水力自控翻板闸的运行原理及其设计运用

摘 要：　本文以渭源县渭河城区段防洪工程为例, 阐述了水力自控翻板闸的运行原理以及在防洪工程项目中的设计过程与运行实施后的优缺点, 旨在为水力自控翻板闸在防洪工程中的实际应用提供技术参考和理论依据。

　　关键词：　渭源县; 水力自控翻板闸; 工程设计; 运行原理;

　　水力自控翻板闸门是一种借水力和自重作用随流量的变化, 在一定条件下自动启闭的门型, 自20世纪50年代以来, 在我国广西、湖南、浙江、内蒙古、江苏等20多个省区均有应用, 目前其设计理论及故障分析处于发展完善阶段。本文旨在通过水力自控翻板闸在渭河河道防洪工程中的设计应用, 为水力自控翻板闸在防洪工程实际中的应用提供参考[1,2,3]。

　　1、 工程概况

　　本次翻板闸坝工程位于渭源县城清源河灞陵桥上下游。治理段1#公路桥0+000至2#公路桥0+558.3下游60 m左右处, 该段共布设4座翻板闸坝。该项目区不仅是该县政治经济文化中心, 也是渭源县城群众休闲娱乐的重要场所之一。
近年来, 渭源城区建设日新月异, 改造整修了城区主要街道, 开辟了新的城区, 初步形成了一个沿清源河两岸发展的现代化城市格局, 市容市貌有了长足的发展和改观, 但清源河的整治现状与城区的景观反差较大。河道整治只是被动的防御, 未能实现综合治理和开发利用。现代化的城区与荒芜的清源河河滩形成鲜明的对照, 极不协调。通过渭源县城区段河道生态环境治理, 修建拦河的翻板闸, 采用大水面的方案, 旨在改善环境和区域小气候, 使灞陵桥风景区再现当年优美如画的风景。

　　2、 水力自控翻板闸的运行原理

　　闸门倾角为12.5°, 当门前水位高于门顶0.2 m时, 闸门即开始启动, 随上游水位升高, 闸门也逐渐加大开度, 水位下降时, 闸门逐渐回关, 具有良好的自控性能。整个开启与回关过程中上游水位都不低于正常挡水位。水力自控翻板闸门它是利用水力和闸门重量平衡的原理, 增设阻尼反馈系统来达到闸门随上游水位升高, 而逐渐开启泄流;上游水位下降, 而逐渐回关蓄水, 使上游水位始终保持在要求的范围内 (即上游正常水位) 。连杆滚轮式翻板闸门是一种双支点带连杆的闸门, 它是根据闸前水位的变化, 依靠其水力平衡作用自动控制闸门开启和关闭, 在运行过程中无撞击和拍打的一种翻板闸门。此种闸门由门叶、支腿、支墩、滚轮、连杆等部件组成。当上游来流量加大, 门上游水位抬高, 动水压力对支点的力矩大于门重与摩阻力对支点的力矩时, 闸门自动开启到一定倾角, 直到在该倾角下动水压力对支点的力矩等于门重对支点的力矩, 达到该流量下的新的平衡。流量不变时, 开启角度也不变。而当上游流量减少到一定程度, 使门重对支点的力矩大于动水压力与摩阻力对支点的力矩时, 水力自控翻板闸门可自行回关到一定倾角, 达到该流量下的新的平衡。因此, 水力自控翻板闸门具有不需启闭机械及相应设施、不需人为操作, 完全由水流及时自动控制的特点[3,4,5,6]。

