簡易翻倒閘在山區(qū)中小河流治理中的應(yīng)用分析

周成利

（廣東省清遠(yuǎn)市水利水電勘測設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 清遠(yuǎn) 511500）

1 山區(qū)中小河流灌溉與減災(zāi)的矛盾分析

廣東省大部分區(qū)域?yàn)樯絽^(qū)或丘陵地帶，有數(shù)量眾多的中小河流，河道兩岸分布有農(nóng)田。由于山區(qū)局部暴雨強(qiáng)度大，洪水具有匯流時(shí)間短、河流河道窄，洪水位高，破壞性大的特性。由于山區(qū)中小河流河床比降較大，為引水灌溉河道兩岸的農(nóng)田，沿線大多建有較密集的灌溉攔水陂。經(jīng)現(xiàn)場查勘，大部分陂頭為當(dāng)?shù)卮迕褡孕卸哑龅臐{砌石或埋石混凝土陂，大部分陂頭形狀不規(guī)則，很多已經(jīng)破損嚴(yán)重。由于未經(jīng)過專業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)，攔水陂大多存在布置太密集和無泄水閘槽等問題，不規(guī)范的攔水陂導(dǎo)致洪水期雍水嚴(yán)重，淤積物常年淤積在攔水陂陂前，進(jìn)一步導(dǎo)致河道行洪不暢，進(jìn)而經(jīng)常淹沒兩岸農(nóng)田。

考慮到現(xiàn)狀陂頭大多具有引水灌溉功能，不能直接拆除來增加行洪能力，只能進(jìn)行改造，即在滿足兩岸農(nóng)田灌溉的同時(shí)增加河道行洪能力，降低洪水位，以達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)的效果。

2 攔水陂改造常用型式及存在的主要問題

為了降低洪水位，根據(jù)中小河流治理工程經(jīng)驗(yàn)，常見的工程措施是將攔水陂改造為插板閘和翻板閘。

1）插板閘。插板閘一般為平板鋼閘門，在使用的時(shí)候需人工或其他設(shè)備將插板提起或放下，整個(gè)裝置完全屬于被動(dòng)狀態(tài)，不具備自動(dòng)泄洪的功能，而絕大部分山區(qū)中小河流未完善暴雨洪情監(jiān)視監(jiān)測及預(yù)警設(shè)施，當(dāng)河流形成洪峰時(shí)，已來不及安排專人開啟閘門泄洪，因此，這類閘門并不適用于洪峰形成時(shí)間短的山區(qū)中小河流，且此類閘門的提升裝置較為繁瑣，需要定期維護(hù)，后期維護(hù)管理成本較高。

2）翻板閘。翻板閘方案的技術(shù)主體為水力自控翻板閘，此種類型的閘門廣泛適用于各種大小水利工程，該裝置能夠根據(jù)水位的變化自動(dòng)控制閘門的開啟和關(guān)閉，在水流微小的情況下關(guān)閘蓄水，在水量大的情況下自動(dòng)開閘放水，但是此類閘門機(jī)械機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜，閘門較重，閘門的啟閉需要設(shè)置專門的電機(jī)進(jìn)行控制，因此，此類翻板閘制造、維修以及后期運(yùn)行管理的成本非常高。

以上兩種閘門存在的問題或弊端造成其在山區(qū)中小河流治理工程中不能大面積推廣使用，所以當(dāng)下山區(qū)中小河流治理工程需要一款造價(jià)低，且具有自動(dòng)泄洪功能的水閘來填補(bǔ)空白。

3 簡易翻倒閘應(yīng)用分析

3.1 簡易翻倒閘結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及優(yōu)勢分析

本文推薦采用的簡易翻倒閘其特點(diǎn)是自動(dòng)泄洪、人工復(fù)位、簡單實(shí)用、功能可靠、造價(jià)低廉、不易損壞、維修方便，非常適用于山區(qū)小型水利工程。這種翻倒閘在清遠(yuǎn)地區(qū)已經(jīng)成功應(yīng)用在多宗工程實(shí)例中，并經(jīng)過多個(gè)完整汛期，運(yùn)行情況良好，對降低洪水水位效果明顯[1]。

該翻倒閘由閘室、閘門和旋轉(zhuǎn)部件等組成，其中閘門上邊緣設(shè)有溢流缺口。在非洪水期河道流量小的情況下，閘門靠自重豎立蓄水，水位處于缺口底到閘門頂之間，多余水量從閘門缺口溢出；在洪水期河道流量加大的情況下，上游水位升高超過閘門頂時(shí)，閘門失去平衡而向下游翻倒，敞開泄洪；洪水過后人工將閘門扶起復(fù)位[1]。

該翻倒閘相對傳統(tǒng)的翻板閘有如下優(yōu)勢：①在相同閘前水位上升幅度下，該閘的翻倒力矩比傳統(tǒng)的翻板閘增加約60%，大大增強(qiáng)自動(dòng)泄洪的可靠性，并可抵抗一定程度的閘前泥沙淤積；②該翻板閘可兼做沖沙閘，降低整個(gè)攔河閘壩的成本；③該翻板閘構(gòu)造簡單，閘室流道無復(fù)雜構(gòu)件，閘門緊貼側(cè)墻轉(zhuǎn)動(dòng)，不容易發(fā)生閘門勾掛垃圾而造成不能開閘泄洪的問題。閘門在制作上采用了上輕下重的制作工藝，使人工復(fù)位更加輕松，而且人工復(fù)位完全消除傳統(tǒng)翻板閘自動(dòng)復(fù)位時(shí)經(jīng)常被卡甚至被損壞的問題[1]。

