水力自控翻板式混凝土闸门的应用

万 澍 万良牯

(江西省水利规划设计院,江西南昌 330029)

1 水力自控翻板式混凝土闸门工作方式

水力自控翻板式混凝土闸门在水库设计低水位关闸蓄水;当水库上游水位超过正常蓄水位,且继续升高至某一高程 (水库上游设计允许水位),闸门顶泄流并有一定过水深度 (一般为100～200mm)时,闸门自动翻倒泄流,水库水位越高闸门的开启量越大,直至闸门全开;当水库水位开始下降且降至正常水位(或工程设计选定的水位),闸门自动关闭,恢复挡水的作用。水力自控翻板式混凝土闸门要求具有一定高度的启动水位,全开所需的水位更高。图1为某水利工程上运行的水力自控翻板式混凝土闸门。

2 水力自控翻板式混凝土闸门的主要特点

(1)结构简单。水力自控翻板式混凝土闸门具有结构简单、施工简易、管理方便的特点。

(2)就地取材。由于该闸门不需要设置启闭设备,且其主要的建造材料为沙、石、水泥及少量钢材,因此具有造价低廉的特点。

(3)缩短工程周期。该闸门主要由现场浇筑钢筋混凝土板、梁结构拼装而成,现场制作方法简单,具有制作、安装周期短的特点,从一定意义上讲,可以缩短工程施工周期。

(4)运行费用低廉。该闸门因具有自动关闭功能,闸门的运行 (“开” 或“关”),完全由水库水位的升降因素决定,故运行费用低廉。

(5)主要缺点。水力自控翻板式混凝土闸门在开启和关闭的过程中,容易被杂物卡住而影响闸门的正常运行;早期的水力自控翻板式混凝土闸门不能实现任意工况下人工控制水位的需求,是水力自控翻板式混凝土闸门的最大缺点。

3 工作原理

水力自控翻板式混凝土闸门的工作原理比较简单,即当上游水位上涨并超过一定水位 (通常为正常蓄水位)后,水压力与其他荷载围绕闸门支铰中心所产生的开门力矩大于抵抗开门的力矩时,闸门自动翻倒泄流,水位越高闸门的开启度越大,直至闸门全开;闸门开启后,水库上游水位逐渐下降,当水库上游水位达到正常蓄水位 (或者工程设计选定的某一水位)后,水压力与其他荷载围绕闸门支铰中心所产生的关门力矩大于抵抗关门的力矩时,闸门自动关闭并实施截流。

4 水力自控翻板式闸门的应用

4.1 低水头水利工程的应用

水力自控翻板式混凝土闸门并非新的截流装置。20世纪六七十年代,在江西省的吉安市、宜春市、赣州市、鹰潭市、萍乡市等地的多处水闸、闸坝溢洪道、渠道泄洪闸中已经得到了应用,其效果有成功的,也有不够成功的。例如:江西省宜丰县在县城南屏公园人工湖上采用水力自控翻板式混凝土闸门对人工湖进行控制,使湖面水位保持恒定,其使用效果非常令人满意。又如江西省吉水县螺滩水电站拦河坝坝高18.0m,采用浆砌石重力式溢流坝 (堰顶高程317.50m)及3.0m×6.0m(高×宽),正常蓄水位76.50m,校核洪水位76.50m,溢流坝净宽120m,原设计为平面钢闸门控制。2002年大坝维修加固时采用水力自控翻板式闸门控制,同年完成闸门制作与安装并正式投入运行。除在施工当年的一次洪水中,因上游漂流下来的大树卡在两扇闸门的缝隙之间造成门叶损坏外,至今闸门运行基本正常。

图1 运行中的某水利工程水力自控翻板式混凝土闸门

江西省早期采用的水力自控翻板式闸门控制的水利工程大部分运行正常;少数工程由于种种原因存在缺陷并在一定程度上影响正常运行;个别工程由于设计、制造、安装等多种原因造成不能正常发挥工程效益。

目前,江西省景德镇市的樟树坑水电站和瑞金市流金坝水电站的溢流坝成功地采用水力自控翻板式混凝土闸门进行水库的泄流控制。

江西省20世纪六七十年代建设的大型、中型水利工程使用水力自控翻板式混凝土闸门的情况(不完全统计)见表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闸门一览表

