水閘閘下消能防沖與閘門控制運(yùn)行的研究

叢 鷹

(新疆維吾爾自治區(qū)瑪納斯河流域管理局,新疆 石河子 832000)

水閘閘下消能防沖與閘門控制運(yùn)行的研究

叢 鷹

(新疆維吾爾自治區(qū)瑪納斯河流域管理局,新疆 石河子 832000)

本文結(jié)合實(shí)例，研究了水閘閘下消能防沖與閘門控制運(yùn)行的問題，分析了沉砂池及閘門的設(shè)計情況，探討了沉砂池及閘門的控制運(yùn)行要點(diǎn)，旨在為相關(guān)研究與實(shí)踐提供參考。

水閘；消能防沖；沉砂池；閘門控制運(yùn)行

平原地區(qū)河床土質(zhì)以軟弱土體和肥沃土質(zhì)為主，受到水流沖擊的影響，很容易出現(xiàn)沖刷痕跡及閘門損壞問題[1]。

為了防止水流沖刷河床，通常需要選擇合理的過閘水流流量控制標(biāo)準(zhǔn)，并建立完善的消能措施，抵消水流多余能量。本文結(jié)合實(shí)例，研究水閘閘下消能防沖與閘門控制運(yùn)行的相關(guān)問題。

1 工程項目概況

石河子市生態(tài)水系項目蘑引渠供水工程，從跨瑪河渡槽引水。瑪河屬于多砂河流，泥沙來源主要是降雨融雪匯流對流域面的侵蝕和水流對河道的沖刷，根據(jù)生態(tài)水系對水質(zhì)的要求，需要對瑪河河水進(jìn)行沉砂處理和消能防沖處理，在跨瑪河渡槽上游引水渠道上建設(shè)東岸沉砂池。

受到跨河建筑物的限制，需要保證沉砂池處理能力達(dá)到渠道最大引水流量，最大設(shè)計流量為18 m3/s，為了滿足渡槽上游引水渠道退洪40 m3/s的要求，其校核流量為40 m3/s。以現(xiàn)狀地形縱坡為依據(jù)，洪水期在滿足引水要求下，可以從東岸大渠引水，實(shí)現(xiàn)水力沖刷。將東岸沉砂池與跨河渡槽上游引水渠聯(lián)合建設(shè)。綜合考慮多方面因素，決定采取如表1所示的沉砂池建設(shè)方案。

表1 沉砂池建設(shè)方案

2 東岸沉砂池設(shè)計

東岸沉砂池設(shè)計流量為18 m3/s，以現(xiàn)場地形情況為基礎(chǔ)，采用條渠型式沉砂池，采用梯形結(jié)構(gòu)的混凝土護(hù)坡。沉砂池總長度設(shè)計為379.5 m，由兩個池子組成。進(jìn)口段長度為29.5 m，坡降為1∶200，工作段長度為350 m，底寬度為2.0 m，邊坡有弧底漸變?yōu)橹亓Y(jié)構(gòu)，起始渠深度為3.0 m，末端渠深度為4.85 m，池底坡降為1∶200，末端為收縮段，長度為155 m。

工程采用淺孔閘作為沖砂閘，閘孔寬度和高度為2 m，胸墻高度為2.85 m，閘室共有兩孔，邊墩厚度為0.8 m，閘后設(shè)有交通橋，交通橋?qū)挾葹?.5 m。沉砂池單側(cè)設(shè)側(cè)向沖砂閘，間隔為50 m，末端匯合沖至廊道，沖砂廊道為鋼筋混凝土矩形結(jié)構(gòu)，尺寸為2.0 m×2.0 m，長度為200 m，沖砂廊道末端與沖砂明渠連接，沖砂明渠底寬為2.0 m，邊坡1∶1.5，渠深為2.5 m，邊坡采用20 cm厚度的C20混凝土護(hù)坡，投入到瑪河河道。

