水利水電工程師根據(jù)水力自控翻板閘的運(yùn)行原理及其設(shè)計(jì)運(yùn)用

水力自控翻板閘門(mén)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(dòng)啟閉的門(mén)型, 自20世紀(jì)50年代以來(lái), 在我國(guó)廣西、湖南、浙江、內(nèi)蒙古、江蘇等20多個(gè)省區(qū)均有應(yīng)用, 目前其設(shè)計(jì)理論及故障分析處于發(fā)展完善階段。本文旨在通過(guò)水力自控翻板閘在渭河河道防洪工程中的設(shè)計(jì)應(yīng)用, 為水力自控翻板閘在防洪工程實(shí)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(xiàng)目區(qū)不僅是該縣政治經(jīng)濟(jì)文化中心, 也是渭源縣城群眾休閑娛樂(lè)的重要場(chǎng)所之一。

近年來(lái), 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(kāi)辟了新的城區(qū), 初步形成了一個(gè)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(zhǎng)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(dòng)的防御, 未能實(shí)現(xiàn)綜合治理和開(kāi)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(duì)照, 極不協(xié)調(diào)。通過(guò)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(huà)的風(fēng)景。

2、 水力自控翻板閘的運(yùn)行原理

閘門(mén)傾角為12.5°, 當(dāng)門(mén)前水位高于門(mén)頂0.2 m時(shí), 閘門(mén)即開(kāi)始啟動(dòng), 隨上游水位升高, 閘門(mén)也逐漸加大開(kāi)度, 水位下降時(shí), 閘門(mén)逐漸回關(guān), 具有良好的自控性能。整個(gè)開(kāi)啟與回關(guān)過(guò)程中上游水位都不低于正常擋水位。水力自控翻板閘門(mén)它是利用水力和閘門(mén)重量平衡的原理, 增設(shè)阻尼反饋系統(tǒng)來(lái)達(dá)到閘門(mén)隨上游水位升高, 而逐漸開(kāi)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(mén)是一種雙支點(diǎn)帶連桿的閘門(mén), 它是根據(jù)閘前水位的變化, 依靠其水力平衡作用自動(dòng)控制閘門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉, 在運(yùn)行過(guò)程中無(wú)撞擊和拍打的一種翻板閘門(mén)。此種閘門(mén)由門(mén)葉、支腿、支墩、滾輪、連桿等部件組成。當(dāng)上游來(lái)流量加大, 門(mén)上游水位抬高, 動(dòng)水壓力對(duì)支點(diǎn)的力矩大于門(mén)重與摩阻力對(duì)支點(diǎn)的力矩時(shí), 閘門(mén)自動(dòng)開(kāi)啟到一定傾角, 直到在該傾角下動(dòng)水壓力對(duì)支點(diǎn)的力矩等于門(mén)重對(duì)支點(diǎn)的力矩, 達(dá)到該流量下的新的平衡。流量不變時(shí), 開(kāi)啟角度也不變。而當(dāng)上游流量減少到一定程度, 使門(mén)重對(duì)支點(diǎn)的力矩大于動(dòng)水壓力與摩阻力對(duì)支點(diǎn)的力矩時(shí), 水力自控翻板閘門(mén)可自行回關(guān)到一定傾角, 達(dá)到該流量下的新的平衡。因此, 水力自控翻板閘門(mén)具有不需啟閉機(jī)械及相應(yīng)設(shè)施、不需人為操作, 完全由水流及時(shí)自動(dòng)控制的特點(diǎn)。

3、 工程設(shè)計(jì)

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(zhǎng)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(diǎn)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(yùn)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(wèn)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(jí)閘壩開(kāi)發(fā)方案, 即一級(jí)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(zhǎng)35 m, 洄水水面為110 m左右;二級(jí)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(zhǎng)35 m, 水面為80 m左右;該方案雖然增加一級(jí)壩, 投資略高, 但壩高較低。

