廣西郁江調水工程大霧坪輸水渠雙向擋水工作閘門設計

劉國瑞

(浙江省水利水電勘測設計院，浙江 杭州 310002)

1 前 言

雙向擋水閘門常布置在內河與外江或河流與外海的交匯處，其特點是同一扇閘門既可以滿足抵擋上游高水位的要求，又可以滿足抵擋下游高水位的要求，一門二用，簡化了水工布置，節省了工程投資。此類閘門可以借助水壓方向的改變自動變換止水的方向，以實現引水、蓄水和防洪作用的變換，方便工程運行管理。本文以郁江調水工程大霧坪輸水渠工作閘門為例介紹此類閘門的設計特點。

2 工程概況

根據廣西計委、水利廳批復的《廣西臨海工業園供水水源工程規劃報告》，欽州沿海工業園區供水所采取的中遠期策略，就是先將郁江的水調至欽江，再從欽江引水經大風江輸入金窩水庫，然后從金窩水庫向工業園區的水廠供水，工程建成后供水能力可達120萬m3/d。郁江調水工程是特指將郁江水調至欽江，再從欽江引至大風江的工程部分。郁江調水工程涉及調出和調入兩大流域，調出流域即郁江流域，調入流域有欽江流域和大風江流域。

郁江調水工程調水水源地位于郁江西津水庫庫區支流沙坪河，輸水路線是通過引水隧洞實現從沙坪河調水至欽江支流小西江，通過小西江自流引水到欽江久隆鎮，經青年水閘調節后，欽江河水通過欽江支流大霧坪河～大風江支流那慶河輸水線路實現自流引水到大風江。涉及的工程點有沙坪河輸水隧洞進水口、小西江及欽江輸水走廊、欽江支流大霧坪河引水口、大風江支流那慶河出水口。大霧坪河為欽江的一級小支流，位于久隆鎮下游約1.3km，郁江水調入欽江后，將通過疏浚支流大霧坪河及開挖渠道，全明渠自流引水至大風江支流那慶河那慶村支流口。大霧坪輸水渠設工作閘門1道，位于大霧坪橋下游100m處，距欽江約500m，其上游設檢修閘門1道。工作閘門的作用是枯水期調節從大霧坪河向那慶河引水的流量，以滿足工業園區用水要求，最高引水位8.9m;汛期，要求工作閘門不但能夠抵擋大霧坪河的洪水，還要能夠在那慶河的洪水水位超過大霧坪河時防止河水倒流，徹底截斷引水流道。因此本閘門需要雙向擋水，閘門孔口尺寸4.5m×3.4m(寬×高)，底檻高程5.5m，操作條件為動水啟閉，且可以局部開啟以調節引水流量。

3 閘門運行工況及相應水壓力

進行門葉結構設計，首先要了解閘門的各個特征水位及其操作條件，然后才能有的放矢，從門葉結構上逐一滿足工程需要。本閘門運行操作存在以下三種控制工況(閘門兩側水位差相對最大的工況):

(1)枯水期(閘門兩側水位皆小于8.9m)，閘門可動水啟閉，以調節從大霧坪河向那慶河引水的流量，此時那慶河側大風江流域的最低可能水位低于閘門底檻。大霧坪河水位超過8.9m即動水閉門，不再引水。

(2)汛期，大霧坪河側欽江流域洪水水位達13.69m(P=5%)時，閘門攔擋大霧坪河側洪水，此時那慶河側大風江流域的最低可能水位低于閘門底檻。

(3)汛期，那慶河側大風江流域洪水水位達15m(P=5%)時，閘門攔擋那慶河側洪水，此時大霧坪河側欽江流域的最低可能水位為8.5m。

各工況閘門承受最大水壓力見表1。

表1 閘門運行控制工況

從表1可看出:

(1)工況1閘門攔擋上游(大霧坪河側)水位，且此時有動水操作要求。工況2閘門攔擋上游水位，無操作行走要求。工況3閘門攔擋下游(那慶河側)水位，無操作行走要求。

(2)工況2水頭雖然比工況3大，但門葉結構所承受的最大水壓力反而比工況3小，因此，門葉結構強度應按工況3進行計算。工況2與工況3均為擋水工況，沒有操作行走要求。

(3)工況1為動水操作，因此，閘門行走支承設計及啟閉設備容量選擇應按工況1進行控制。

4 門葉結構設計

雙向擋水閘門一般采用門葉和水封結構都較容易制作安裝的平面閘門型式，以保證閘門的雙向止水效果。本閘門采用平面滾輪鋼閘門，雙吊點啟吊。閘門的特性見表2。

表2 閘門特性

門葉采用焊接結構，設3根實腹式焊接組合工字形主梁及3根縱隔板，主梁支承于邊柱上，縱隔板兼作豎直次梁并支承于主梁上;水平次梁為連續梁，它通過縱隔板上的預留孔并支承在縱隔板上;閘門梁格為等高布置。當大霧坪河側水位較高時，閘門存在引水要求，需動水啟閉且可局部開啟，此時為了防止流水攜帶污物堵塞門槽和懸掛在梁系結構上，引起閘門啟閉卡槽造成危險，設計時將閘門面板和水封均布置于大霧坪河側;面板兼作主梁的前翼緣，閘門雙向止水。正向主支承布置在那慶河側以承受大霧坪河水壓，并有行走要求;反向主支承布置在大霧坪河側以承受那慶河水壓，側向導承布置于那慶河側。閘門底緣下游傾角37°，滿足規范規定的不小于30°的要求。

