水力自控翻板門在多泥沙冰凍河流中的運用

牛文娟

(新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 概況

該引水渠首工程位于新疆南部某河道中游，建筑物主要由左岸擋水堤壩、泄洪閘、沖砂閘、發電引水閘組成，泄洪閘共3孔，均為翻板式閘門，布置在主河道右側，設計泄量536.31m3/s，校核流量1236.59m3/s，上下游最大水頭差2.09m，閘底板建在砂巖上。閘室為單孔一聯整體式C25、F200鋼筋混凝土結構，每孔設有一道工作門尺寸為10.2m×7.5m(b×h)。

2 水力自控翻板門

水力自控翻板閘門是一種節能型、環保型、經濟型閘門。它利用水力和閘門重量平衡的原理，增設阻尼反饋系統，達到隨上游水位升高逐漸開啟泄流、上游水位下降逐漸回關蓄水的目的，使上游水位始終保持在要求的范圍內，以滿足防洪和水力發電需求。水力自控翻板閘門示意圖見圖1。該閘門從20世紀60年代初至今，先后經歷了單鉸翻板閘門、雙鉸翻板閘門、多鉸翻板閘門及漸開型水力自控翻板閘門的發展和完善，與傳統閘門相比，不需人員操作，無需其他外加能源，無需其他啟閉機械、啟閉機架與閘房，也不需要泵房，且造價合理、節省三材、施工期短、啟閉完全由水力自控、準確及時。如今，隨著技術研究的深入和成熟，水力自控翻板閘門無論是在技術設計、生產工藝還是在相關的研究方面，均產生了質的飛躍，已在全國20多個省、市近1000個清水河流工程項目上成功運用，為解決當地的小水電、河道治理、城市景觀及生態環境建設發揮著重要的作用。

3 水力自控翻板門運用中的問題

本渠首工程的泄洪閘布置在主河道右側，寬約37m，閘體基礎為西域礫巖，承載力為1.0MPa，巖體完整，可以作為良好的行洪基礎。渠首表孔泄洪閘和底孔沖砂閘聯合泄洪，為保證行洪能力，結合地形地質條件布置共3孔，尺寸為10.2m×7.5m(寬×高)。

本工程地處嚴寒地區，冬季冰壓和冰凌問題嚴重，同時流域內泥沙淤積情況嚴重，針對這種特殊自然條件，該渠首泄洪閘應用了水力自控翻板閘壩技術。運用過程中發現有以下問題需要做進一步研究。

(1)渠首泄洪閘水力自控翻板門作為汛期行洪通道，泄洪能力是否滿足要求。行洪同時能否靈活調整開度，以保持庫內正常引水位，從而保證工程效益。同時，針對水力自控翻板門的泄洪原理，水舌對沖，運行時對下游消能設計有何影響。

(2)水力自控翻板門門葉主體由混凝土結構制成，由于混凝土容重比較大，故門葉主體結構的重量會比較大，對門葉結構運行產生極大地約束。同時根據水力運行原理，門葉結構高寬比易取值0.5～0.25，如門葉結構高寬比值大于0.5時，門葉結構運行控制受限制。結合以上兩點因素考慮，若門葉高度大于5m后，門葉寬度至少需要10m，這時門葉重量高達120t，不論是預制門葉板梁，還是安裝門葉結構，以至最后門體行洪翻水，都是難點百出，所以國內至今沒有門葉高度大于5m的工程。本次設計翻板門高7.5m，該如何克服設計施工中的困難。

(3)渠首坐落河道徑流年內變化非常大，從多年資料統計看：冬季(12～次年2月)水量占年水量的6.19%；夏季(6～8月)水量占年水量的64.54%，冬季水量非常小。需將翻板門全關，冬季擋水高度約5m左右，以保證冬季最小發電引用流量。而此時出現在機組事故狀態下，泄洪閘需開啟做為安全泄水通道。同時該地區極端最低氣溫達到-29.5℃，無霜期較非常短僅為162天左右，歷年最大凍土深89cm，歷年最大積雪深度為41cm。冬季翻板門門前結冰，漏水將支鉸部分凍結時，翻板門能否有效依靠水力迅速做出響應。其次該電站為冬季輸冰運行，且該河流有冬季冰洪等問題，渠首部分存在較為復雜的冰情，會存在凍脹，流冰沖擊和冰靜壓力作用于閘門的情況出現，工程防冰凍方面應如何應對。

(4)河道汛期泥沙情況較為嚴重，水量分布不均，且上游無控制性工程。渠首處多年平均輸沙總量164.47萬t，多年平均推移質輸沙量27.41萬t，泥沙含量非常大，漂浮物推移質也會擁堵在門前，影響翻板門的正常運行，此時翻板門該如何響應。

4 解決措施

針對上述問題進行了分析和比對論證，逐一應對。

(1)與長沙理工大學合作對渠首工程進行了水工模型試驗，并將工程規模、地形地貌、泥沙、氣象等詳細參數和設計理念與提前溝通。從多次的模擬中觀測到，在正常的運用條件下，當上游流量達到135.8m3/s時(及門前水位高于頂0.485m)，閘門自動開啟泄流；隨著上游來水的不斷增加，閘門開啟角度隨之加大直到全開后平臥在支墩上。因此，渠首泄洪閘工作閘門孔口尺寸10.2m×7.5m×3孔(寬×高×孔數)，采用水力自控翻板門是可以滿足行洪需要的。在翻板門行洪翻轉時，出口門頂和門底下泄水舌對沖。分別在翻板門閘室段下游三處加測流速詳見表1。