3 分水閘設(shè)計

3.1 設(shè)計情況

分水閘由三孔閘室組成，兩側(cè)閘室的主要功能是向沉砂池引水，起著消能防沖的作用，兩側(cè)單孔泄洪時，設(shè)計流量為20 m3/s，沉砂池引水的設(shè)計流量為9 m3/s，中間閘室的主要功能是向引水渠引水，閘室的設(shè)計流量為18 m3/s。三孔閘室均為開敞式閘室，采用整體結(jié)構(gòu)，閘孔的凈寬度為6.0 m，長度為10 m，閘墩高度為4.0 m，閘后的交通橋?qū)挾葹?.5 m。閘室采用C25W6F200鋼筋混凝土，閘后交通橋采用C30鋼筋混凝土[2]。將啟閉平臺設(shè)置在閘室上部，寬度為4.5 m，采用C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，閘房采用框架結(jié)構(gòu)，閘門采用弧形鋼閘門，閘門尺寸為b×h=6.0 m×2.5 m，啟閉機(jī)構(gòu)設(shè)備為2×8 t電動螺桿啟閉機(jī)，前后由漸變段與設(shè)計渠道順接。

分水閘最大設(shè)計流量為40 m3/s，沉砂工作量為18 m3/s，以沉砂池工作原理為基礎(chǔ)，進(jìn)水閘孔數(shù)設(shè)計為兩孔，單孔行洪進(jìn)水能力為20 m3/s，單孔沉砂過水能力為9 m3/s。

3.2 水閘凈寬計算

以《水閘設(shè)計規(guī)范》(SL 265-2001)中相關(guān)規(guī)定為依據(jù)，平底閘為堰流，計算公式如下：

(1)

式(1)中：B0為閘孔總凈寬度，m；Q為過閘流量，m3/s；σ,ε分別為堰流淹沒系數(shù)和堰流側(cè)收縮系數(shù)[3]；m為堰流流量系數(shù)；g為重力加速度；H0為堰上水深，m。具體計算結(jié)果如表2所示。

表2 閘孔寬度計算結(jié)果

根據(jù)表2計算，沉砂池分水閘所需的閘孔凈寬度為5.5 m，引水渠分水閘閘孔所需的凈寬度為6.0 m，為了保證檢修一致，將三孔閘孔凈寬度均設(shè)計為6.0 m。

4 沉砂池的運(yùn)行

東岸沉砂池用水力沖砂，采用機(jī)械輔助清淤的工作模式，兩室同時沉砂工作，定期輪流清砂，設(shè)計沉降粒徑為0.065 mm，設(shè)計沉降率為80%。

沉砂池工作流量為18 m3/s，設(shè)計最小沖砂流量為5.0 m3/s。在春夏季洪水期引水沉砂的過程中，兩室同時沉砂，通過對閘門的有效控制，盡可能保證各池流量一致[4]。當(dāng)池內(nèi)工作段泥沙淤積厚度接近3.5 m，且河流泥沙含量相對較少的時候，進(jìn)行池室輪流清砂工作，一個池室進(jìn)行沉砂工作，并對另一個池室內(nèi)的淤積物進(jìn)行沖洗。

每天泥沙淤泥量為V0=2.46×0.7×0.8×9×3600×24/1.9/1000=564 m3。

沉沖砂容積為V=11.24×350=3934 m3。

沖砂周期=沉沖砂容積V/每天泥砂淤泥量V0=7 d。

單個池室沖砂過程如下：關(guān)閉一個沉砂池分水閘，停止供水，之后開啟第一個側(cè)向沖砂閘門進(jìn)行泄水，當(dāng)池廂內(nèi)的水基本上泄空的時候，開啟分水閘進(jìn)行引水沖砂，依次開啟單個側(cè)向沖砂閘。全部開啟側(cè)向沖砂閘之后，將末端沖沙閘開啟，進(jìn)行沖砂工作[5]。在沖砂的過程中，如果出現(xiàn)不順暢的情況，可以采用機(jī)械輔助沖砂，盡可能利用東岸大渠引洪沖砂，以此來實(shí)現(xiàn)消能防沖和沖砂的目的。當(dāng)沖洗完畢之后，對另一個沉砂池進(jìn)行沖洗，工作次序與上一個沉砂池沖砂次序相同。定期退運(yùn)沖砂廊道末端河道處的淤泥，對出口泥砂進(jìn)行清理，以此來保證沖砂的順暢性。建議每年的6—9月份定期進(jìn)行出口泥砂清理，在其他時間段則可以每三個月進(jìn)行一次清理。

