水利水電工程師根據(jù)水力自控翻板閘的運行原理及其設(shè)計運用

水力自控翻板閘門是一種借水力和自重作用隨流量的變化, 在一定條件下自動啟閉的門型, 自20世紀(jì)50年代以來, 在我國廣西、湖南、浙江、內(nèi)蒙古、江蘇等20多個省區(qū)均有應(yīng)用, 目前其設(shè)計理論及故障分析處于發(fā)展完善階段。本文旨在通過水力自控翻板閘在渭河河道防洪工程中的設(shè)計應(yīng)用, 為水力自控翻板閘在防洪工程實際中的應(yīng)用提供參考。

1、 工程概況

本次翻板閘壩工程位于渭源縣城清源河灞陵橋上下游。治理段1#公路橋0+000至2#公路橋0+558.3下游60 m左右處, 該段共布設(shè)4座翻板閘壩。該項目區(qū)不僅是該縣政治經(jīng)濟文化中心, 也是渭源縣城群眾休閑娛樂的重要場所之一。

近年來, 渭源城區(qū)建設(shè)日新月異, 改造整修了城區(qū)主要街道, 開辟了新的城區(qū), 初步形成了一個沿清源河兩岸發(fā)展的現(xiàn)代化城市格局, 市容市貌有了長足的發(fā)展和改觀, 但清源河的整治現(xiàn)狀與城區(qū)的景觀反差較大。河道整治只是被動的防御, 未能實現(xiàn)綜合治理和開發(fā)利用?，F(xiàn)代化的城區(qū)與荒蕪的清源河河灘形成鮮明的對照, 極不協(xié)調(diào)。通過渭源縣城區(qū)段河道生態(tài)環(huán)境治理, 修建攔河的翻板閘, 采用大水面的方案, 旨在改善環(huán)境和區(qū)域小氣候, 使灞陵橋風(fēng)景區(qū)再現(xiàn)當(dāng)年優(yōu)美如畫的風(fēng)景。

2、 水力自控翻板閘的運行原理

閘門傾角為12.5°, 當(dāng)門前水位高于門頂0.2 m時, 閘門即開始啟動, 隨上游水位升高, 閘門也逐漸加大開度, 水位下降時, 閘門逐漸回關(guān), 具有良好的自控性能。整個開啟與回關(guān)過程中上游水位都不低于正常擋水位。水力自控翻板閘門它是利用水力和閘門重量平衡的原理, 增設(shè)阻尼反饋系統(tǒng)來達到閘門隨上游水位升高, 而逐漸開啟泄流;上游水位下降, 而逐漸回關(guān)蓄水, 使上游水位始終保持在要求的范圍內(nèi) (即上游正常水位) 。連桿滾輪式翻板閘門是一種雙支點帶連桿的閘門, 它是根據(jù)閘前水位的變化, 依靠其水力平衡作用自動控制閘門開啟和關(guān)閉, 在運行過程中無撞擊和拍打的一種翻板閘門。此種閘門由門葉、支腿、支墩、滾輪、連桿等部件組成。當(dāng)上游來流量加大, 門上游水位抬高, 動水壓力對支點的力矩大于門重與摩阻力對支點的力矩時, 閘門自動開啟到一定傾角, 直到在該傾角下動水壓力對支點的力矩等于門重對支點的力矩, 達到該流量下的新的平衡。流量不變時, 開啟角度也不變。而當(dāng)上游流量減少到一定程度, 使門重對支點的力矩大于動水壓力與摩阻力對支點的力矩時, 水力自控翻板閘門可自行回關(guān)到一定傾角, 達到該流量下的新的平衡。因此, 水力自控翻板閘門具有不需啟閉機械及相應(yīng)設(shè)施、不需人為操作, 完全由水流及時自動控制的特點。

3、 工程設(shè)計

3.1、 方案比選

方案一:在河道上建一座較高的翻板閘壩, 形成水面, 洄水至灞陵橋180 m左右。壩頂高程確定為2 078.024 m, 壩長42 m, 固定壩壩頂高程2 074.505 m, 翻板閘壩高3.5 m以上。其優(yōu)點是只有一座閘壩, 基礎(chǔ)處理工程量少, 工程本身投資較少, 運行管理方便。但是形成的整體效果不好, 洄水水面較小, 翻板閘壩高, 存在滲漏等問題多, 需要加高的河堤高度在5 m以上, 不利河道泄洪。

方案二:采用二級閘壩開發(fā)方案, 即一級壩壩址設(shè)在距灞陵橋52.5 m處, 壩頂高程確定為2 076.239 m, 壩長35 m, 洄水水面為110 m左右;二級壩址設(shè)在2#公路橋下游70 m左右的位置, 壩頂高程確定為2 076.239 m, 壩長35 m, 水面為80 m左右;該方案雖然增加一級壩, 投資略高, 但壩高較低。

