水力自控翻板門在多泥沙冰凍河流中的運(yùn)用

牛文娟

(新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 概況

該引水渠首工程位于新疆南部某河道中游，建筑物主要由左岸擋水堤壩、泄洪閘、沖砂閘、發(fā)電引水閘組成，泄洪閘共3孔，均為翻板式閘門，布置在主河道右側(cè)，設(shè)計(jì)泄量536.31m3/s，校核流量1236.59m3/s，上下游最大水頭差2.09m，閘底板建在砂巖上。閘室為單孔一聯(lián)整體式C25、F200鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，每孔設(shè)有一道工作門尺寸為10.2m×7.5m(b×h)。

2 水力自控翻板門

水力自控翻板閘門是一種節(jié)能型、環(huán)保型、經(jīng)濟(jì)型閘門。它利用水力和閘門重量平衡的原理，增設(shè)阻尼反饋系統(tǒng)，達(dá)到隨上游水位升高逐漸開啟泄流、上游水位下降逐漸回關(guān)蓄水的目的，使上游水位始終保持在要求的范圍內(nèi)，以滿足防洪和水力發(fā)電需求。水力自控翻板閘門示意圖見圖1。該閘門從20世紀(jì)60年代初至今，先后經(jīng)歷了單鉸翻板閘門、雙鉸翻板閘門、多鉸翻板閘門及漸開型水力自控翻板閘門的發(fā)展和完善，與傳統(tǒng)閘門相比，不需人員操作，無需其他外加能源，無需其他啟閉機(jī)械、啟閉機(jī)架與閘房，也不需要泵房，且造價合理、節(jié)省三材、施工期短、啟閉完全由水力自控、準(zhǔn)確及時。如今，隨著技術(shù)研究的深入和成熟，水力自控翻板閘門無論是在技術(shù)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝還是在相關(guān)的研究方面，均產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍，已在全國20多個省、市近1000個清水河流工程項(xiàng)目上成功運(yùn)用，為解決當(dāng)?shù)氐男∷?、河道治理、城市景觀及生態(tài)環(huán)境建設(shè)發(fā)揮著重要的作用。

3 水力自控翻板門運(yùn)用中的問題

本渠首工程的泄洪閘布置在主河道右側(cè)，寬約37m，閘體基礎(chǔ)為西域礫巖，承載力為1.0MPa，巖體完整，可以作為良好的行洪基礎(chǔ)。渠首表孔泄洪閘和底孔沖砂閘聯(lián)合泄洪，為保證行洪能力，結(jié)合地形地質(zhì)條件布置共3孔，尺寸為10.2m×7.5m(寬×高)。

本工程地處嚴(yán)寒地區(qū)，冬季冰壓和冰凌問題嚴(yán)重，同時流域內(nèi)泥沙淤積情況嚴(yán)重，針對這種特殊自然條件，該渠首泄洪閘應(yīng)用了水力自控翻板閘壩技術(shù)。運(yùn)用過程中發(fā)現(xiàn)有以下問題需要做進(jìn)一步研究。

(1)渠首泄洪閘水力自控翻板門作為汛期行洪通道，泄洪能力是否滿足要求。行洪同時能否靈活調(diào)整開度，以保持庫內(nèi)正常引水位，從而保證工程效益。同時，針對水力自控翻板門的泄洪原理，水舌對沖，運(yùn)行時對下游消能設(shè)計(jì)有何影響。

(2)水力自控翻板門門葉主體由混凝土結(jié)構(gòu)制成，由于混凝土容重比較大，故門葉主體結(jié)構(gòu)的重量會比較大，對門葉結(jié)構(gòu)運(yùn)行產(chǎn)生極大地約束。同時根據(jù)水力運(yùn)行原理，門葉結(jié)構(gòu)高寬比易取值0.5～0.25，如門葉結(jié)構(gòu)高寬比值大于0.5時，門葉結(jié)構(gòu)運(yùn)行控制受限制。結(jié)合以上兩點(diǎn)因素考慮，若門葉高度大于5m后，門葉寬度至少需要10m，這時門葉重量高達(dá)120t，不論是預(yù)制門葉板梁，還是安裝門葉結(jié)構(gòu)，以至最后門體行洪翻水，都是難點(diǎn)百出，所以國內(nèi)至今沒有門葉高度大于5m的工程。本次設(shè)計(jì)翻板門高7.5m，該如何克服設(shè)計(jì)施工中的困難。

