后水河水庫加高工程進水口傾斜事故閘門設計

□徐國楊(貴州省水利水電勘測設計研究院)

1 概述

后水河水庫位于貴州省綏陽縣蒲場鎮(zhèn)，距離貴陽210km。工程所在地綏陽縣位于貴州省高原北部，遵義市中部。綏陽縣地處長江經(jīng)濟帶和重慶經(jīng)濟輻射區(qū)，是一個以漢族為主，包括苗、彝、壯、布依、土家、仡佬、侗族等23 個民族的多民族聚居縣。

后水河水庫位于長江流域烏江水系二級支流（一級為湘江）仁江左岸的一條支流——后水河上游，為已建的一座以灌溉為主，兼有發(fā)電的中型水庫。壩址以上流域面積92.20km2，多年平均年徑流量5866 萬m3。工程樞紐包括攔河壩（含沖砂底孔）、溢洪道、壩后電站、取水建筑物等。

引水發(fā)電系統(tǒng)布置于大壩左岸，由進水口、鋼筋混凝土漸變段、老壩體取水管道、新壩體壓力鋼管及地面廠房等組成。岸塔式取水口進口底板高程903.25m，取水口仍沿用已建結(jié)構(gòu)，不設置新的取水口。順水流方向設置有一扇固定式攔污柵和一扇事故閘門。布置型式如圖1所示。

2 閘門設計選型

圖1 布置型式圖

本工程為改造工程，在原來壩址上進行加高擴建，因工期較緊，要求擴建工作量越小越好，因而考慮沿用老壩址進水口的型式，即斜坡式進水口。此種布置形式結(jié)構(gòu)簡單，施工、安裝方便，穩(wěn)定性好，工程量小，較適合本工程。由于閘槽傾斜，使閘門尺寸及啟閉力略有增大，閘門布置形式也受到一定的限制，閘門不易靠自重下降，這些都是設計時需考慮的重點和難點。從布置形式上來看，選用平面閘門較為合適，選用滑動閘門和定輪閘門均可。滑動閘門結(jié)構(gòu)簡單，各種環(huán)境適應性較好，但其滑動摩擦系數(shù)高，但會導致啟閉力增加，增大啟閉機排架，提高造價。平面定輪閘門在我國的應用較為廣泛，無論從設計理論、制造工藝、安裝和運行維護管理經(jīng)驗等方面較為成熟。鏈輪閘門支承壓力分布均勻，支承行走部分尺寸小，門槽寬度與同等規(guī)模的定輪相比要小得多，對改善水流條件和空蝕特性非常有利，但鏈輪門不宜做局部開啟運行且造價較高，鏈輪門較適用于高水頭及大孔口的工況。因本工程設計水頭不高，孔口尺寸不大。綜合考慮，本工程事故閘門選用下游止水的平面定輪鋼閘門。主要參數(shù)見表1。

表1 設計特征參數(shù)表

3 閘門設計原則

本閘門設計計算參考垂直式平面定輪閘門進行，采用平面計算理論容許應力值法，但設計計算時需要考慮傾斜度的影響。本閘門的設計荷載主要有：水壓力、水柱壓力、加重、支承行走阻力、水封摩擦阻力、閘門自重及啟閉力等。因為孔口位置較高，可不考慮泥沙壓力的影響，但因本閘門為事故閘門，有動水條件下關(guān)閉閘門的工況要求，因此需考慮了動水作用的影響。支承行走和水封摩擦阻力的計算，摩擦系數(shù)按規(guī)范附錄N 選用。水封摩擦系數(shù)按橡塑復合水封對不銹鋼偶合選取，主支承軸承摩擦系數(shù)按鋼基銅塑復合材料對鍍鉻鋼偶合選取。主要設計依據(jù)最新版《水利水電工程鋼閘門設計規(guī)范》（SL74-2013）的相關(guān)規(guī)定進行，最后利用三維軟件Solidworks 進行了模擬仿真，較驗設計成果。

4 閘門設計成果

閘門型式采用懸臂輪式平面定輪鋼閘門，止水及面板設置在閘門的下游面，頂側(cè)止水為P45A 型橡皮止水，底止水為I110-16 刀型橡皮止水，底止水與側(cè)止水及頂止水采用交叉搭接，以保證止水的整體性及密封效果。梁系采用同層布置，主梁等荷載原則布置，采用3 根主梁的型式。主梁按簡支梁計算，主梁高度為390mm，考慮加重塊閉門的影響，采用全主梁布置型式。縱隔板設置2 列以保證主梁的穩(wěn)定性及閘門的剛度。主支承采用懸臂式主輪，輪徑φ500mm，材料ZG310-570，主輪有單邊輪轂以作側(cè)向限位及反向支承。輪軸軸徑120mm，材料45#。軸套用鋼基銅塑復合材料軸套。門重2.70t，配重2.40t，配重為鑄鐵塊。閘門運行條件為動閉靜啟，配置1 臺水位差計，用于監(jiān)測閘門在啟門前的充水平壓情況。該閘門平時鎖定于門槽頂部的檢修平臺上，當下游供水管道等建筑物出現(xiàn)事故或需要檢修時，動水閉門，檢修完畢后小開度提門充水平壓，然后提升閘門至檢修平臺處鎖定。門槽埋件設置有主反軌、門楣及底檻等，埋件重量5.80t。為了滿足閘門的補氣要求，在靠近閘門的下游胸墻附近設置了φ350 通氣孔。啟門力選取持住力與啟門力（小開度，全水頭）中的較大值161kN，以計算啟門力選用啟閉機容量。選用一臺固定卷揚式啟閉機，型號QPG-250-47.00m，容量250kN，揚程47m，操作方式為電動。為防止斜拉時鋼絲碰觸混凝土增大啟閉力及損壞鋼絲繩，特在排架梁上設置了鋼絲繩導向裝置。為防止污物進入取水管道，在排架靠水庫一側(cè)自下而上鋪設帶孔式的預制混凝土蓋板。

5 結(jié)語

從計算結(jié)果可知，傾斜門相較垂直式閘門來說，閘門尺寸、總水壓力及啟閉力均有所增加。就本工程而言，總水壓力增加0.10%，啟閉力增加1%。由此可見，對于小孔口及低水頭來說，此兩種布置形式差別不大。整體來看，計算及制造難度均有一定程度的增加，但設計理念相同，只需要重點解決斜度帶來的影響。從運行情況來看，傾斜式閘門運行穩(wěn)定，只是退出孔后，入槽較垂直式難。故此類型閘門對閘門門體及埋件有較高的制造、安裝精度要求。因布置型式的特點，導致檢修條件較差。今后整體設計時需解決此類問題，創(chuàng)造有利的檢修條件。選用固定卷揚式啟閉機直接斜拉，未設置轉(zhuǎn)向滑輪，啟閉機排架設計時需考慮水平分力的影響，對啟閉排架的穩(wěn)定性及強度提出更高的要求。