表1所列部分水利工程的水力自控翻板式钢筋混凝土闸门,多年来发挥了其应有的作用,其中部分工程至今仍然发挥着作用。但是,由于当时设计选址、资金、制作技术、施工质量等原因,大部分工程已年久失修,存在一定的安全隐患,按照国家对水利工程的改造规划,这些工程将陆续进行改造。

4.2 中等坝高大坝溢洪道水力自控翻板式钢筋混凝土闸门的应用

进入21世纪,由于民营资金大量投入水利水电工程建设,鉴于水力自控翻板式钢筋混凝土闸门节省一次性投资的特点,从而使其在应用方面得到了长足发展;有从小型、低水头闸坝工程向中等坝高、中型以上水利水电工程发展的趋势。据有关资料介绍,浙江省某水利设备制造有限公司仅2005年以前在全国范围内就有113座水利工程安装了该公司生产的水力自控翻板式钢筋混凝土闸门。在浙江、贵州、广西、江西等省已有在中等坝高的大坝溢洪道中应用水力自控翻板式钢筋混凝土闸门的成功实例。江西省永丰县下溪水库大坝溢洪道首次采用水力自控翻板式钢筋混凝土闸门。该水库系利用民间资金进行开发建设的一座以发电为主的中型水利水电工程。水库正常蓄水位为322.50m,大坝坝高为50.5m;溢洪道采用WES实用堰泄流,堰宽30m、堰顶高程317.50m;溢流堰设置3孔 (高×宽)5.0m×10.0m水力自控翻板式混凝土闸门,闸门顶高程为322.50m,无启闭设备。水库各种挡水建筑物经过了2006～2009年的汛期运行考验,大坝溢洪道水力自控翻板式混凝土闸门能正常开启泄流,未出现异常;目前工程已经投入商业运行。

该水库在江西省内中等坝高大坝溢洪道中首次采用水力自控翻板式混凝土闸门,为江西省类似工程上采用类似闸门积累了一定的经验。工程应用实例 (现场照片)见图2。

图2 (5m×10m)水力自控翻板式混凝土闸门在水库大坝溢洪道应用实例

4.3 改进型水力自控翻板式混凝土闸门应用

随着水力自控翻板式混凝土闸门设计、制造技术的不断进步,在原有水力自控翻板式混凝土闸门的基础上增加了液压控制装置,使水力自控翻板式混凝土闸门完成了在任意开度下进行泄流控制的技术进步,从而使翻板式混凝土闸门的应用范围更加广泛,同时将为水利水电工程建设节省大量的一次性投资。目前,江西省赣州市章江橡胶坝正在改建成水力自控+液控翻板式混凝土闸坝,而江西省修水县三都水电站决定由原设计采用平面钢闸门控制的闸坝改为水力自控+液控翻板闸坝。目前,江西省赣州市行政区境内,有多处橡胶坝正在改建成水力自控+液控翻板式混凝土闸坝。

5 水力自控翻板式混凝土闸门的结构

5.1 常规型水力自控翻板式混凝土闸门的结构

永丰县下溪水库溢洪道水力自控翻板式混凝土闸门的结构型式为门支铰型。每扇闸门由四块实体混凝土板和五块空心混凝土板及两个混凝土支墩、两个混凝土支脚及滚轮连杆、铁件等部件组成。本文称作“常规”结构。其优点:结构简单、投资省;缺点:不能任意控制水量和水位。常规型水力自控翻板式混凝土闸门的结构型式见图3。

5.2 改进型水力自控翻板式混凝土闸门的结构

水力自制+液控双控翻板式混凝土闸门结构与水力自控翻板式混凝土闸门在结构上的最大区别是水力自制+液控双控翻板式混凝土闸门在原来闸门结构型式的基础上增加一套液压控制装置。水力自制+液控双控翻板式混凝土闸门可以在专门的控制室里任何时间内控制闸门的任意开度。经过技术改造后的水力自制+液控双控翻板式混凝土闸门克服了水力自控翻板式混凝土闸门只能“全开”或“全关”、不能对下泄流量进行有效控制的缺点。拓宽了翻板式混凝土闸门的使用范围,提高了翻板式混凝土闸门的使用安全性能。本文称作“双控”结构,该结构继承了“常规”结构的优点,克服了“常规”结构缺点。其使用范围更加广泛、工程安全性大大提高。

