石佛寺水庫冬季閘門啟閉系統運行方案研究初探

彭 剛 田應龍

（遼寧省石佛寺水庫管理局 遼寧 沈陽 110129）

1 工程概況

石佛寺水庫是遼河干流上唯一的一座大型控制性水利樞紐工程，以100年一遇洪水標準設計，300年一遇洪水校核。通過與上游左側支流的清河、柴河、南城子及榛子嶺4座水庫和區間堤防聯合調度，可將下游的防洪標準有30年一遇提高到100年一遇。為典型的河道型平原水庫，總庫容1.85億m3,其中防洪庫容1.6億m3。泄洪閘16孔，全長248.5m，布置在攔河主壩右端的主河道上，其軸線與攔河主壩的軸線平行，樁號0+168.95～0+417.45，泄洪閘兩端與攔河主壩相連，泄洪閘總寬248.50m，凈寬200.00m，共設16孔。泄洪閘工作閘門采用平面定輪雙扉門，孔口尺寸12.5m×10.0m～9.6m，結構型式：焊接鋼結構，設計水頭：9.6m，吊點數量：雙吊點，運用條件：動水啟閉、調節流量，閘門重量：72 t/扇（上下扉門合重 72t。其中下扉門 40t，上扉門 32t），閘門啟閉采用2×630kN固定同軸式卷揚機。

2009年根據水庫蓄水試驗應急防護工程現狀和按照省政府、省水利廳的總體部署安排和有關要求進行，石佛寺水庫由原來的空庫運行改為蓄水運用，生態水位高程46.2m，依托水庫現有的擋水建筑物和泄洪閘控制條件，既要保證生態蓄水位，又要正常發揮防洪效益，根據上游入庫流量實時調整閘門（3扇）開度，一年四季中孔（7#、8#、9#）閘門始終處于常開狀態，即使是冬季也要保證閘門暢通運行，確保生態水位不變。

2 冬季閘門啟閉系統的現狀運行方式

2.1 閘門啟閉方式

石佛寺水庫泄洪閘雙扉門啟閉機布置為一門一機形式，采用2×630kN同步卷揚式啟閉機，操作方式為動水啟閉，啟閉機既能在啟閉室內機旁現地手動和自動控制，也能實現遠程集中控制。

2.2 閘門冬季防冰設施

石佛寺水庫冬季結冰期長，從12月中下旬封凍至次年3月份解凍，最低氣溫發生在1月，可降至-25℃左右，閘前最大冰厚約0.8m左右，如果不采取防凍措施，閘門和門槽會產生結冰現象，冰層的巨大水平張力直接作用在門頁上，導致閘門兩側結冰擠壓變形漏水；為了防止16孔閘門冬季受凍破壞，需要進行閘門前破冰防凍工作，石佛寺水庫采用的是水泵擾動破冰法，共計16套破冰裝置，每套包括一臺2.5寸潛水泵、11m噴射水平鍍鋅管 （根據實驗測得：頂部每0.5m鉆一個5mm小孔，使管路上部水體循環形成連續波，在門前形成一條不結冰帶）、利用檢修門蓋板安設起升（或檢修）裝置，起吊采用直徑為18mm尼龍繩、電路控制為一孔一閥。

3 冬季運行存在問題及原因分析

3.1 存在問題

石佛寺水庫初期建設功能為滯洪型，冬季閘門不運行，處于常開狀態，2009年實施了生態建設后，為了確保生態水位不變，需要實時調整閘門開度，水庫功能變為調蓄型，即使是冬季也要保證閘門暢通運行。冬季氣溫持續偏低，造成下扉門開度大于20cm時頂部開始漏水、結冰；閘門與門槽間結冰；閘門止水磨損嚴重及啟閉力不足等問題，嚴重時導致泄洪閘門無法啟閉，危及工程安全。

3.2 原因分析

下扉門頂部止水是靠頂部止水橡膠壓縮上扉門底部止水板完成的，上扉門底部止水板設計寬度為20cm，即上扉門止水范圍0cm～20cm，當下扉門開度大于20cm時頂止水即可失效，致使漏水、結冰；閘門出流時水流因壓強降低，在門槽下游附近產生汽化（空化）現象，導致閘門和門槽（閘門底部豎直方向1m的范圍內）結冰；冬季閘門結冰時啟閉力不足，根據水利水電工程鋼閘門設計規范DL/T5013-95：平面閘門設計啟門力Fq=nT（Tzd+Tzs）+Px+n'GG+Gj+Ws 式中：Fq—啟門力（t）；nT—摩擦阻力的安全系數，一般取 1.2；Tzd—支承摩擦阻力（t）；Tzs—止水摩擦阻力（t）；Px—下吸力（t）；nG'—計算啟門力的門重修正系數，取1.1；G—閘門活動部分的自重（t）；Gj—加重塊重量（t）Ws—作用在閘門上的水柱壓力（t）。通過上式分析，冬季平面閘門啟門力還應加入一項結冰阻力Tbz，通過現場觀查結冰阻力主要分布在兩門連接處和門槽底腳1m處，即上扉門主次梁翼緣板上以及下扉門兩側底腳部位。實踐證明冬季啟門時，時常發生超載報警現象，其次減速機齒牙磨損較快，從生態蓄水后的短短幾年就更換了一次減速機另外冬季運行齒輪油發凝，鋼絲繩鋰基脂潤滑較差等都有一定負荷影響。