方案三:擬采用四級(jí)開(kāi)發(fā)方案, 在方案二的基礎(chǔ)上上游再增加兩級(jí)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(jí)開(kāi)發(fā)方案投資雖然較少, 但不利河道泄洪, 且河道淤積問(wèn)題難以解決;二級(jí)開(kāi)發(fā)方案不能達(dá)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(jí)開(kāi)發(fā)方案, 從梯級(jí)開(kāi)發(fā)角度考慮, 梯級(jí)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(jí)閘壩開(kāi)發(fā)方案。

3.2、 工程設(shè)計(jì)

3.2.1、 翻板閘相關(guān)參數(shù)確定

3.2.1. 1、 門(mén)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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(jì)寬度為40 m, 根據(jù)實(shí)測(cè)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(jí)水力自控翻板閘門(mén), 一級(jí)、二級(jí)和四級(jí)均為6扇7 m寬的水力自控翻板閘門(mén), 即過(guò)水?dāng)嗝鏋?2 m, 滿足原河堤設(shè)計(jì), 三級(jí)為5扇7 m寬的水力自控翻板閘門(mén), 由于三級(jí)恰好位于灞陵橋下游54.44 m處, 河道是一漸變段, 經(jīng)過(guò)校核, 增加河堤高度后可以滿足過(guò)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(jì)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(mén)全開(kāi) (開(kāi)度最大的臥倒?fàn)顟B(tài)閘門(mén)與豎直方向的傾角達(dá)到75°時(shí)) , 此時(shí)通過(guò)閘壩的水流是進(jìn)口為圓弧的折線形實(shí)用堰上有臥倒于水中的短平板情況的過(guò)流, 其過(guò)流能力按堰流公式Q=ε.σ.m.b.姨2g.H03 2進(jìn)行計(jì)算, 式中側(cè)收縮系數(shù)ε、淹沒(méi)系數(shù)σ、流量系數(shù)m均按水力自控翻板閘壩的特點(diǎn)及以往的水工模型試驗(yàn)與已建工程的運(yùn)行實(shí)踐得出。流量系數(shù)m包含了堰頂形狀尺寸、門(mén)葉、支墩等對(duì)過(guò)流的影響, 淹沒(méi)系數(shù)σ反映了下游水位的頂托對(duì)過(guò)流的影響。

3.2.2. 1、 設(shè)計(jì)過(guò)閘流量

3.2.2. 1. 1、 設(shè)計(jì)流量:

本次翻板閘壩設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)要求。

3.2.2. 1. 3、 過(guò)流計(jì)算。

設(shè)計(jì)過(guò)閘流量是寬頂堰或?qū)嵱醚呱嫌行敝瞄l門(mén)的過(guò)流。

過(guò)流計(jì)算按堰流計(jì)算1#、2#、4#翻板閘壩的計(jì)算相同, 經(jīng)過(guò)廠家多次水工試驗(yàn)得出數(shù)據(jù)詳細(xì)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(jì)算下游水深。縱坡i=0.011, 在巖石河床上開(kāi)挖整理的河槽在此坡度上, 其糙率為n=0.045。計(jì)算得Q20=205 m3/s時(shí)下游水深為h=1.58 m;Q30=257 m3/s時(shí)的下游水深為h=1.82 m。按門(mén)下堰頂高于河床0.3 m計(jì)算上游洪水位:采用湖南省水電 (閘門(mén)) 公司的閘門(mén)全關(guān)時(shí)有預(yù)傾角的滾輪連桿式水力自控翻板閘門(mén), 流量系數(shù)在各型式的水力自控翻板門(mén)中為最大, 上游水位壅高最小。在開(kāi)啟過(guò)程中, 傾角48°時(shí), 上游水位最高, 比全關(guān)門(mén)頂高0.32 m, 相應(yīng)流量Q=102 m3/s;閘門(mén)剛好全開(kāi)時(shí), 流量Q=144 m3/s, 上游水位比全關(guān)門(mén)頂只高0.07 m。Q20=205 m3/s時(shí), 上游水位比全關(guān)門(mén)頂只高0.15 m。Q30=257 m3/s時(shí), 上游水位比全關(guān)門(mén)頂只高0.42 m。