(3)渠首坐落河道徑流年內(nèi)變化非常大，從多年資料統(tǒng)計(jì)看：冬季(12～次年2月)水量占年水量的6.19%；夏季(6～8月)水量占年水量的64.54%，冬季水量非常小。需將翻板門全關(guān)，冬季擋水高度約5m左右，以保證冬季最小發(fā)電引用流量。而此時出現(xiàn)在機(jī)組事故狀態(tài)下，泄洪閘需開啟做為安全泄水通道。同時該地區(qū)極端最低氣溫達(dá)到-29.5℃，無霜期較非常短僅為162天左右，歷年最大凍土深89cm，歷年最大積雪深度為41cm。冬季翻板門門前結(jié)冰，漏水將支鉸部分凍結(jié)時，翻板門能否有效依靠水力迅速做出響應(yīng)。其次該電站為冬季輸冰運(yùn)行，且該河流有冬季冰洪等問題，渠首部分存在較為復(fù)雜的冰情，會存在凍脹，流冰沖擊和冰靜壓力作用于閘門的情況出現(xiàn)，工程防冰凍方面應(yīng)如何應(yīng)對。

(4)河道汛期泥沙情況較為嚴(yán)重，水量分布不均，且上游無控制性工程。渠首處多年平均輸沙總量164.47萬t，多年平均推移質(zhì)輸沙量27.41萬t，泥沙含量非常大，漂浮物推移質(zhì)也會擁堵在門前，影響翻板門的正常運(yùn)行，此時翻板門該如何響應(yīng)。

4 解決措施

針對上述問題進(jìn)行了分析和比對論證，逐一應(yīng)對。

(1)與長沙理工大學(xué)合作對渠首工程進(jìn)行了水工模型試驗(yàn)，并將工程規(guī)模、地形地貌、泥沙、氣象等詳細(xì)參數(shù)和設(shè)計(jì)理念與提前溝通。從多次的模擬中觀測到，在正常的運(yùn)用條件下，當(dāng)上游流量達(dá)到135.8m3/s時(及門前水位高于頂0.485m)，閘門自動開啟泄流；隨著上游來水的不斷增加，閘門開啟角度隨之加大直到全開后平臥在支墩上。因此，渠首泄洪閘工作閘門孔口尺寸10.2m×7.5m×3孔(寬×高×孔數(shù))，采用水力自控翻板門是可以滿足行洪需要的。在翻板門行洪翻轉(zhuǎn)時，出口門頂和門底下泄水舌對沖。分別在翻板門閘室段下游三處加測流速詳見表1。

表1 不同工況各斷面流速 單位：m/s

注：翻板門閘室下游設(shè)斜坡段護(hù)坦長24m，護(hù)坦末端樁號0+044。護(hù)坦末端加設(shè)防沖深齒墻+30m長鉛絲石籠襯護(hù)，末端樁號0+074。

根據(jù)以上實(shí)測數(shù)據(jù)分析，經(jīng)水舌對沖后，至0+044處流速已降至4.39m/s，至0+074處流速降至1.32m/s，說明翻板門行洪下泄過程能量消耗比較完整，對下游不產(chǎn)生沖刷破壞，同時水舌對沖即可消耗60%的能量，大大降低了下游消能設(shè)施的投資。模型試驗(yàn)的結(jié)果翻板門泄洪能力滿足要求，下游消能抗沖設(shè)計(jì)也滿足消能抗沖要求。

(2)本次設(shè)計(jì)翻板門孔口尺寸10.2m×7.5m×3孔(寬×高×孔數(shù))，每單孔門葉結(jié)構(gòu)由10片預(yù)制梁組成，每片預(yù)制梁重量為5.74t。在該翻板門安裝過程中最大困難就是大體積門葉結(jié)構(gòu)的拼裝，而且門葉結(jié)構(gòu)之間連接螺栓也常出現(xiàn)走位或偏移現(xiàn)象。為保證門葉結(jié)構(gòu)的正確組裝，預(yù)制板梁時先預(yù)埋埋件，再進(jìn)行混凝土澆筑。再次就是提高混凝土強(qiáng)度，采用C30、F300、W6二級配。最后拼裝過程中采用先從軸心板塊開始安裝，再向底部開始拼接，至最底部板塊安裝完畢后，門葉結(jié)構(gòu)會沿軸心逐漸翻轉(zhuǎn)至直立后，進(jìn)行上部板塊安裝。

