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工程设计,水利施工

2019-12-01 20:44

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。

水闸是水利工程的重要组成部分,但由于种种原因,一些水闸存在着严重的安全隐患,为确保水闸的安全运行,必须对存在病害的水闸进行除险加固。本文结合工程实例,阐述了水闸存在的问题,对水闸除险加固工程设计方案进行了研究,以确保水闸的安全运行,可供类似工程设计人员参考。

关键词: 渭源县; 水力自控翻板闸; 工程设计; 运行原理;

病险水闸;问题;泄水闸;进水闸;加固设计 水闸工程是水利工程的重要组成部分,在供水、灌溉、防洪、防潮、排涝等方面发挥着重要作用。随着运行时间的增加,以及各种自然因素和人为因素的影响,水闸工程运行中逐渐暴露的病害也越来越多。水闸一旦出现大的险情,直接影响到区域内的人民的生产和生活,其可能造成的经济损失和社会影响之大,是难于用数字估量的。为了确保工程的运行安全,发挥其正常的作用,需要尽快对病险水闸进行除险加固处理。 1.水闸概况及其存在的问题 某水闸控制流域面积为1298km2,灌溉面积5172亩,发电装机600kW,水闸最大下泄流量2872m3/s,是一座以农业灌溉用水,并兼顾水力发电、供水等综合效益水闸工程。 2008年12月对工程进行了全面安全鉴定,鉴定确认该水闸为三类闸,属病险水闸,主要存在如下工程问题。 工程按50年一遇洪水设计,200年一遇洪水校核,水闸过流能力满足设计要求。但翻板闸支铰锈蚀,启闭不灵,影响泄洪安全。 闸坝均坐落于岩基上,闸基承载力满足要求,闸基扬压力呈无折减的线性分布。经复核,翻板闸溢流堰抗滑稳定满足要求,闸基抗渗稳定满足规范要求。下游岸坡挡墙抗滑稳定满足要求,但挡墙抗倾稳定不满足规范要求,现状浆砌石边墙存在多处裂缝、错位,挡墙基础局部已淘空。 下游未设消能设施,现已冲刷成坑,任其发展,易淘刷闸基,影响闸坝稳定。 进水闸钢闸门锈蚀严重,泄洪闸及进水闸因闸门槽变形,启闭困难,且采用临时架设葫芦启闭,泄洪安全难以得到保证;翻板闸支铰锈蚀,启闭不灵。 工程无排漂排污设施,闸前杂物、垃圾、藻类密布。 由于水闸存在诸多的安全隐患,及时对水闸建筑物进行除险加固处理是当务之急之事。 2.工程地质 水闸建筑物及其上游河床宽100~130m,两岸发育一级阶地,阶面高程一般为64~67m,宽百余米。闸下游河床略窄,两岸为岩质岸坡,坡度较陡,岸坡稳定性尚好。闸址区出露地层主要为三叠系灰岩及第四系全新统冲积粘土、砂、砾石。 3.工程布置及主要建筑物 根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2000)、《防洪标准》(GB50201-94)及《水闸设计规范》(SL265-2001)确定,本工程等别为Ⅱ等大型工程。根据本工程等别,确定泄水闸、左右岸灌溉闸为2级建筑物,次要建筑物级别为3级,临时建筑物为4级。校核洪水位为69.26m;设计洪水位为67.76m;正常蓄水位为64.00m;校核洪水位时最大下泄流量为2790m3/s;设计洪水位时最大下泄流量为2170m3/s。 工程主要建筑物布置从左至右依次为:左岸灌溉发电进水闸(胸墙式,单孔,净宽4m,总长6.4m)、8孔泄水闸(驼峰堰堰型,每孔净宽12.0m,共8孔,总长113.0m)、右岸灌溉发电进水闸(胸墙式,单孔,净宽4m,总长6.4m)等,设计闸顶高程71.0m。 3.1 泄水闸加固设计 泄水闸布置在原公路桥上游侧,按原桥孔对应布置水闸,每桥孔上游布置水闸两孔,从右岸至左岸分别为1号~8号孔,其中4号孔对应原船闸位置。考虑到水闸两岸均有灌溉发电进水闸,通航船闸仍按原船闸位置布置比较合适,并结合施工导流的布置,确定4号孔为预留船闸孔。 水闸堰体采用驼峰堰,堰顶高程61.50m,堰顶堰面曲线半径为3.0m,上游堰面边坡1:1,驼峰堰上游底板高程60.00m,下游堰面边坡1:3,底板高程60.00m,兼作消力池部分。工作闸门采用平板钢闸门垂直起吊,门顶允许过水方式,闸门顶高程64.0m,闸门底高程61.50m,布置在堰顶最高处,启闭机排架顶高程76.5m,启闭机房建筑面积580m2。检修闸门槽距工作闸门上游6.30m,采用门机起吊方式。交通桥布置在工作闸门下游侧,桥面高程71.0m,考虑到两岸交通要求,桥面宽采用7.0m。 水闸上游进口段护底高程60.0m,护底顺水流方向长25m。闸室下游设消力池,消力池底板高程60.0m,消力池段长度9.30m,闸室段长度4.0m,总长度13.30m,原堰体61.0m高程以上部分拆除,剩余部分用作消力坎,消力池深1m。 消力池下游海漫主要依据河道各种工况下的河道流速所确定。