3#翻板閘壩過(guò)流計(jì)算。經(jīng)過(guò)廠家多次水工試驗(yàn)得出數(shù)據(jù)詳細(xì)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(kāi)挖整理的河槽在此坡度上, 其糙率為n=0.045。計(jì)算得Q20=205 m3/s時(shí)下游水深為h=1.81 m;Q30=257 m3/s時(shí)下游水深為h=2.08 m。按門(mén)下堰頂高于河床0.3 m計(jì)算上游洪水位:采用湖南省水電 (閘門(mén)) 公司的閘門(mén)全關(guān)時(shí)有預(yù)傾角的滾輪連桿式水力自控翻板閘門(mén), 門(mén)下匹配帶圓弧形進(jìn)口的折線型實(shí)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(mén)中為最大, 上游水位壅高最小。在開(kāi)啟過(guò)程中, 傾角48°時(shí), 上游水位最高, 比全關(guān)門(mén)頂高0.32 m, 相應(yīng)流量Q=85 m3/s;閘門(mén)剛好全開(kāi)時(shí), 流量Q=120 m3/s, 上游水位比全關(guān)門(mén)頂只高0.07 m。Q20=205 m3/s時(shí), 上游水位比全關(guān)門(mén)頂只高0.40 m。Q30=257 m3/s時(shí), 上游水位比全關(guān)門(mén)頂只高0.78 m。

3.2.2. 2、 閘門(mén)布設(shè)參數(shù)確定。

各閘門(mén)參數(shù)確定見(jiàn)表1。

4、 水力自重翻板閘運(yùn)行中的優(yōu)點(diǎn)

一是隨上游來(lái)流量的增加 (或減少) 而準(zhǔn)確及時(shí)地自動(dòng)加大 (或減少) 閘門(mén)開(kāi)度;二是不需人為操作、不需外加動(dòng)力 (如電力等) , 從而杜絕了洪水到來(lái)時(shí)閘門(mén)不能及時(shí)開(kāi)啟的事故發(fā)生, 特別是洪水在夜晚到來(lái)時(shí)的情況;三是在洪水過(guò)程結(jié)束時(shí), 能夠準(zhǔn)確及時(shí)地自動(dòng)攔截洪水尾水, 保住水資源不流失。同時(shí), 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(mén)啟動(dòng)后, 形成門(mén)頂、門(mén)底同時(shí)過(guò)流, 門(mén)頂溢流能使漂浮物順利過(guò)閘, 門(mén)底射流流速高, 便于推移質(zhì)過(guò)閘;五是同一樞紐上的所有翻板閘門(mén)能夠在水力作用下同步開(kāi)啟, 不像其他閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)會(huì)發(fā)生單寬流量集中的現(xiàn)象, 因此下游消能防沖工程簡(jiǎn)單;六是通過(guò)門(mén)頂、門(mén)底的水流相撞, 可消耗一小部分余能, 對(duì)消能防沖有利;七是相鄰水力自控翻板閘門(mén)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(dá)20～50 m) , 而閘墩的厚度卻很小 (0.3～0.8 m) , 因此閘門(mén)全開(kāi)后對(duì)水流的阻礙小, 過(guò)流能力強(qiáng), 洪水期對(duì)上游的淹沒(méi)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(shì)與泥沙輸運(yùn), 有利于環(huán)保;九是無(wú)需另外的啟閉設(shè)備, 從而節(jié)省機(jī)電設(shè)備、啟閉機(jī)架與閘房等。投資省、造價(jià)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(chǎng)安裝, 施工速度快, 整個(gè)閘壩工程工期一般為2～5個(gè)月。翻板閘都應(yīng)在一個(gè)枯水期內(nèi)完工, 及時(shí)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(shí)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(lái)良好的休息娛樂(lè)場(chǎng)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(duì)改善投資環(huán)境, 促進(jìn)渭源縣經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到積極推進(jìn)作用。

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