4 冬季閘門啟閉系統運行方案

4.1 增設檢修門兼具溢流堰功能

設立三孔檢修門，檢修門為鋼疊梁形式，高度可通過鋼疊梁進行調節，冬季為滿足生態水位需要，充當開敞式疊梁溢流堰形成了以自由溢流為主，閘門配合控制為輔的獨特方式，改變現狀全部利用泄洪閘門控制的泄水方式。

4.2 檢修門參數確定

檢修門（鋼疊梁）基本特性參數為：孔口寬度為12.5m，分為3節，高度分別為1.5m、2.45m、2.45m（從上到下），3孔底高程均為41.0m高程，最大高度即要考慮檢修門為5.5m（擋水高度5.2m加0.3m超高），又要考慮冬季作為過水堰調節流量（3孔堰頂高程45.9m）和保證閘門剛度及結構（單體鋼疊梁高度不小于1.5m）的要求，確定檢修閘門高度為6.4m。

鋼疊梁設計2種形式的單體梁，分別為高2.45m和高1.5m。考慮可能的運用方式，共設6個高2.45m和3個高1.5m的單體鋼梁。

圖1 鋼疊梁式溢流堰（檢修門）示意圖

4.3 閘門開啟數量的確定

為了防止下扉門頂止水漏水結冰，閘門開度應小于20cm。根據進庫流量調整閘門的開啟數量。

①寬頂堰和實用堰流的泄流公式計算（當 H＜0.75m時）：Q=σcσsmbH03/2堰上水頭為0.3m時，一孔泄水量為4.54 m3/s，3 孔為：13.62m3/s。

③根據2001年～2012年冬季日平均入庫流量表統計，最大入庫流量為51.1m3/s，入庫平均流量為20m3/s左右。

④閘門開啟數量確定：每年11月15日～3月14日，13孔全關，開啟1孔大閘門調節，特殊情況可根據入庫流量增開閘門數量。

4.4 閘門與門槽間結冰處理

采用便攜式熱鼓風機，通過高耐熱軟管和噴頭，直接對準結冰部位進行熱風融冰，工作面溫度應在60℃度左右為宜，其次根據水情調度指令，提前預熱，為了降低運行成本可采用即停即開的辦法。

5 泄水方式的次生影響

由于門槽底坎為混凝土水平堰，增設的鋼疊梁溢流堰，改變了泄水方式，形成了堰流，以平拋方式落入底坎上，日積月累的不停沖刷，勢必破壞附近底坎混凝土并對工作門底坎產生不利影響。

根據生態水位46.2m要求，冬季溢流采用2節2.45m高的疊梁，落差為4.9m，另外依據冬季現場觀測，水流速度0.3m/s。 根 據 平 拋 公 式 ：Vt2=V02+（gt）2，h=1/2gt2，t==1s，落入底坎的水流即時速度Vt≈10m/s。在即時沖量的作用下，底坎混凝土即將產生橫向溝壑，導致原混凝土保護層受到破壞，露出鋼筋并受腐蝕，使得該處混凝土強度逐漸降低，并將產生裂縫。為此每年閘門起落前需定期檢測底坎混凝表面磨損程度及裂縫走向、深度等數據，為日后底坎修補提供科學依據。

6 結語

通過近幾年的冬季運行檢驗，利用3扇檢修閘門的疊梁組成的三孔疊梁堰，在水庫蓄水位滿足46.2m的要求下，水庫最常來水時（20 m3/s左右），通過疊梁堰和大閘門聯合控制，基本解決了大閘門頂止水冒水結冰的卡阻現象，操作簡單，運行管理方便，保證了水庫植物越冬和水庫度汛的安全。應加強門槽底坎的破損觀測，特別是水流沖刷及氣蝕的影響，為日后修補加固提供科學依據；根據現場情況，可在水流跌入底坎處增設鋼底板或耐沖刷的混凝土措施，另外為了保證堰流穩定且自由出流，應注意：堰上水頭應大于2.5cm，避免水舌貼壁溢流，其次為了避免水舌下面形成局部真空，需在閘墩側壁設置通氣孔。同時，要注意觀測檢修門（溢流堰）前泥沙淤積情況，不斷完善該運行方案。陜西水利