5 閘門控制運(yùn)行要點(diǎn)

5.1 閘門操作要求

(1)過閘水流應(yīng)平衡，避免出現(xiàn)集中水流、漩渦、回流及折中水流等不良流態(tài)，保證消能防沖的作用實(shí)現(xiàn)。

(2)關(guān)閘或減少閘流量的時候，應(yīng)避免下游水位降落過快而沖刷河道。

(3)避免閘門停留在發(fā)生震動的位置運(yùn)用。

(4)進(jìn)行池廂泄水的過程中，應(yīng)當(dāng)合理控制沖砂閘門開啟高度，避免泄水流量過大而超過排砂道的過流能力。

5.2 閘門操作規(guī)定

(1)由熟練人員進(jìn)行閘門的操作和監(jiān)護(hù)，固定崗位，明確職責(zé)，保證閘門操作的準(zhǔn)確性和及時性，保證工程和操作人員的安全。

(2)在進(jìn)行電動、手搖兩用啟閉機(jī)人工操作之前，需要斷開電源。閉門時嚴(yán)禁松開控制器，避免閘門自由下落。在操作結(jié)束之后，應(yīng)當(dāng)立即取下?lián)u柄。

(3)對于有鎖定裝置的閘門來說，在閉門之前，需要將鎖定裝置打開。

(4)如果由兩臺啟閉機(jī)控制一扇閘門，則應(yīng)當(dāng)保證兩臺啟閉機(jī)動作同步。

(5)在閘門啟閉的過程中，如果出現(xiàn)停滯、雜聲及沉重等異常狀況，應(yīng)當(dāng)立即停車檢查，并進(jìn)行針對性的處理，避免強(qiáng)行啟閉閘門。

(6)應(yīng)當(dāng)做好閘門操作的專門記錄，主要記錄內(nèi)容包括啟閉依據(jù)、操作時間、操作人員、操作過程、歷時、上下游水位和流量、流態(tài)及不正?，F(xiàn)象等。

(7)當(dāng)閘門開啟接近最大開度或關(guān)閉接近閘底的時候，應(yīng)當(dāng)注意及時停車，如果遇到閘門關(guān)閉不嚴(yán)的問題，則應(yīng)當(dāng)及時查明原因，并有效處理。在使用螺桿啟閉機(jī)的過程中，要避免出現(xiàn)強(qiáng)行頂壓的現(xiàn)象。

6 結(jié) 論

綜上所述，平原地區(qū)土質(zhì)河道的抗沖能力相對較弱，需要提升水閘消能防沖水平。本文結(jié)合石河子市生態(tài)水系項目蘑引渠供水工程實(shí)例，探討了沉砂處理與水力沖砂結(jié)合的消能防沖技術(shù)方案，并研究了沉砂池工作原理，明確了閘門控制運(yùn)行要點(diǎn)。

[1] 李占松,高雙聚,楊玲霞. 平原區(qū)水閘閘下消能防沖與閘門控制運(yùn)行[J]. 水利水電科技進(jìn)展,2011(5):46-48，63.

[2] 姜玉明. 試論平原區(qū)水閘閘下消能防沖與閘門控制運(yùn)行[J]. 科技創(chuàng)業(yè)家,2013(6):137.

[3] 陳燦輝,鐘勇明. 東溪水閘消能防沖試驗研究[C]//第十八屆全國水動力學(xué)研討會文集.烏魯木齊:新疆出版社，2004.

[4] 季永興,盧永金,劉樺. 蘇州河河口水閘下臥式閘門消能防沖水力學(xué)問題[J]. 水利水電科技進(jìn)展,2007(S1):56-59.

[5] 柯劍. 陰坪水電站閘下消能工模型試驗與數(shù)值模擬研究[D].成都：四川大學(xué),2005.

叢 鷹(1979-)，男，助理工程師，主要從事水利工程管理工作。

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