工程河道设计洪峰流量为2170m3/s,流速为2.52m/s,相应下游水位67.50m;校核洪峰流量为2790m3/s,流速为2.74m/s,相应下游水位68.97m;干砌块石海漫抗冲流速为3~4m/s,设计采用格宾块石笼海漫,抗冲流速可达到7m/s左右,海漫末端坐落在原基岩上,故不设防冲槽。海漫长20m,厚度1.0m,下部设0.2m厚的反滤层。 原水闸左岸引水渠基础部分被淘空,为避免边墙倒塌,沿原墙基采用抛石固脚,抛石顶高程61.0m,顶宽2.0m,外边坡1:2,长度64.35m。 3.2 灌溉进水闸加固设计 左右两岸灌溉发电进水闸,均分别易址改建在其所在地的公路桥上游侧,进水闸结构尺寸相同,故不分别阐述。进水闸均采用单孔胸墙式水闸布置,进水闸孔净宽4m,孔底高程61.50m,胸墙底高程64.50m,边墩厚1.2m。工作闸门布置在胸墙上游,采用平板钢闸门卷扬机启闭,启闭机安装高程76.50m,启闭机房建筑面积31m2。 拦污栅与检修闸门布置在工作闸门上游,清污平台布置拦污栅下游侧,清污平台及胸墙上游挡墙顶高程65.0m,胸墙下游边墙顶高程71.0m。进水闸引水渠靠水侧设拦砂坎,坎顶高程61.50m,基础高程59.0m。引水渠靠岸侧设导水边墙,墙顶高程5.0m,为混凝土重力式挡墙。进水闸下游应拆除原进水闸闸室,并采用混凝土重力式挡墙与原引水渠岸墙连接,墙顶高程65.0m,底板采用混凝土护底厚0.30m。 3.3 泄水闸的闸门设计和启闭设备 新建泄水闸共8孔,每孔净宽为12.0m,闸底板高程61.50m,闸墩顶高程71.0m。泄水闸每孔设一扇工作闸门,结构型式为平面滑动钢闸门。采用工程塑料合金材料滑道支承,下游止水下游面板。闸门挡水高度为3.5m,门高为2.5m,门顶溢流。门体与埋件主要材料为Q235,门体含加重共约18t/扇,埋件重约6t/孔,闸门运行条件为动水启闭。 启闭设备选择QP-2×250kN固定卷扬式启闭机,扬程12m,共8台,重量为5.4t/台,启闭平台高程为76.50m。工作闸门上游侧设检修门槽,8孔共用一扇检修闸门,检修闸门静水关门,动水启门。启闭设备为一台单向门机DM2×250kN,门机重约55t/套,轨道重约15t,轨上扬程为6m,轨下扬程为7m。检修闸门平时锁定在闸墩顶。 3.4 灌溉进水闸的闸门设计及启闭设备 灌溉进水闸为拆除重建,布置在泄水闸的两侧,共2孔,顺水流方向依次设置检修闸门、拦污栅、工作闸门。 检修闸门孔口尺寸为4m×2.8m(宽×高),底板高程61.50m,闸墩顶高程65.00m。每孔设一扇检修闸门,结构型式为平面滑动钢闸门,闸门及埋件主要材料为HS型手拉葫芦,门体重3t/扇,埋件重1.0t/孔。闸门静水关门,动水启门,启闭设备为临时设备。 拦污栅孔口尺寸为4m×3.5m(宽×高),底板高程61.50m,闸墩顶高程65.00m。每孔设一扇倾斜式拦污栅,拦污栅为平面滑动式钢栅,栅体及埋件主要材料为Q235,栅重3.0t/扇,埋件重1.0t/孔。拦污栅静水启闭,启闭设备为HS型手拉葫芦。 工作闸门孔口尺寸为4m×2.5m(宽×高),底板高程61.50m,闸墩顶高程71.00m。每孔设一扇工作闸门,结构型式为平面滑动钢闸门,闸门及埋件主要材料为Q235,门体重5t/扇,埋件重3.0t/孔。闸门动水启闭,启闭设备为QP-2×100KN固定卷扬式启闭机,容量2×100KN,扬程12.0m,自重2.5t/台,共2台,启闭平台高程为76.50m。 4.结语 总之,水闸在灌溉、发电、供水等方面有着重要地位,但一旦水闸工程出现病害,将直接影响到区域内的人民的生产和生活,其可能造成的经济损失和社会影响之大是难于用数字估量的。因此,必须结合水闸的运行情况,找出存在的问题,及时对病险水闸进行了除险加固。只有这样才能确保水闸的运行安全与可靠,才能发挥其应用的作用。 参考文献: [1] 徐俊.谷皮冲水闸除险加固工程设计[J].工程建设与设计,2012年07期. [2] 杨爱兰.关于病险水闸除险加固设计的思考[J].华东科技,2012年第2期.

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 。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 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 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 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 , 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。

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