方案三:擬采用四級開發(fā)方案, 在方案二的基礎(chǔ)上上游再增加兩級翻板閘壩, 閘高均為2.0 m, 1#翻板閘壩擬定在1#公路橋下游156 m處, 2#翻板閘壩擬定在1#公路橋下游378.89 m處, 3#翻板閘壩擬定在灞陵橋下游54.44 m處, 4#翻板閘壩擬定在灞陵橋下游139.77 m處。

綜合以上三方案比較, 一級開發(fā)方案投資雖然較少, 但不利河道泄洪, 且河道淤積問題難以解決;二級開發(fā)方案不能達到河道治理的整體效果, 蓄水水面較小, 影響灞陵橋上下游河道的治理;四級開發(fā)方案, 從梯級開發(fā)角度考慮, 梯級水位差小, 壩高合理, 工程投資合理, 利于管理, 能發(fā)揮壩體本身及整體的景觀效果。綜合比較, 宜選取四級閘壩開發(fā)方案。

3.2、 工程設(shè)計

3.2.1、 翻板閘相關(guān)參數(shù)確定

3.2.1. 1、 門頂高程及壩址位置的確定。

1#翻板閘壩擬定在1#公路橋下游156 m處, 樁號為0+156, 閘頂高程為2 082.866 m。2#翻板閘壩擬定在1#公路橋下游378.89 m處, 樁號為0+378.89, 閘頂高程為2080.896 m。3#翻板閘壩擬定在灞陵橋下游54.44 m處, 樁號為0+470.99, 閘頂高程為2 079.039 m。4#翻板閘壩擬定在灞陵橋下游139.77 m處, 樁號為0+558.32, 閘頂高程為2 077.105 m。

3.2.1. 2、 溢流寬度的確定。

原清源河城區(qū)段河道橫斷面設(shè)計寬度為40 m, 根據(jù)實測閘壩址處的橫斷面, 在盡量不減少泄洪斷面的情況下, 布置四級水力自控翻板閘門, 一級、二級和四級均為6扇7 m寬的水力自控翻板閘門, 即過水?dāng)嗝鏋?2 m, 滿足原河堤設(shè)計, 三級為5扇7 m寬的水力自控翻板閘門, 由于三級恰好位于灞陵橋下游54.44 m處, 河道是一漸變段, 經(jīng)過校核, 增加河堤高度后可以滿足過洪要求。

3.2.1. 3、 閘底板 (閘壩) 高程的確定。

1#翻板閘壩閘底板高程為2 080.566 m;2#翻板閘閘底板高程為2 078.596 m;3#翻板閘底板高程為2 076.539 m;4#翻板閘閘底板高程為2 074.805 m。

3.2.2、 設(shè)計參數(shù)及技術(shù)要求在洪水頻率P=5%,

流量Q=205 m3/s條件下, 閘門全開 (開度最大的臥倒?fàn)顟B(tài)閘門與豎直方向的傾角達到75°時) , 此時通過閘壩的水流是進口為圓弧的折線形實用堰上有臥倒于水中的短平板情況的過流, 其過流能力按堰流公式Q=ε.σ.m.b.姨2g.H03 2進行計算, 式中側(cè)收縮系數(shù)ε、淹沒系數(shù)σ、流量系數(shù)m均按水力自控翻板閘壩的特點及以往的水工模型試驗與已建工程的運行實踐得出。流量系數(shù)m包含了堰頂形狀尺寸、門葉、支墩等對過流的影響, 淹沒系數(shù)σ反映了下游水位的頂托對過流的影響。

3.2.2. 1、 設(shè)計過閘流量

3.2.2. 1. 1、 設(shè)計流量:

本次翻板閘壩設(shè)計采用P=5%的洪峰流量Q20=205 m3/s, 滿足渭源縣城區(qū)防洪及翻板閘設(shè)計要求。

3.2.2. 1. 2、 校核流量:

本次翻板閘壩校核流量采用P=3.33%的洪峰流量Q30=257 m3/s, 滿足渭源縣城區(qū)防洪及翻板閘設(shè)計要求。

3.2.2. 1. 3、 過流計算。

設(shè)計過閘流量是寬頂堰或?qū)嵱醚呱嫌行敝瞄l門的過流。

過流計算按堰流計算1#、2#、4#翻板閘壩的計算相同, 經(jīng)過廠家多次水工試驗得出數(shù)據(jù)詳細結(jié)果如下:6扇寬7 m、高2 m翻板閘, 兩側(cè)邊墩設(shè)通氣孔, 需要河底寬43 m。按河底寬42 m計算下游水深?？v坡i=0.011, 在巖石河床上開挖整理的河槽在此坡度上, 其糙率為n=0.045。計算得Q20=205 m3/s時下游水深為h=1.58 m;Q30=257 m3/s時的下游水深為h=1.82 m。按門下堰頂高于河床0.3 m計算上游洪水位:采用湖南省水電 (閘門) 公司的閘門全關(guān)時有預(yù)傾角的滾輪連桿式水力自控翻板閘門, 流量系數(shù)在各型式的水力自控翻板門中為最大, 上游水位壅高最小。在開啟過程中, 傾角48°時, 上游水位最高, 比全關(guān)門頂高0.32 m, 相應(yīng)流量Q=102 m3/s;閘門剛好全開時, 流量Q=144 m3/s, 上游水位比全關(guān)門頂只高0.07 m。Q20=205 m3/s時, 上游水位比全關(guān)門頂只高0.15 m。Q30=257 m3/s時, 上游水位比全關(guān)門頂只高0.42 m。