閘門的總體布置見圖1。

5 支承行走機構的選擇

平面閘門的支承行走機構的型式按閘門啟閉時的阻力不同分滑動式與滾動式兩大類。雙向擋水閘門的支承行走機構的特點為正反向均為主支承，正向主支承在設計過程中還要綜合考慮支承和行走兩方面的因素。根據表1比較結果，大霧坪河側水位較高時，閘門不但需要擋水，還存在動水操作要求，因此采用摩阻力較小的簡支滾輪(外徑φ500mm)作為正向主支承，既滿足了承載力要求又獲得了較小的啟閉力;那慶河側水位較高時，閘門僅存在擋水要求，因此采用結構簡單但承載能力強的鋼滑塊作為反向主支承，此時盡管鋼滑塊摩擦系數較大，但由于不存在行走要求，所以并不影響使用。如此布置，閘門的支承行走機構布置緊湊，避免采用大規格的滾輪，方便了制作也使質量容易得到保證。側向支承采用懸臂側輪，以有效降低閘門啟閉時左右晃動的幅度，避免閘門因左右傾斜而卡阻。

6 止水裝置設計

止水漏水會引起閘門產生振動和空蝕，導致閘門結構、埋件以及止水本身的破壞，影響閘門的正常工作。對雙向擋水閘門而言，閘門止水效果更是設計、制造、安裝的難點。

圖1 門葉總圖(mm)

本閘門頂止水、側止水及底止水均布置于大霧坪河側，頂、側止水采用雙音符形特制止水，其止水效果隨著水壓方向的變換在形式上是上游止水和下游止水的變換，在設計過程中應同時考慮這兩種形式的特點。作為上游止水的潛孔閘門，由于門葉頂梁和主支承受水壓作用而產生的變形方向與止水預壓方向相反，所以要求止水必須有足夠的預壓縮量以確保止水效果;反之，作為下游止水的潛孔閘門，由于門葉頂梁和主支承受水壓作用而產生的變形方向與止水預壓方向相同，所以要防止止水壓縮量過大而導致橡皮磨損大、耐久性差。兩者作為一個矛盾共同存在于雙向擋水閘門。止水橡皮是通過受水壓力作用變形和預壓縮而壓緊水封座板達到止水效果，在閘門剛度一定的前提下，閘門前后水位差越大，止水效果越容易得到保證，但是雙向擋水閘門水壓方向變換過程中必然存在閘門前后水位差很小的特殊時段，要保證這一特殊時段閘門不漏水，要求其止水橡皮必須始終保持一定的預壓縮量。

考慮到門槽埋件施工精度常控制在±5mm范圍，而門槽的施工一般存在正偏差，設計門葉門槽關系時就要在可保證的施工精度范圍內使閘門既不卡槽又止水嚴密，因此門體與門槽間的間隙取6mm。本閘門包含支承在內的門體總厚度為814mm，門槽寬度820mm(見圖2)。

圖2 門葉門槽關系圖(mm)

不銹鋼水封座板厚取8mm，因此在閘門上游止水形式(大霧坪河側水位較高)時，止水橡皮最小預壓縮2mm，在下游止水形式(那慶河側水位較高)時，止水橡皮最大預壓縮8mm。在結構設計時，保證門葉的剛度，使頂主梁最大撓度不超過1mm，從而確保上游止水形式時止水嚴密，并避免下游止水形式時橡皮產生過大的壓縮量。同時，為保證止水嚴密并降低止水與座板之間的摩阻力，對不銹鋼止水座板應進行機加工。為避免橡皮圓頭翻卷及壓板邊緣切割橡皮，止水壓板的邊緣加工為圓弧狀。為了減少止水與座板間的摩阻力，并提高止水的耐磨性，頂、側止水的材料均采用橡塑復合型橡皮。底止水采用條形止水，止水預壓縮5mm，考慮壓縮后體積膨脹的因素，以及使水流流態良好，底止水下端切成45°坡口。各止水之間的連接采用熱膠合，以消除止水橡皮接縫處的漏水隱患。

此外，應嚴格控制門葉和門槽的制作安裝精度，并做好全過程數據記錄，為后續工作提供依據。施工中應根據門槽現場實測數據，對門葉上的鋼滑塊和水封墊板采取現場調節尺寸和現場安裝，以控制門葉總厚度和水封高度，使門葉和門槽的配合滿足止水要求。

7 結束語

本文對郁江調水工程大霧坪輸水渠工作閘門的設計作了簡要介紹，對閘門的運行工況以及門葉結構、支承機構、止水裝置的設計等關鍵問題進行了具體的分析和研究，并提出了相應的解決方案，供工程設計、制造及運行管理單位參考。隨著城市供水、防洪和沿海開發得到重視和加強，雙向擋水閘門必將得到越來越廣泛的應用。進一步探討和深入研究雙向擋水閘門的技術特點是一件很有意義的事情。