這種由軸心→底部→頂部的拼裝方法對大尺寸門葉結(jié)構(gòu)的安裝還是比較適用的，同時拼裝過程良好地利用了大體積門葉結(jié)構(gòu)的自重，將每片梁緊密結(jié)合。

(3)針對冬季冰破壞的情況，現(xiàn)行有效地措施不多，尤其針對新疆河流情況沒有較好的措施。為保證工程運(yùn)行安全，在泄洪閘閘頂平臺加設(shè)了三臺固定卷揚(yáng)啟閉機(jī)，與三扇翻板門支腳相連，以保證在遇到特殊情況時，能及時開啟翻板門，保障順暢行洪。加設(shè)固定卷揚(yáng)啟閉機(jī)的方法在實(shí)際運(yùn)行中是非常合適多泥沙和冰破壞的情況。建議設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意翻板門支墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，著重考慮翻板門啟閉時對支墩的拉應(yīng)力破壞，適當(dāng)加大設(shè)計(jì)尺寸，同時考慮加大配筋面積，以保證支墩結(jié)構(gòu)承載力完整。同時結(jié)合水情測報數(shù)據(jù)采集工作，近兩年基本可以良好的控制翻板門運(yùn)行。

(4)近年來，水力自控翻板閘門作為一種新型的擋水建筑物逐漸被引進(jìn)多泥沙河流的水利工程中。由于翻板閘門開啟后泄水量大，便于排走漂浮物和推移質(zhì)，所以在多泥沙河流的應(yīng)用前景會很廣闊。但已有的研究都是基于清水河流，沒有淤沙，所以在對翻板閘門進(jìn)行受力分析時均未考慮淤沙壓力的作用；而多泥沙河流的泥沙在閘前大量淤積，形成淤沙壓力作用于翻板閘門，當(dāng)淤沙壓力過大時，有可能阻止閘門的正常開啟，導(dǎo)致翻板閘門自控作用失效。因此，用現(xiàn)有的研究成果對多泥沙河流翻板閘門進(jìn)行分析還存在不足。但多泥沙河流水力自控翻板閘門的應(yīng)用需解決的最主要問題就是閘前泥沙淤積，我們工程中設(shè)置了底孔沖砂閘和翻板門頂設(shè)置固定卷揚(yáng)機(jī)的結(jié)合方式來及時排沙。但無論哪種排沙方式均需在閘前的淤沙高度達(dá)到一定高度之前，將泥沙及早排至下游，避免在洪水到來時由于閘門不能正常翻轉(zhuǎn)而對上游河道造成較大的淹沒損失。

該工程運(yùn)行管理中對底孔沖砂閘的運(yùn)行提出較高的要求，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式,推算出水力自控翻板閘門在非常情況下的閘前臨界淤沙高度hn=1.34m，當(dāng)閘前淤沙高度大于1.34m時，閘門無法正常開啟，因此需控制翻板閘門閘前的淤沙高度，以保證閘門在洪水到來時能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)揮翻板閘門的優(yōu)勢。另外在保證正常蓄水位的前提下，必須經(jīng)常運(yùn)行底孔沖砂閘沖砂，保證泄洪閘翻板門門前泥沙淤積高度小于臨界淤沙高度。泄洪閘典型縱剖面見圖2。

圖2 泄洪閘典型縱剖面圖

5 結(jié)語

該渠首工程坐落于多泥沙和冰凍破壞的河流上，利用水力自控翻板門+固定卷揚(yáng)啟閉機(jī)方案作為主要行洪控制結(jié)構(gòu)，2年來翻板門行洪良好，進(jìn)水閘不進(jìn)推移質(zhì)，引水防沙輸冰效果良好。在今后的渠首運(yùn)行管理中，繼續(xù)加強(qiáng)對水力自控翻板門的運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集，同時加強(qiáng)底孔沖砂閘的靈活運(yùn)作，結(jié)合泥沙淤積的監(jiān)測數(shù)據(jù)和加強(qiáng)啟閉設(shè)備的參與，使水力自控翻板門更加安全合理的為工程服務(wù)，為水力自控翻板門技術(shù)開闊更寬廣的運(yùn)用空間。