灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造工程干渠節(jié)制閘閘門設(shè)計與優(yōu)化

鄒 升

(浩喬建設(shè)集團有限公司，南昌 330077)

1 緒 言

贛撫平原灌區(qū)被列為2016-2020年改造的重點中型灌區(qū)，規(guī)劃防滲改建12條支渠共計35.158km，12條支渠設(shè)計流量0.22-2.85m3/s，加大流量為0.26-3.56m3/s，配套渠系建筑物共182座，其中節(jié)制雙分水閘17座、節(jié)制左分水閘18座、節(jié)制右分水閘44座、左分水閘16座、右分水閘18座、農(nóng)橋57座、測橋12座。規(guī)劃防滲改造38條斗渠共計44.258km，斗渠設(shè)計流量0.1-0.25m3/s，配套渠系建筑物324座，其中節(jié)制分水閘143座、分水閘80座、農(nóng)橋60座、量水堰41座。工程支渠、斗渠工程規(guī)模、工程等級、主次要及臨時建筑物等級均依據(jù)《渠道工程防滲技術(shù)規(guī)范》(GB/T50600-2010)進行確定。

節(jié)制閘閘門在防汛排澇排砂、引清蓄水灌溉等方面發(fā)揮著重要作用，贛撫平原灌區(qū)寬×高在5m×5m以下的節(jié)制閘閘門均采用鑄鐵閘門，鑄鐵閘門具有抗摩擦、抗銹蝕、抗震性能良好，自重輕，承載力大，質(zhì)量穩(wěn)定，維護簡便，壽命長等性能優(yōu)勢。文章以江西省贛撫平原灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造工程節(jié)制雙分水閘為例，進行節(jié)制閘閘門優(yōu)化設(shè)計分析。

2 節(jié)制閘閘門設(shè)計

2.1 閘門基本情況

本灌區(qū)節(jié)水續(xù)建配套改造工程干渠節(jié)制雙分水閘為一字閘設(shè)計，一字閘上部設(shè)啟閉梁支柱，一字閘下游側(cè)設(shè)人行便橋，閘后扭面為C20細(xì)粒混凝土砌石扭面，扭面末端設(shè)防沖墻。閘口寬、高隨位置而變化，閘門設(shè)計為成品鑄鐵閘門。節(jié)制雙分水閘啟閉機采用LQ型手動螺桿式啟閉機。農(nóng)橋跨度為2.8-5.1m ，凈寬4.0-6.5m，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為公路折減-Ⅱ級，折減系數(shù)為0.7。節(jié)制雙分水閘閘門平時關(guān)閉蓄水，為上游引水提供所需水位，一旦上游發(fā)生洪水則開啟閘門泄流，確保渠道安全。

結(jié)合灌區(qū)節(jié)水續(xù)建配套改造工程水工布置，節(jié)制雙分水閘總共設(shè)置一個露頂閘孔、一扇工作閘門，閘門高按照設(shè)計水位+(0.3-0.5)m超高確定，高度取4.3m。閘門為滑塊鋼閘門，門體結(jié)構(gòu)全部采用Q235焊接，主梁、縱梁和邊梁梁系以等高方式連接，支撐均使用自潤滑滑塊，下游側(cè)設(shè)置圓頭P形橡膠止水，側(cè)止水中心距6.4m，閘門支撐跨度5.95m，上游側(cè)設(shè)置面板，底部設(shè)置刀形橡膠止水。

2.2 閘門啟閉力計算

結(jié)合灌區(qū)節(jié)水續(xù)建配套改造工程干渠節(jié)制雙分水閘閘門調(diào)度原則，其主要采用動水啟閉原則，上下游啟閉水位分別為35.80m、33.92m，啟閉水位差1.88m，則閘門總水壓力按下式確定：

Pz=0.5rHs2Bzs

(1)

式中：Pz為節(jié)制雙分水閘閘門總水壓力，kN；r為水重度，kN/m3，取10kN/m3；Hs為啟閉水位差，m，Bzs為側(cè)止水間距，m。經(jīng)計算，本灌區(qū)節(jié)水續(xù)建配套改造工程干渠節(jié)制雙分水閘閘門總水壓力113.1kN。

干渠節(jié)制雙分水閘閘門止水摩阻力Tzs按下式確定：

Tzs=f3Pzs

(2)

式中：f3為滑動摩擦系數(shù)，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，橡皮對不銹鋼滑動摩擦系數(shù)取0.5；Pzs為止水作用壓力，為水封所承受的水壓力Pzs1和水封因預(yù)壓而產(chǎn)生的壓力Pzs2和，按照本工程施工組織設(shè)計，Pzs1設(shè)計值為1.62kN；因水封實際壓縮量3mm，所以Pzs2取17.96kN；將上述值帶入式(2)后得到干渠節(jié)制雙分水閘閘門止水摩阻力Tzs為9.79kN。

干渠節(jié)制雙分水閘閘門滑動支撐摩阻力Tzs1按下式確定：

Tzs1=f2Pz

(3)

式中：f2為滑動摩擦系數(shù)，按照該閘門設(shè)計生產(chǎn)廠家所提供的數(shù)據(jù)，自潤滑滑塊滑動摩擦系數(shù)應(yīng)在0.05-0.07區(qū)間內(nèi)取值，為最大限度保證閘門安全運行，此處取0.07；其余參數(shù)含義同前。經(jīng)計算，節(jié)制雙分水閘閘門滑動支撐摩阻力為7.917kN。

節(jié)制雙分水閘閘門設(shè)計閉門力Fw計算如下：

(4)

節(jié)制雙分水閘閘門啟門力FQ按下式確定：

(5)