表1 不同工況各斷面流速 單位：m/s

注：翻板門閘室下游設斜坡段護坦長24m，護坦末端樁號0+044。護坦末端加設防沖深齒墻+30m長鉛絲石籠襯護，末端樁號0+074。

根據以上實測數據分析，經水舌對沖后，至0+044處流速已降至4.39m/s，至0+074處流速降至1.32m/s，說明翻板門行洪下泄過程能量消耗比較完整，對下游不產生沖刷破壞，同時水舌對沖即可消耗60%的能量，大大降低了下游消能設施的投資。模型試驗的結果翻板門泄洪能力滿足要求，下游消能抗沖設計也滿足消能抗沖要求。

(2)本次設計翻板門孔口尺寸10.2m×7.5m×3孔(寬×高×孔數)，每單孔門葉結構由10片預制梁組成，每片預制梁重量為5.74t。在該翻板門安裝過程中最大困難就是大體積門葉結構的拼裝，而且門葉結構之間連接螺栓也常出現走位或偏移現象。為保證門葉結構的正確組裝，預制板梁時先預埋埋件，再進行混凝土澆筑。再次就是提高混凝土強度，采用C30、F300、W6二級配。最后拼裝過程中采用先從軸心板塊開始安裝，再向底部開始拼接，至最底部板塊安裝完畢后，門葉結構會沿軸心逐漸翻轉至直立后，進行上部板塊安裝。

這種由軸心→底部→頂部的拼裝方法對大尺寸門葉結構的安裝還是比較適用的，同時拼裝過程良好地利用了大體積門葉結構的自重，將每片梁緊密結合。

(3)針對冬季冰破壞的情況，現行有效地措施不多，尤其針對新疆河流情況沒有較好的措施。為保證工程運行安全，在泄洪閘閘頂平臺加設了三臺固定卷揚啟閉機，與三扇翻板門支腳相連，以保證在遇到特殊情況時，能及時開啟翻板門，保障順暢行洪。加設固定卷揚啟閉機的方法在實際運行中是非常合適多泥沙和冰破壞的情況。建議設計過程中應注意翻板門支墩結構設計，著重考慮翻板門啟閉時對支墩的拉應力破壞，適當加大設計尺寸，同時考慮加大配筋面積，以保證支墩結構承載力完整。同時結合水情測報數據采集工作，近兩年基本可以良好的控制翻板門運行。

(4)近年來，水力自控翻板閘門作為一種新型的擋水建筑物逐漸被引進多泥沙河流的水利工程中。由于翻板閘門開啟后泄水量大，便于排走漂浮物和推移質，所以在多泥沙河流的應用前景會很廣闊。但已有的研究都是基于清水河流，沒有淤沙，所以在對翻板閘門進行受力分析時均未考慮淤沙壓力的作用；而多泥沙河流的泥沙在閘前大量淤積，形成淤沙壓力作用于翻板閘門，當淤沙壓力過大時，有可能阻止閘門的正常開啟，導致翻板閘門自控作用失效。因此，用現有的研究成果對多泥沙河流翻板閘門進行分析還存在不足。但多泥沙河流水力自控翻板閘門的應用需解決的最主要問題就是閘前泥沙淤積，我們工程中設置了底孔沖砂閘和翻板門頂設置固定卷揚機的結合方式來及時排沙。但無論哪種排沙方式均需在閘前的淤沙高度達到一定高度之前，將泥沙及早排至下游，避免在洪水到來時由于閘門不能正常翻轉而對上游河道造成較大的淹沒損失。

該工程運行管理中對底孔沖砂閘的運行提出較高的要求，根據經驗公式,推算出水力自控翻板閘門在非常情況下的閘前臨界淤沙高度hn=1.34m，當閘前淤沙高度大于1.34m時，閘門無法正常開啟，因此需控制翻板閘門閘前的淤沙高度，以保證閘門在洪水到來時能正常運轉，發揮翻板閘門的優勢。另外在保證正常蓄水位的前提下，必須經常運行底孔沖砂閘沖砂，保證泄洪閘翻板門門前泥沙淤積高度小于臨界淤沙高度。泄洪閘典型縱剖面見圖2。

圖2 泄洪閘典型縱剖面圖

5 結語

該渠首工程坐落于多泥沙和冰凍破壞的河流上，利用水力自控翻板門+固定卷揚啟閉機方案作為主要行洪控制結構，2年來翻板門行洪良好，進水閘不進推移質，引水防沙輸冰效果良好。在今后的渠首運行管理中，繼續加強對水力自控翻板門的運行數據的采集，同時加強底孔沖砂閘的靈活運作，結合泥沙淤積的監測數據和加強啟閉設備的參與，使水力自控翻板門更加安全合理的為工程服務，為水力自控翻板門技術開闊更寬廣的運用空間。