大型灌溉工程下游渠道常水位機(jī)械自動(dòng)控制分流閘門研究

（葛洲壩集團(tuán)國(guó)際工程有限公司，北京 100022）

大型灌溉工程下游渠道常水位機(jī)械自動(dòng)控制分流閘門研究

田愛(ài)軍

（葛洲壩集團(tuán)國(guó)際工程有限公司，北京 100022）

大型灌溉工程灌區(qū)覆蓋范圍廣且較為偏僻，電力供應(yīng)不便，要實(shí)現(xiàn)渠道分流閘門電動(dòng)操作和電氣自動(dòng)化控制較為困難。為避免漫堤和分水不均，實(shí)現(xiàn)下游渠道常水位的機(jī)械自動(dòng)控制具有十分重要的意義。該文對(duì)一種利用下游渠道水位變化實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)啟閉的分流閘門的原理和典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹和研究，對(duì)國(guó)內(nèi)企業(yè)從事灌溉工程分流控制閘門的設(shè)計(jì)、施工和國(guó)產(chǎn)化制造具有一定的借鑒作用。

大型；灌溉工程；下游渠道常水位；機(jī)械自動(dòng)控制閘門

大型灌溉工程灌區(qū)覆蓋范圍廣且較為偏僻，電力供應(yīng)不便，要實(shí)現(xiàn)渠道分流閘門電動(dòng)操作和電氣自動(dòng)化控制較為困難。為避免漫堤和分水不均，實(shí)現(xiàn)下游渠道常水位的機(jī)械自動(dòng)控制具有十分重要的意義。

本文對(duì)一種渠道下游常水位自動(dòng)控制閘門的原理和典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，并對(duì)安裝調(diào)試施工進(jìn)行了介紹，對(duì)國(guó)內(nèi)企業(yè)從事灌溉工程渠道分流控制閘門的設(shè)計(jì)、施工和國(guó)產(chǎn)化制造具有一定的借鑒作用。

該類閘門結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要任何電力啟閉設(shè)施，終身免維護(hù)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人區(qū)機(jī)械自動(dòng)操作，具有廣闊的應(yīng)用推廣前景。

1 國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀渠道下游常水位

控制閘門在國(guó)內(nèi)灌溉工程上應(yīng)用較少，但國(guó)外已有較為成熟的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)并實(shí)現(xiàn)了專業(yè)、量化生產(chǎn)，專業(yè)廠家有法國(guó)EYRTEC及巴西HYDROSTEC等。

我司承擔(dān)的蘇丹麥洛維灌溉工程項(xiàng)目業(yè)主就明確要求采用該種渠道下游常水位分流控制閘門。

2 工作原理

圖2 下游常水位控制閘門工作原理

如圖2所示，下游常水位控制閘門由梯形斷面的圓柱體門葉，閘門主縱梁支臂及軸動(dòng)部分，圓柱體浮箱及配重等組成。

圖3

圖4

轉(zhuǎn)動(dòng)軸中心的安裝高程需與下游目標(biāo)常水位保持一致。轉(zhuǎn)動(dòng)軸中心與門葉及浮箱圓柱體的幾何中心重合。作用在閘門門葉上的水壓力作用線通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)軸中心，不會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩和驅(qū)動(dòng)閘門啟閉。驅(qū)動(dòng)閘門啟閉的力矩為結(jié)構(gòu)體重力P及作用在浮箱上的浮力F所產(chǎn)生綜合作用力矩。

在理論開(kāi)度（該開(kāi)度下閘門流量與下游平均用水量基本匹配）下，通過(guò)調(diào)整固定在門葉框架上的配重或在浮箱內(nèi)額外增加填充物，使自控閘門轉(zhuǎn)動(dòng)軸中心在與下游目標(biāo)常水位同一高程時(shí)，重力矩和浮力矩能相互抵消。

當(dāng)下游水位與轉(zhuǎn)軸中心高程不一致時(shí)，作用在浮箱上的浮力將發(fā)生變化，打破閘門原平衡狀態(tài)，閘門在不平衡力矩作用下開(kāi)度將發(fā)生調(diào)整，并重新建立平衡：

如下游渠道用水需求量下降，下游側(cè)水位上升，浮箱浮力增加，閘門開(kāi)度將適度減小，下泄流量減少，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，下游水位再次與轉(zhuǎn)軸安裝高程重合，重新建立閘門系統(tǒng)的平衡。

如下游渠道用水需求量增加，下游側(cè)水位下降，浮箱浮力下降，閘門開(kāi)度將適度增大，下泄流量增加，直至閘門重新建立平衡。

3 結(jié)構(gòu)及制造

閘門為鋼板、鋼管及碳鋼卷板所構(gòu)成的焊接結(jié)構(gòu)件。要求鈑金工作精細(xì)準(zhǔn)確，誤差控制嚴(yán)格，以保證閘門在后續(xù)運(yùn)行中無(wú)故障操作；閘門的可移動(dòng)部件可分拆以便運(yùn)輸。下游常水位控制閘門分潛孔式和敞開(kāi)式（自由水面）兩種。