2.3 閘門設(shè)計面臨的問題

2.3.1 滑塊材料的選擇

在灌區(qū)干渠節(jié)制雙分水閘閘門設(shè)計階段，自潤滑滑塊適用于正反向支撐，按照生產(chǎn)廠家所提供的設(shè)計資料，自潤滑滑塊和閘門鑄鐵鋼板之間的摩擦系數(shù)應(yīng)在0.05-0.07之間取值，考慮到為閘門運行提供最大保障，取0.07。但是現(xiàn)狀閘門并未按設(shè)計要求采購和安裝上述自潤滑滑塊，而使用的是同一廠家所生產(chǎn)的鑄鐵滑塊，鑄鐵滑塊和鑄鐵鋼板的摩擦系數(shù)應(yīng)在0.15-0.35之間，則導(dǎo)致閘門運行時滑塊與閘門鋼板之間的摩阻力大大增加，嚴(yán)重影響閘門正常的啟閉過程。

2.3.2 閘門關(guān)閉時的上托力

灌區(qū)干渠節(jié)制雙分水閘閘門設(shè)計過程中在上游側(cè)迎水面布置面板，在下游側(cè)背水面布置止水，在閘門關(guān)閉時底主梁以下到底坎間便會出現(xiàn)上托力，具體見圖1所示。

上托力P可根據(jù)下式確定：

P1=ρgV

(6)

式中：ρ為水密度，kg/m3，取0.1×104kg/m3；g為重力加速度，N/kg，取9.8 N/kg；V這所排開的水體積，m3。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(6)可得，閘門關(guān)閉時底主梁以下到底坎間便會出現(xiàn)上托力P=0.1×104×9.8×(0.5×0.5×5.95)=14.58kN。

則實際閉門力FW1應(yīng)為設(shè)計閉門力FW與上托力之和，即-0.4416+14.58=14.14kN。所以，本灌區(qū)干渠節(jié)制雙分水閘閘門在實際關(guān)閉過程中產(chǎn)生的閉門力為14.14kN，達不到閘門依靠自重關(guān)閉的要求。

圖1 干渠節(jié)制雙分水閘閘門橫剖面(單位：mm)

3 閘門設(shè)計優(yōu)化

3.1 滑塊裝置更換

根據(jù)采購合同和設(shè)計要求，灌區(qū)干渠節(jié)制雙分水閘閘門上的正反向鑄鐵滑塊均更換為設(shè)計尺寸300mm×250mm×24mm、線荷載至少68kN/cm、摩擦系數(shù)取值在0.05-0.07區(qū)間的自潤滑滑塊，并仍從相同廠家采購。更換后的自潤滑滑塊承載力顯著提升、耐磨性增大，摩擦系數(shù)降低，使閘門啟閉機械總體性能提升，自潤滑滑塊也無需添加潤滑油，為閘門運行管理提供了較大便利[1]。

3.2 更改閘門形式

即將閘門面板從上游側(cè)移動至下游側(cè)，并使其與止水在同一側(cè)，從而使閘門關(guān)閉時底主梁以下到底坎間所出現(xiàn)的上托力消除，以保證閘門能完全依靠自重關(guān)閉。該方案實施難度大，也比配置加重塊等方案復(fù)雜，但是無需退回廠家返修，還能徹底克服原設(shè)計方案的弊端，有利于閘門結(jié)構(gòu)以后的維護與管理。具體而言，應(yīng)將1塊設(shè)計尺寸5.38m×1.7m×0.006m的Q235封堵鋼板焊接在閘門下游側(cè)主梁、縱梁、邊梁翼緣外側(cè)，并在上游側(cè)閘門面板上開尺寸為0.006m×0.7m×0.5m的方形孔4個，尺寸為0.006m×0.5m×1.0m的方形孔4個，防止其在運行過程中形成空箱結(jié)構(gòu)而增大浮力。

增設(shè)的封堵鋼板重量Gg按下式確定：

Gg=ρgV

(7)

式中：ρg為Q235封堵鋼板材料密度，kg/m3)，取0.785×104kg/m3；V為封堵鋼板的體積，m3。根據(jù)式(7)可計算出干渠節(jié)制雙分水閘閘門所焊接的封堵鋼板重量為0.785×104×5.38×1.7×0.006=430.78kg=4.308kN。開出8個方形孔后上游側(cè)閘門面板重量減輕量為0.785×104×4×0.006×0.7×0.5+0.785×104×4×0.006×0.5×1.0=160.14kg=1.601kN。則優(yōu)化后的閘門結(jié)構(gòu)重量即為閘門結(jié)構(gòu)自重+加焊的封堵鋼板重量-開方形孔后上游側(cè)閘門面板重量減輕量，為24.1+4.308-1.601=26.807kN。

4 結(jié) 論

考慮到江西省贛撫平原灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造工程為改建工程，其現(xiàn)有干渠節(jié)制閘閘門設(shè)計存在一定的局限，在安全、經(jīng)濟等的基礎(chǔ)上必須盡量簡化改建施工難度，并充分結(jié)合干渠節(jié)制閘現(xiàn)狀條件，提出優(yōu)化設(shè)計方案，即通過更換滑塊以及在閘門下游側(cè)主梁、縱梁、邊梁翼緣外側(cè)焊接封堵鋼板以改變閘門形式等措施提升滑塊承載力、增大耐磨性，降低摩擦系數(shù)，提升閘門啟閉機械總體性能，并消除閘門關(guān)閉時底主梁以下到底坎間所出現(xiàn)的上托力，并保證閘門能完全依靠自重關(guān)閉。目前，更改設(shè)計后的干渠節(jié)制雙分水閘閘門已經(jīng)投入運行，啟閉運行完全正常。