翻倒閘門門體結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)，考慮到閘門翻倒時(shí)的沖擊力，以及需人工復(fù)位的要求，結(jié)合閘門設(shè)計(jì)和制作廠家的建議，閘門高度最好不超過1.5 m，閘門寬度最好不超過2.0 m，制作安裝比較容易。

3.2 實(shí)例應(yīng)用分析

清遠(yuǎn)市某山區(qū)中小河流治理工程中一攔水陂原為當(dāng)?shù)卮迕褡孕卸哑龅墓喔葦r水陂，攔水陂長度約12 m，河床面以上高度約2 m，采用漿砌石結(jié)構(gòu)，陂頂?shù)絻砂兜孛鎯H余0.5 m 左右，未設(shè)置泄水槽或沖沙口，洪水期陂前壅水嚴(yán)重，行洪不暢，兩岸農(nóng)田經(jīng)常受淹。

根據(jù)現(xiàn)狀攔水陂存在的問題將其改造為簡易翻倒閘，改造后的攔水陂兩端為溢流堰，中間為簡易翻倒閘，閘門規(guī)格采用4 孔1.7 m 寬、1.3 m 高的翻倒閘門組合，閘門頂溢流口尺寸為0.74 m×0.3 m（寬×高），即閘底以上正常蓄水高度為1.0 m，溢流口高程即正常蓄水位。剖面圖如圖1、圖2 所示。

圖1 攔水陂改造為簡易翻倒閘橫剖圖

圖2 攔水陂改造為簡易翻倒閘縱剖圖

攔水陂改造為簡易翻倒閘后擬維持在正常蓄水位不變，工程設(shè)計(jì)時(shí)對攔水陂改造前后5 年一遇洪水時(shí)上下游水位差進(jìn)行了計(jì)算，采用寬頂堰公式進(jìn)行計(jì)算，具體如下：

式中 Q——過閘流量（m3）；

σ——淹沒系數(shù)；

m——流量系數(shù)，取0.33；

ε——側(cè)收縮系數(shù)；

B——過流寬度；

H0——堰上水頭。

通過計(jì)算，攔水陂改造為簡易翻倒閘后，只考慮攔水陂改造單一治理措施，閘上下游5 年一遇洪水位差由1.10 m 降至0.34 m，上游洪水位下降十分明顯，整治后采用1.0 m 高的擋水閘門時(shí)，上下游水位差已降低了0.76 m（已經(jīng)考慮上下游洪水位同時(shí)降低），雍水高度已較小。圖3 為案例中攔水陂改造為簡易翻倒閘前后對比照片。

根據(jù)閘門水平放置時(shí)力矩平衡原理，上述案例中1.7 m×1.3 m（寬×高）的閘門人工復(fù)位時(shí)所需的提力F計(jì)算公式如下：

式中 F——閘門復(fù)位所需人工提力（kN）；

r——閘門材質(zhì)容重（kg/m3）；

d——閘門厚度（m）；

B——閘門寬度（m）；

H——閘門高度（m）；

圖3 攔水陂改造為簡易翻倒閘前后對比照片

Z——閘門轉(zhuǎn)軸高度（m）；

b——閘門頂部缺口寬度（m）；

h——閘門頂部缺口高度（m）。

經(jīng)計(jì)算，1.7 m×1.3 m（寬×高）的閘門人工復(fù)位時(shí)所需的提力F=1.8 kN，換算重量約為180 kg，兩名成年男性可輕松將閘門扶起復(fù)位。

3.3 應(yīng)用效果評價(jià)

案例中攔水陂改造為翻倒閘后，已經(jīng)歷了兩個(gè)完整汛期，經(jīng)實(shí)地調(diào)查和當(dāng)?shù)卮逦芾砣藛T反饋，洪水期閘門均能自動(dòng)翻倒，泄洪過程及時(shí)順利，洪水過后，管理人員也能順利將閘門扶起復(fù)位。在平水期和枯水期，通過閘門的攔蓄作用，均能滿足兩岸農(nóng)田的灌溉需求。綜上，通過簡易翻倒閘的工程實(shí)際運(yùn)用，輕松解決了山區(qū)中小河流灌溉與減災(zāi)的矛盾。

4 結(jié) 語

簡易翻倒閘在山區(qū)中小河流治理的成功應(yīng)用，既滿足了河道兩岸農(nóng)田的灌溉需求，又實(shí)際解決了山區(qū)中小河流洪澇災(zāi)害頻發(fā)的問題，而且其結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低、不易損壞、維修方便的特點(diǎn)使后期運(yùn)行管理成本大大降低，可以在山區(qū)中小河流治理或小型農(nóng)田水利工程中進(jìn)行推廣。今后，還應(yīng)結(jié)合不同工程治理理念，考慮生態(tài)和景觀要求，進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)，以適應(yīng)新時(shí)期水利工程建設(shè)發(fā)展需求。