疊梁式胸墻設(shè)計(jì)探究

柏格文， 齊云鵬

（重慶交通大學(xué)， 重慶 400074）

引言

疊梁門是由多層鋼閘板構(gòu)成的平面擋水結(jié)構(gòu)，各個(gè)閘板由起重機(jī)起吊，插入側(cè)邊閘槽中，以縱向自重而相互嚙合，抵擋橫向水壓力，其具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單和施工方便的特點(diǎn)，但分層式結(jié)構(gòu)導(dǎo)致疊梁門密封性較差，不宜承受較高的水壓力。

目前應(yīng)用于水工建筑的疊梁結(jié)構(gòu)眾多，其中廣為關(guān)注的水電站的疊梁門，對(duì)于溫度成層分布的水庫，疊梁門能夠盡量取用目標(biāo)層水體，減少低溫泄水對(duì)下游生態(tài)環(huán)境的影響。高學(xué)平等用數(shù)學(xué)方法推算出糯扎渡水電站進(jìn)水口疊梁門的計(jì)算模型，并驗(yàn)證了疊梁門對(duì)取水的可控性[1]。三峽船閘也采用疊梁門結(jié)構(gòu)，根據(jù)水位變化下放疊梁門，確保上游口門處水深在6～10.5 m之間，在提供船舶正常通行條件的同時(shí)保證緊急情況下的擋水阻水能力。

1 疊梁式胸墻

水閘根據(jù)閘室構(gòu)造可分為開敞式水閘和胸墻式水閘等，胸墻能夠代替部分閘門高度，可用于上游水位變幅大且對(duì)流量又有控制要求的水閘。胸墻分為固接和簡支兩類，前者增加了閘室剛度但易出現(xiàn)裂縫，后者需要采用密封止水措施。傳統(tǒng)胸墻分為板式和板梁式等，也有部分特殊造型如弧形胸墻等，通過優(yōu)化迎水面的弧度[2]，減小潮涌等對(duì)閘室的沖擊損害。

對(duì)于中大型擋水閘，其閘門成本隨規(guī)模而大幅上升，以胸墻替代上部閘門能夠起到良好的阻水效果，但降低了水閘的泄水能力。同時(shí)，固定式胸墻的底高程應(yīng)根據(jù)孔口泄流要求確定，以不影響取水和泄水為原則。按帕斯卡原理，靜水表面壓強(qiáng)等值傳遞至液體中各點(diǎn)，為液體自重產(chǎn)生的壓強(qiáng)，對(duì)于平板閘門其與水深呈線性關(guān)系。因此，可以考慮采用疊梁式上部結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮材料的性能以承擔(dān)上部較小的水壓力，強(qiáng)化胸墻代替閘門的擋水作用，以增長胸墻高度、降低閘門高度來降低建造和維護(hù)成本。

以人字閘門為例，疊梁閘槽依照下部結(jié)構(gòu)擬定角度，達(dá)到接觸止水的效果，如圖1所示，其主要優(yōu)勢有以下幾點(diǎn)。

1）疊梁式胸墻水閘能有效避免胸墻高度的局限性，并有良好的主動(dòng)控制水流的作用，同時(shí)不影響最大過水量等基礎(chǔ)指標(biāo)和安全設(shè)計(jì)原則。

2）兼顧了開敞式水閘與胸墻式水閘的適用范圍，對(duì)于高低水位的過閘流量都能高效控制。

3）閘門高度降低后，可以不對(duì)底坎高度做過多限制，對(duì)于水流夾帶的石塊等物質(zhì)具有良好的通過性，有效保證閘門開閉運(yùn)作的安全。

4）排漂能力較好，疊梁式胸墻控制水流的彈性強(qiáng)，而固定式胸墻對(duì)山區(qū)河流汛期的排漂有一定影響，尤其是漂浮物撞擊影響水閘安全。

5）疊梁式胸墻在不擴(kuò)大閘室規(guī)模、不增重閘門的條件下，提高了水閘的應(yīng)急性能。由于其對(duì)閘室空間的安排合理，提升了在相同蓄水放水標(biāo)準(zhǔn)下，遇到洪災(zāi)時(shí)的安全排水能力。

6）高性價(jià)比和高空間利用率，便于后期改造工程等。

圖1 疊梁式胸墻布置

2 驗(yàn)算

為驗(yàn)證疊梁式胸墻的適用效果，本研究采用理正工程水力學(xué)計(jì)算—水閘水力學(xué)試算模型方法，以滿足相同設(shè)計(jì)流量的閘孔總凈寬為比對(duì)衡量指標(biāo)。同時(shí)為充分體現(xiàn)疊梁式胸墻對(duì)不同流量的控制能力，選用流量值的單一變量進(jìn)行分析。為簡化模型，選用無底坎—平板閘門—不考慮行進(jìn)流速水頭設(shè)置。水閘型式簡圖見圖2，計(jì)算結(jié)果見圖3。

圖2 水閘型式計(jì)算簡圖

圖3 設(shè)計(jì)流量-閘孔凈寬曲線

由圖可知，在一定的設(shè)計(jì)流量范圍內(nèi)，固定式胸墻水閘（簡稱“固定式”）與疊梁式胸墻水閘（簡稱“疊梁式”）泄水能力相同；當(dāng)設(shè)計(jì)流量達(dá)345 m3/s時(shí)，兩者滿足設(shè)計(jì)流量的閘孔凈寬出現(xiàn)細(xì)微區(qū)別；設(shè)計(jì)流量達(dá)370 m3/s時(shí)，疊梁式寬流比斜率降低至接近初始斜率；設(shè)計(jì)流量達(dá)395 m3/s時(shí)又出現(xiàn)了較快增長點(diǎn)。以控制變量設(shè)計(jì)方法進(jìn)行模型評(píng)價(jià)，對(duì)于相同的設(shè)計(jì)流量，疊梁式所需閘孔凈寬小于或等于固定式，且在合理設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，該差值隨著設(shè)計(jì)流量的增長而增長。對(duì)于大型水閘的水力設(shè)計(jì),該水力模型試驗(yàn)驗(yàn)證了疊梁式的優(yōu)越性。

3 結(jié)語

本文提出了一種結(jié)合胸墻式水閘和開敞式水閘性能的疊梁式胸墻水閘，并驗(yàn)證了其結(jié)構(gòu)在泄水方面的設(shè)計(jì)優(yōu)勢。疊梁式胸墻需要更為嚴(yán)格的止水控制，實(shí)際應(yīng)用中需因地制宜，選擇合適的設(shè)計(jì)方案。

參考文獻(xiàn)

[1] 高學(xué)平，陳弘，李妍，等.水電站疊梁門分層取水流動(dòng)規(guī)律及取水效果[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)與工程技術(shù)版），2013，46（10）：895-900.

[2] 朱雪坤.弧形胸墻在杭州九溪水閘中的應(yīng)用[J].水利建設(shè)與管理，2007（9）：22-24.