水力自控翻板式混凝土閘門的應用

萬 澍 萬良牯

(江西省水利規劃設計院,江西南昌 330029)

1 水力自控翻板式混凝土閘門工作方式

水力自控翻板式混凝土閘門在水庫設計低水位關閘蓄水;當水庫上游水位超過正常蓄水位,且繼續升高至某一高程 (水庫上游設計允許水位),閘門頂泄流并有一定過水深度 (一般為100～200mm)時,閘門自動翻倒泄流,水庫水位越高閘門的開啟量越大,直至閘門全開;當水庫水位開始下降且降至正常水位(或工程設計選定的水位),閘門自動關閉,恢復擋水的作用。水力自控翻板式混凝土閘門要求具有一定高度的啟動水位,全開所需的水位更高。圖1為某水利工程上運行的水力自控翻板式混凝土閘門。

2 水力自控翻板式混凝土閘門的主要特點

(1)結構簡單。水力自控翻板式混凝土閘門具有結構簡單、施工簡易、管理方便的特點。

(2)就地取材。由于該閘門不需要設置啟閉設備,且其主要的建造材料為沙、石、水泥及少量鋼材,因此具有造價低廉的特點。

(3)縮短工程周期。該閘門主要由現場澆筑鋼筋混凝土板、梁結構拼裝而成,現場制作方法簡單,具有制作、安裝周期短的特點,從一定意義上講,可以縮短工程施工周期。

(4)運行費用低廉。該閘門因具有自動關閉功能,閘門的運行 (“開” 或“關”),完全由水庫水位的升降因素決定,故運行費用低廉。

(5)主要缺點。水力自控翻板式混凝土閘門在開啟和關閉的過程中,容易被雜物卡住而影響閘門的正常運行;早期的水力自控翻板式混凝土閘門不能實現任意工況下人工控制水位的需求,是水力自控翻板式混凝土閘門的最大缺點。

3 工作原理

水力自控翻板式混凝土閘門的工作原理比較簡單,即當上游水位上漲并超過一定水位 (通常為正常蓄水位)后,水壓力與其他荷載圍繞閘門支鉸中心所產生的開門力矩大于抵抗開門的力矩時,閘門自動翻倒泄流,水位越高閘門的開啟度越大,直至閘門全開;閘門開啟后,水庫上游水位逐漸下降,當水庫上游水位達到正常蓄水位 (或者工程設計選定的某一水位)后,水壓力與其他荷載圍繞閘門支鉸中心所產生的關門力矩大于抵抗關門的力矩時,閘門自動關閉并實施截流。

4 水力自控翻板式閘門的應用

4.1 低水頭水利工程的應用

水力自控翻板式混凝土閘門并非新的截流裝置。20世紀六七十年代,在江西省的吉安市、宜春市、贛州市、鷹潭市、萍鄉市等地的多處水閘、閘壩溢洪道、渠道泄洪閘中已經得到了應用,其效果有成功的,也有不夠成功的。例如:江西省宜豐縣在縣城南屏公園人工湖上采用水力自控翻板式混凝土閘門對人工湖進行控制,使湖面水位保持恒定,其使用效果非常令人滿意。又如江西省吉水縣螺灘水電站攔河壩壩高18.0m,采用漿砌石重力式溢流壩 (堰頂高程317.50m)及3.0m×6.0m(高×寬),正常蓄水位76.50m,校核洪水位76.50m,溢流壩凈寬120m,原設計為平面鋼閘門控制。2002年大壩維修加固時采用水力自控翻板式閘門控制,同年完成閘門制作與安裝并正式投入運行。除在施工當年的一次洪水中,因上游漂流下來的大樹卡在兩扇閘門的縫隙之間造成門葉損壞外,至今閘門運行基本正常。

圖1 運行中的某水利工程水力自控翻板式混凝土閘門

江西省早期采用的水力自控翻板式閘門控制的水利工程大部分運行正常;少數工程由于種種原因存在缺陷并在一定程度上影響正常運行;個別工程由于設計、制造、安裝等多種原因造成不能正常發揮工程效益。

目前,江西省景德鎮市的樟樹坑水電站和瑞金市流金壩水電站的溢流壩成功地采用水力自控翻板式混凝土閘門進行水庫的泄流控制。

江西省20世紀六七十年代建設的大型、中型水利工程使用水力自控翻板式混凝土閘門的情況(不完全統計)見表1。

表1 江西省早期部分大型、中型水利工程使用的水力自控翻板式閘門一覽表

表1所列部分水利工程的水力自控翻板式鋼筋混凝土閘門,多年來發揮了其應有的作用,其中部分工程至今仍然發揮著作用。但是,由于當時設計選址、資金、制作技術、施工質量等原因,大部分工程已年久失修,存在一定的安全隱患,按照國家對水利工程的改造規劃,這些工程將陸續進行改造。