　　3、 工程设计

　　3.1、 方案比选
方案一:在河道上建一座较高的翻板闸坝, 形成水面, 洄水至灞陵桥180 m左右。坝顶高程确定为2 078.024 m, 坝长42 m, 固定坝坝顶高程2 074.505 m, 翻板闸坝高3.5 m以上。其优点是只有一座闸坝, 基础处理工程量少, 工程本身投资较少, 运行管理方便。但是形成的整体效果不好, 洄水水面较小, 翻板闸坝高, 存在渗漏等问题多, 需要加高的河堤高度在5 m以上, 不利河道泄洪。
方案二:采用二级闸坝开发方案, 即一级坝坝址设在距灞陵桥52.5 m处, 坝顶高程确定为2 076.239 m, 坝长35 m, 洄水水面为110 m左右;二级坝址设在2#公路桥下游70 m左右的位置, 坝顶高程确定为2 076.239 m, 坝长35 m, 水面为80 m左右;该方案虽然增加一级坝, 投资略高, 但坝高较低。
方案三:拟采用四级开发方案, 在方案二的基础上上游再增加两级翻板闸坝, 闸高均为2.0 m, 1#翻板闸坝拟定在1#公路桥下游156 m处, 2#翻板闸坝拟定在1#公路桥下游378.89 m处, 3#翻板闸坝拟定在灞陵桥下游54.44 m处, 4#翻板闸坝拟定在灞陵桥下游139.77 m处。
综合以上三方案比较, 一级开发方案投资虽然较少, 但不利河道泄洪, 且河道淤积问题难以解决;二级开发方案不能达到河道治理的整体效果, 蓄水水面较小, 影响灞陵桥上下游河道的治理;四级开发方案, 从梯级开发角度考虑, 梯级水位差小, 坝高合理, 工程投资合理, 利于管理, 能发挥坝体本身及整体的景观效果。综合比较, 宜选取四级闸坝开发方案。
3.2、 工程设计
3.2.1、 翻板闸相关参数确定
3.2.1. 1、 门顶高程及坝址位置的确定。
1#翻板闸坝拟定在1#公路桥下游156 m处, 桩号为0+156, 闸顶高程为2 082.866 m。2#翻板闸坝拟定在1#公路桥下游378.89 m处, 桩号为0+378.89, 闸顶高程为2080.896 m。3#翻板闸坝拟定在灞陵桥下游54.44 m处, 桩号为0+470.99, 闸顶高程为2 079.039 m。4#翻板闸坝拟定在灞陵桥下游139.77 m处, 桩号为0+558.32, 闸顶高程为2 077.105 m。
3.2.1. 2、 溢流宽度的确定。
原清源河城区段河道横断面设计宽度为40 m, 根据实测闸坝址处的横断面, 在尽量不减少泄洪断面的情况下, 布置四级水力自控翻板闸门, 一级、二级和四级均为6扇7 m宽的水力自控翻板闸门, 即过水断面为42 m, 满足原河堤设计, 三级为5扇7 m宽的水力自控翻板闸门, 由于三级恰好位于灞陵桥下游54.44 m处, 河道是一渐变段, 经过校核, 增加河堤高度后可以满足过洪要求。
3.2.1. 3、 闸底板 (闸坝) 高程的确定。
1#翻板闸坝闸底板高程为2 080.566 m;2#翻板闸闸底板高程为2 078.596 m;3#翻板闸底板高程为2 076.539 m;4#翻板闸闸底板高程为2 074.805 m。
3.2.2、 设计参数及技术要求在洪水频率P=5%,
流量Q=205 m3/s条件下, 闸门全开 (开度最大的卧倒状态闸门与竖直方向的倾角达到75°时) , 此时通过闸坝的水流是进口为圆弧的折线形实用堰上有卧倒于水中的短平板情况的过流, 其过流能力按堰流公式Q=ε.σ.m.b.姨2g.H03 2进行计算, 式中侧收缩系数ε、淹没系数σ、流量系数m均按水力自控翻板闸坝的特点及以往的水工模型试验与已建工程的运行实践得出。流量系数m包含了堰顶形状尺寸、门叶、支墩等对过流的影响, 淹没系数σ反映了下游水位的顶托对过流的影响。
3.2.2. 1、 设计过闸流量
3.2.2. 1. 1、 设计流量:
本次翻板闸坝设计采用P=5%的洪峰流量Q20=205 m3/s, 满足渭源县城区防洪及翻板闸设计要求。
3.2.2. 1. 2、 校核流量:
本次翻板闸坝校核流量采用P=3.33%的洪峰流量Q30=257 m3/s, 满足渭源县城区防洪及翻板闸设计要求。
3.2.2. 1. 3、 过流计算。
设计过闸流量是宽顶堰或实用堰上有斜置闸门的过流。
过流计算按堰流计算1#、2#、4#翻板闸坝的计算相同, 经过厂家多次水工试验得出数据详细结果如下:6扇宽7 m、高2 m翻板闸, 两侧边墩设通气孔, 需要河底宽43 m。按河底宽42 m计算下游水深。纵坡i=0.011, 在岩石河床上开挖整理的河槽在此坡度上, 其糙率为n=0.045。计算得Q20=205 m3/s时下游水深为h=1.58 m;Q30=257 m3/s时的下游水深为h=1.82 m。按门下堰顶高于河床0.3 m计算上游洪水位:采用湖南省水电 (闸门) 公司的闸门全关时有预倾角的滚轮连杆式水力自控翻板闸门, 流量系数在各型式的水力自控翻板门中为最大, 上游水位壅高最小。在开启过程中, 倾角48°时, 上游水位最高, 比全关门顶高0.32 m, 相应流量Q=102 m3/s;闸门刚好全开时, 流量Q=144 m3/s, 上游水位比全关门顶只高0.07 m。Q20=205 m3/s时, 上游水位比全关门顶只高0.15 m。Q30=257 m3/s时, 上游水位比全关门顶只高0.42 m。
3#翻板闸坝过流计算。经过厂家多次水工试验得出数据详细结果如下:5扇宽7 m、高2 m翻板闸河底宽35 m, 纵坡i=0.011, 在岩石河床上开挖整理的河槽在此坡度上, 其糙率为n=0.045。计算得Q20=205 m3/s时下游水深为h=1.81 m;Q30=257 m3/s时下游水深为h=2.08 m。按门下堰顶高于河床0.3 m计算上游洪水位:采用湖南省水电 (闸门) 公司的闸门全关时有预倾角的滚轮连杆式水力自控翻板闸门, 门下匹配带圆弧形进口的折线型实用堰 (注意:不是宽顶堰) , 流量系数在各型式的水力自控翻板门中为最大, 上游水位壅高最小。在开启过程中, 倾角48°时, 上游水位最高, 比全关门顶高0.32 m, 相应流量Q=85 m3/s;闸门刚好全开时, 流量Q=120 m3/s, 上游水位比全关门顶只高0.07 m。Q20=205 m3/s时, 上游水位比全关门顶只高0.40 m。Q30=257 m3/s时, 上游水位比全关门顶只高0.78 m。
3.2.2. 2、 闸门布设参数确定。
各闸门参数确定见表1。