3#翻板閘壩過流計算。經(jīng)過廠家多次水工試驗得出數(shù)據(jù)詳細結(jié)果如下:5扇寬7 m、高2 m翻板閘河底寬35 m, 縱坡i=0.011, 在巖石河床上開挖整理的河槽在此坡度上, 其糙率為n=0.045。計算得Q20=205 m3/s時下游水深為h=1.81 m;Q30=257 m3/s時下游水深為h=2.08 m。按門下堰頂高于河床0.3 m計算上游洪水位:采用湖南省水電 (閘門) 公司的閘門全關(guān)時有預(yù)傾角的滾輪連桿式水力自控翻板閘門, 門下匹配帶圓弧形進口的折線型實用堰 (注意:不是寬頂堰) , 流量系數(shù)在各型式的水力自控翻板門中為最大, 上游水位壅高最小。在開啟過程中, 傾角48°時, 上游水位最高, 比全關(guān)門頂高0.32 m, 相應(yīng)流量Q=85 m3/s;閘門剛好全開時, 流量Q=120 m3/s, 上游水位比全關(guān)門頂只高0.07 m。Q20=205 m3/s時, 上游水位比全關(guān)門頂只高0.40 m。Q30=257 m3/s時, 上游水位比全關(guān)門頂只高0.78 m。

3.2.2. 2、 閘門布設(shè)參數(shù)確定。

各閘門參數(shù)確定見表1。

4、 水力自重翻板閘運行中的優(yōu)點

一是隨上游來流量的增加 (或減少) 而準(zhǔn)確及時地自動加大 (或減少) 閘門開度;二是不需人為操作、不需外加動力 (如電力等) , 從而杜絕了洪水到來時閘門不能及時開啟的事故發(fā)生, 特別是洪水在夜晚到來時的情況;三是在洪水過程結(jié)束時, 能夠準(zhǔn)確及時地自動攔截洪水尾水, 保住水資源不流失。同時, 減少了下游的洪水總量, 減輕了下游的洪水威脅, 也為下游在枯水期預(yù)存了一部分水量;四是閘門啟動后, 形成門頂、門底同時過流, 門頂溢流能使漂浮物順利過閘, 門底射流流速高, 便于推移質(zhì)過閘;五是同一樞紐上的所有翻板閘門能夠在水力作用下同步開啟, 不像其他閘門開啟時會發(fā)生單寬流量集中的現(xiàn)象, 因此下游消能防沖工程簡單;六是通過門頂、門底的水流相撞, 可消耗一小部分余能, 對消能防沖有利;七是相鄰水力自控翻板閘門之間一般不需要設(shè)置閘墩, 即使要設(shè)置閘墩, 其間距也很大 (達20～50 m) , 而閘墩的厚度卻很小 (0.3～0.8 m) , 因此閘門全開后對水流的阻礙小, 過流能力強, 洪水期對上游的淹沒損失小;八是基本不改變天然河流斷面上的單寬流量分布, 不改變天然河流的河勢與泥沙輸運, 有利于環(huán)保;九是無需另外的啟閉設(shè)備, 從而節(jié)省機電設(shè)備、啟閉機架與閘房等。投資省、造價低, 與同規(guī)模的常規(guī)水閘相比, 一般可節(jié)省投資50%左右;十是施工期短。水力自控翻板閘的面板、支腿、支墩等都是鋼筋砼預(yù)制構(gòu)件, 可事先預(yù)制, 然后到現(xiàn)場安裝, 施工速度快, 整個閘壩工程工期一般為2～5個月。翻板閘都應(yīng)在一個枯水期內(nèi)完工, 及時受益。

5、 工程展望

截至目前, 治理段1#公路橋0+000至2#公路橋0+558.3下游60 m左右處, 4座翻板閘壩已經(jīng)建成。本工程實施后, 渭源縣城形成了集灞陵橋、山、水、自然景物與人文景觀相映襯、完美和諧的美麗山城。優(yōu)美的城市環(huán)境不僅給渭源縣人民帶來良好的休息娛樂場所, 使人民的身心健康發(fā)展, 還能夠增添優(yōu)質(zhì)的旅游景觀, 創(chuàng)造出公共關(guān)系和整潔文明的市容市貌, 對改善投資環(huán)境, 促進渭源縣經(jīng)濟發(fā)展起到積極推進作用。

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