4.2 中等壩高大壩溢洪道水力自控翻板式鋼筋混凝土閘門的應用

進入21世紀,由于民營資金大量投入水利水電工程建設,鑒于水力自控翻板式鋼筋混凝土閘門節省一次性投資的特點,從而使其在應用方面得到了長足發展;有從小型、低水頭閘壩工程向中等壩高、中型以上水利水電工程發展的趨勢。據有關資料介紹,浙江省某水利設備制造有限公司僅2005年以前在全國范圍內就有113座水利工程安裝了該公司生產的水力自控翻板式鋼筋混凝土閘門。在浙江、貴州、廣西、江西等省已有在中等壩高的大壩溢洪道中應用水力自控翻板式鋼筋混凝土閘門的成功實例。江西省永豐縣下溪水庫大壩溢洪道首次采用水力自控翻板式鋼筋混凝土閘門。該水庫系利用民間資金進行開發建設的一座以發電為主的中型水利水電工程。水庫正常蓄水位為322.50m,大壩壩高為50.5m;溢洪道采用WES實用堰泄流,堰寬30m、堰頂高程317.50m;溢流堰設置3孔 (高×寬)5.0m×10.0m水力自控翻板式混凝土閘門,閘門頂高程為322.50m,無啟閉設備。水庫各種擋水建筑物經過了2006～2009年的汛期運行考驗,大壩溢洪道水力自控翻板式混凝土閘門能正常開啟泄流,未出現異常;目前工程已經投入商業運行。

該水庫在江西省內中等壩高大壩溢洪道中首次采用水力自控翻板式混凝土閘門,為江西省類似工程上采用類似閘門積累了一定的經驗。工程應用實例 (現場照片)見圖2。

圖2 (5m×10m)水力自控翻板式混凝土閘門在水庫大壩溢洪道應用實例

4.3 改進型水力自控翻板式混凝土閘門應用

隨著水力自控翻板式混凝土閘門設計、制造技術的不斷進步,在原有水力自控翻板式混凝土閘門的基礎上增加了液壓控制裝置,使水力自控翻板式混凝土閘門完成了在任意開度下進行泄流控制的技術進步,從而使翻板式混凝土閘門的應用范圍更加廣泛,同時將為水利水電工程建設節省大量的一次性投資。目前,江西省贛州市章江橡膠壩正在改建成水力自控+液控翻板式混凝土閘壩,而江西省修水縣三都水電站決定由原設計采用平面鋼閘門控制的閘壩改為水力自控+液控翻板閘壩。目前,江西省贛州市行政區境內,有多處橡膠壩正在改建成水力自控+液控翻板式混凝土閘壩。

5 水力自控翻板式混凝土閘門的結構

5.1 常規型水力自控翻板式混凝土閘門的結構

永豐縣下溪水庫溢洪道水力自控翻板式混凝土閘門的結構型式為門支鉸型。每扇閘門由四塊實體混凝土板和五塊空心混凝土板及兩個混凝土支墩、兩個混凝土支腳及滾輪連桿、鐵件等部件組成。本文稱作“常規”結構。其優點:結構簡單、投資省;缺點:不能任意控制水量和水位。常規型水力自控翻板式混凝土閘門的結構型式見圖3。

5.2 改進型水力自控翻板式混凝土閘門的結構

水力自制+液控雙控翻板式混凝土閘門結構與水力自控翻板式混凝土閘門在結構上的最大區別是水力自制+液控雙控翻板式混凝土閘門在原來閘門結構型式的基礎上增加一套液壓控制裝置。水力自制+液控雙控翻板式混凝土閘門可以在專門的控制室里任何時間內控制閘門的任意開度。經過技術改造后的水力自制+液控雙控翻板式混凝土閘門克服了水力自控翻板式混凝土閘門只能“全開”或“全關”、不能對下泄流量進行有效控制的缺點。拓寬了翻板式混凝土閘門的使用范圍,提高了翻板式混凝土閘門的使用安全性能。本文稱作“雙控”結構,該結構繼承了“常規”結構的優點,克服了“常規”結構缺點。其使用范圍更加廣泛、工程安全性大大提高。

圖4為某工程水力自控加液壓控制的雙控式混凝土翻板閘門的應用實例 (現場照片)。

圖3 水力自控混凝土翻板閘門結構

圖4 水力自控加液壓控制的雙控混凝土翻板閘門

6 水力自控翻板式混凝土閘門的制作質量控制

以江西省永豐縣下溪水庫為例,分述水力自控翻板式混凝土閘門制作過程中原材料控制。

6.1 制作過程的原材料控制

水力自控翻板閘門制造使用的主要原材料為:水泥、沙、卵 (碎)石和鋼筋,項目業主和制造單位對使用的上述原材料應進行嚴格控制,必須對混凝土試塊進行試驗。制造單位應提供試驗數據等相關資料、項目業主對實驗數據等資料應予妥善保管。

(1)水泥。水泥質量檢驗報告單NO:100688;編號:255;強度等級:32.5R;安全性:合格;出廠數量:25.1t;水泥質量檢驗單位:(簽章)。

(2)砂。報告編號:SA0501007;樣品編號:SA0501993;檢驗依據:GB/T14684—2001;檢驗結論:經檢驗該樣品所檢項目符合Ⅱ類砂規定的技術要求,規格為中沙;檢測單位:(簽章)。