3.1 潛孔式下游常水位控制閘門典型結(jié)構(gòu)形式

3.2 敞開(kāi)式下游常水位自動(dòng)控制閘門典型結(jié)構(gòu)形式

3.3 部件介紹

潛孔式下游常水位控制閘門弧形面板為上寬下窄的梯形結(jié)構(gòu)，剖面形式為弧型，與主縱梁進(jìn)行焊接，在主縱梁上開(kāi)孔及在弧形面板上焊接底部開(kāi)孔的緩沖箱以減少非恒定流過(guò)流時(shí)對(duì)閘門穩(wěn)定的影響和避免漩渦的產(chǎn)生。

閘門支臂結(jié)構(gòu)采用螺栓連接，前端部與主縱梁相連，后端部和浮箱相連。支臂上焊有吊耳，以便安裝、檢修及起吊使用。

浮箱為封閉結(jié)構(gòu)，上部有開(kāi)口和蓋板以用于添加配重和密封。

轉(zhuǎn)動(dòng)軸分大小軸，小軸支撐在左右混凝土門槽上，為減少阻力，大軸和小軸的連接方式采用滾動(dòng)軸承連接，大軸和支臂浮箱焊接連接。

浮箱套用于盛放浮箱之用，浮箱的浮力是依靠浮箱套內(nèi)的水產(chǎn)生的。浮箱套后端部和后面的鐵梯螺栓連接，浮箱套與閘門結(jié)構(gòu)無(wú)固定連接，浮箱套前端通過(guò)滾輪支撐和轉(zhuǎn)動(dòng)軸接觸。浮箱套上預(yù)留與PVC管相配的孔，連接到下游明渠，避開(kāi)水躍的影響。

4 安裝

為使控制閘門開(kāi)閉自如，應(yīng)盡量減少閘門與渠道或進(jìn)水口鋼襯的接觸，將使用敞開(kāi)式自控閘門的渠道設(shè)計(jì)為梯形斷面；為避免閘門在全關(guān)閉時(shí)被鎖死，安裝閘門時(shí)使閘門與渠道和進(jìn)水口鋼襯留有少量間隙。因此，閘門在關(guān)閉狀態(tài)時(shí)將有少量漏水。如需控制閘門在長(zhǎng)時(shí)間關(guān)閉時(shí)的漏水量，特別是潛孔式閘門的漏水量，可在閘門上游側(cè)安裝手動(dòng)定輪平板檢修閘門。

工地現(xiàn)場(chǎng)組裝整體構(gòu)件，支臂端部和面板上的主縱梁連接，連接形式為螺栓連接；組裝后，把左右支鉸臨時(shí)固定于相應(yīng)門槽內(nèi)。對(duì)閘門進(jìn)行全行程試驗(yàn)，檢查閘門面板與梯形門槽有無(wú)卡阻現(xiàn)象；閘門在全關(guān)位置時(shí)，確保弧形面板與左右兩側(cè)門槽有少量空隙，底部面板與門槽底檻接觸良好。支鉸轉(zhuǎn)動(dòng)中心高程與下游控制常水位相齊平。

自控閘門現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與調(diào)試，分無(wú)水狀態(tài)和有水狀態(tài)。

當(dāng)閘門在自由水面中運(yùn)行時(shí)，精確調(diào)整配重箱內(nèi)和浮箱內(nèi)的配重，使閘門整體重心平衡，保證閘門處于全關(guān)狀態(tài)（有微小開(kāi)度）時(shí)，重心位于支鉸軸中心上方。

當(dāng)閘門在動(dòng)水中運(yùn)行時(shí)，對(duì)連通浮箱套與水位濾波井之間通水管的阻尼與濾波效果進(jìn)行試驗(yàn)。通過(guò)操作濾波井與浮箱套之間連通管上的蝶閥進(jìn)行調(diào)試調(diào)節(jié)，直至自控閘門平穩(wěn)運(yùn)行，最終確定蝶閥開(kāi)度，并檢測(cè)下游控制水位位置是否與閘門設(shè)計(jì)水位一致，如不一致，則對(duì)平衡錘中的配重進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，并最終固定平衡塊。

結(jié)論

隨著我國(guó)各類企業(yè)逐步走向國(guó)際市場(chǎng)，中東及非洲干旱少雨地區(qū)灌溉工程已逐步成為各企業(yè)市場(chǎng)開(kāi)拓角逐的對(duì)象。灌溉分流控制設(shè)備為灌溉工程的主神經(jīng)系統(tǒng)，直接關(guān)系到工程節(jié)水節(jié)能及整體工程功能實(shí)現(xiàn)，加強(qiáng)對(duì)其研究對(duì)提升企業(yè)的技術(shù)實(shí)力、承攬類似工程以及探索該設(shè)備國(guó)產(chǎn)化不無(wú)裨益。

[1]下游常水位水力自動(dòng)控制渠道運(yùn)行動(dòng)態(tài)過(guò)程及教學(xué)模型的研究[J].水利學(xué)報(bào)，1997（11）.

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