卷及壓板邊緣切割橡皮，止水壓板的邊緣加工為圓弧狀。為了減少止水與座板間的摩阻力，并提高止水的耐磨性，頂、側(cè)止水的材料均采用橡塑復(fù)合型橡皮。底止水采用條形止水，止水預(yù)壓縮5mm，考慮壓縮后體積膨脹的因素，以及使水流流態(tài)良好，底止水下端切成45°坡口。各止水之間的連接采用熱膠合，以消除止水橡皮接縫處的漏水隱患。

此外，應(yīng)嚴(yán)格控制門(mén)葉和門(mén)槽的制作安裝精度，并做好全過(guò)程數(shù)據(jù)記錄，為后續(xù)工作提供依據(jù)。施工中應(yīng)根據(jù)門(mén)槽現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)門(mén)葉上的鋼滑塊和水封墊板采取現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)尺寸和現(xiàn)場(chǎng)安裝，以控制門(mén)葉總厚度和水封高度，使門(mén)葉和門(mén)槽的配合滿(mǎn)足止水要求。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)郁江調(diào)水工程大霧坪輸水渠工作閘門(mén)的設(shè)計(jì)作了簡(jiǎn)要介紹，對(duì)閘門(mén)的運(yùn)行工況以及門(mén)葉結(jié)構(gòu)、支承機(jī)構(gòu)、止水裝置的設(shè)計(jì)等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了具體的分析和研究，并提出了相應(yīng)的解決方案，供工程設(shè)計(jì)、制造及運(yùn)行管理單位參考。隨著城市供水、防洪和沿海開(kāi)發(fā)得到重視和加強(qiáng)，雙向擋水閘門(mén)必將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。進(jìn)一步探討和深入研究雙向擋水閘門(mén)的技術(shù)特點(diǎn)是一件很有意義的事情。