(3)卵 (碎)石。報告編號:SA0501005;樣品編號:SI0501995;檢驗依據:GB/T14684—2001;檢驗結論:經檢驗該樣品所檢項目符合Ⅱ類卵 (碎)石的技術要求;檢測單位:(簽章)。

(4)鋼材 (鋼筋)。

1)報告編號:GC0507046;樣品編號:SI0501995;樣品數量:6組樣品 (φ6.5mm2組、φ8mm2組、φ10mm2組);檢驗依據:GB/T701—1997;冷彎檢驗判別:合格;檢驗結果:樣品所檢指標符合低碳鋼(軋鋼圓盤條)Q235標準要求;檢測單位:(簽章)。

2)報告編號:GC0507043;報告日期:樣品數量:6組樣品 (φ18mm2組、φ16mm2組、φ12mm2組);檢驗依據:《鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋》 (GB1499—1998);冷彎檢驗判別:合格;檢驗結果:樣品所檢指標符合HRB335標準要求;檢測單位:(簽章)。

3)報告編號:GC0507044;樣品數量:共6組樣品 (φ20mm2 組 、φ25mm2 組、φ22mm2組);檢驗依據: 《鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋》(GB1499—1998);冷彎檢驗判別:合格;檢驗結果:樣品所檢指標符合HRB335標準要求;檢測單位:(簽章)。

6.2 制作安裝工期

工程制作安裝合同工期為2003年11月6日至2004年4月30日,總工期 175d;安裝工作于2006年4月19日進場至2006年5月9日水力自控翻板式混凝土閘門制作、安裝工序全部結束。

本節想要強調的中心內容是:水力自控翻板式混凝土閘門制作、安裝質量的重要性,無論何種型式的水力自控翻板式混凝土閘門,從其制作工藝、原材料質量,甚至混凝土澆筑模板的使用均應嚴格控制;同理,安裝質量的重要性也是顯而易見的。否則,翻板式混凝土閘門運行過程中出現問題是不可避免的。

7 水力自控翻板式混凝土閘門試運行情況

江西省永豐縣下溪水庫溢洪道水力自控翻板式混凝土閘門2006年汛期的試運行情況的實測記錄見表2。

表2 江西省永豐縣下溪水庫溢洪道水力自控翻板式混凝土閘門2006年汛期的試運行情況的實測記錄

溢洪道泄流歷時 (有記錄)約97h,這期間水力自控翻板式混凝土閘門運行時間約90h。運行人員反映,當壩前水位超過閘門頂高程約20mm時該閘門即自動開啟。

8 幾點看法

筆者綜合親身經歷和間接掌握的相關信息,對水利水電工程,特別是中等以上壩高的水庫大壩溢洪道,在采用水力自控翻板式鋼筋混凝土閘門時提出如下意見供感興趣的同行討論或參考。

(1)為了節約工程建設投資,閘壩、渠首控制閘、市政景觀、灌溉閘、防洪閘等低水頭水利水電工程采用水力自控翻板式鋼筋混凝土閘門進行控制是可行的。

(2)設計采用水力自控翻板式閘門的水利工程,閘壩壩址選擇應避開在河道的彎道處,并且壩前應有一段較平直的河段。樞紐布置上應盡量使大壩軸線與河道正交,避免水力自控翻板式閘門受水流影響而失去穩定,造成閘門不能安全運行。同時,應采取必要的工程措施防止沖刷河道及壩頭山體。

(3)由于水力自控翻板式閘門開啟后其底緣應有一定的 (閘門關閉)淹沒水深,為了防止上游漂浮物卡、堵、損壞閘門,應在泄洪閘前設置阻攔漂浮物的裝置。

(4)對于采用支鉸型結構的水力自控翻板式閘門,其受力支撐點為支鉸,門葉兩翼為懸臂,必須確保制作、安裝質量,否則水力自控翻板式閘門不能正常工作。

(5)水力自控翻板式閘門的制作材料絕大部分為當地材料,必須嚴格控制其制作過程中的材料選擇與檢測、制作質量記錄與評定、閘門安裝與調試;確保閘門制作、安裝調試質量,是水力自控翻板式閘門能否安全、有效運行的關鍵。所有工程參建單位都必須十分重視、認真對待。這也是筆者對那些有意采用水力自控翻板式閘門工程的善意忠告。

(6)鑒于該閘門具有自動開啟和關閉的特性,對于重要的水利工程、有水位和流量控制要求的節制閘、防洪閘、具有較高安全保障要求的工程和中等及以上壩高的大壩溢洪道,建議根據工程的重要性部分或全部采用液壓控制的水力自控翻板式鋼筋混凝土閘門。

(7)應選擇具有制造資質,且具有類似閘門制作經驗的制造商。

最后,在本文編寫過程中得到了同事、同行和某生產單位的大力支持,在此表示感謝。由于筆者所見證的水力自控翻板式閘門型式、類型、數量均有限度,經驗也不夠豐富,文中定有不少錯誤,敬請批評指正,在此深表謝意。