　　4、 水力自重翻板闸运行中的优点

　　一是随上游来流量的增加 (或减少) 而准确及时地自动加大 (或减少) 闸门开度;二是不需人为操作、不需外加动力 (如电力等) , 从而杜绝了洪水到来时闸门不能及时开启的事故发生, 特别是洪水在夜晚到来时的情况;三是在洪水过程结束时, 能够准确及时地自动拦截洪水尾水, 保住水资源不流失。同时, 减少了下游的洪水总量, 减轻了下游的洪水威胁, 也为下游在枯水期预存了一部分水量;四是闸门启动后, 形成门顶、门底同时过流, 门顶溢流能使漂浮物顺利过闸, 门底射流流速高, 便于推移质过闸;五是同一枢纽上的所有翻板闸门能够在水力作用下同步开启, 不像其他闸门开启时会发生单宽流量集中的现象, 因此下游消能防冲工程简单;六是通过门顶、门底的水流相撞, 可消耗一小部分余能, 对消能防冲有利;七是相邻水力自控翻板闸门之间一般不需要设置闸墩, 即使要设置闸墩, 其间距也很大 (达20～50 m) , 而闸墩的厚度却很小 (0.3～0.8 m) , 因此闸门全开后对水流的阻碍小, 过流能力强, 洪水期对上游的淹没损失小;八是基本不改变天然河流断面上的单宽流量分布, 不改变天然河流的河势与泥沙输运, 有利于环保;九是无需另外的启闭设备, 从而节省机电设备、启闭机架与闸房等。投资省、造价低, 与同规模的常规水闸相比, 一般可节省投资50%左右;十是施工期短。水力自控翻板闸的面板、支腿、支墩等都是钢筋砼预制构件, 可事先预制, 然后到现场安装, 施工速度快, 整个闸坝工程工期一般为2～5个月。翻板闸都应在一个枯水期内完工, 及时受益[7,8]。

　　5、 工程展望

　　截至目前, 治理段1#公路桥0+000至2#公路桥0+558.3下游60 m左右处, 4座翻板闸坝已经建成。本工程实施后, 渭源县城形成了集灞陵桥、山、水、自然景物与人文景观相映衬、完美和谐的美丽山城。优美的城市环境不仅给渭源县人民带来良好的休息娱乐场所, 使人民的身心健康发展, 还能够增添优质的旅游景观, 创造出公共关系和整洁文明的市容市貌, 对改善投资环境, 促进渭源县经济发展起到积极推进作用。

　　参考文献：
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