图4为某工程水力自控加液压控制的双控式混凝土翻板闸门的应用实例 (现场照片)。

图3 水力自控混凝土翻板闸门结构

图4 水力自控加液压控制的双控混凝土翻板闸门

6 水力自控翻板式混凝土闸门的制作质量控制

以江西省永丰县下溪水库为例,分述水力自控翻板式混凝土闸门制作过程中原材料控制。

6.1 制作过程的原材料控制

水力自控翻板闸门制造使用的主要原材料为:水泥、沙、卵 (碎)石和钢筋,项目业主和制造单位对使用的上述原材料应进行严格控制,必须对混凝土试块进行试验。制造单位应提供试验数据等相关资料、项目业主对实验数据等资料应予妥善保管。

(1)水泥。水泥质量检验报告单NO:100688;编号:255;强度等级:32.5R;安全性:合格;出厂数量:25.1t;水泥质量检验单位:(签章)。

(2)砂。报告编号:SA0501007;样品编号:SA0501993;检验依据:GB/T14684—2001;检验结论:经检验该样品所检项目符合Ⅱ类砂规定的技术要求,规格为中沙;检测单位:(签章)。

(3)卵 (碎)石。报告编号:SA0501005;样品编号:SI0501995;检验依据:GB/T14684—2001;检验结论:经检验该样品所检项目符合Ⅱ类卵 (碎)石的技术要求;检测单位:(签章)。

(4)钢材 (钢筋)。

1)报告编号:GC0507046;样品编号:SI0501995;样品数量:6组样品 (φ6.5mm2组、φ8mm2组、φ10mm2组);检验依据:GB/T701—1997;冷弯检验判别:合格;检验结果:样品所检指标符合低碳钢(轧钢圆盘条)Q235标准要求;检测单位:(签章)。

2)报告编号:GC0507043;报告日期:样品数量:6组样品 (φ18mm2组、φ16mm2组、φ12mm2组);检验依据:《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》 (GB1499—1998);冷弯检验判别:合格;检验结果:样品所检指标符合HRB335标准要求;检测单位:(签章)。

3)报告编号:GC0507044;样品数量:共6组样品 (φ20mm2 组 、φ25mm2 组、φ22mm2组);检验依据: 《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》(GB1499—1998);冷弯检验判别:合格;检验结果:样品所检指标符合HRB335标准要求;检测单位:(签章)。

6.2 制作安装工期

工程制作安装合同工期为2003年11月6日至2004年4月30日,总工期 175d;安装工作于2006年4月19日进场至2006年5月9日水力自控翻板式混凝土闸门制作、安装工序全部结束。

本节想要强调的中心内容是:水力自控翻板式混凝土闸门制作、安装质量的重要性,无论何种型式的水力自控翻板式混凝土闸门,从其制作工艺、原材料质量,甚至混凝土浇筑模板的使用均应严格控制;同理,安装质量的重要性也是显而易见的。否则,翻板式混凝土闸门运行过程中出现问题是不可避免的。

7 水力自控翻板式混凝土闸门试运行情况

江西省永丰县下溪水库溢洪道水力自控翻板式混凝土闸门2006年汛期的试运行情况的实测记录见表2。

表2 江西省永丰县下溪水库溢洪道水力自控翻板式混凝土闸门2006年汛期的试运行情况的实测记录

溢洪道泄流历时 (有记录)约97h,这期间水力自控翻板式混凝土闸门运行时间约90h。运行人员反映,当坝前水位超过闸门顶高程约20mm时该闸门即自动开启。

8 几点看法

笔者综合亲身经历和间接掌握的相关信息,对水利水电工程,特别是中等以上坝高的水库大坝溢洪道,在采用水力自控翻板式钢筋混凝土闸门时提出如下意见供感兴趣的同行讨论或参考。

(1)为了节约工程建设投资,闸坝、渠首控制闸、市政景观、灌溉闸、防洪闸等低水头水利水电工程采用水力自控翻板式钢筋混凝土闸门进行控制是可行的。

(2)设计采用水力自控翻板式闸门的水利工程,闸坝坝址选择应避开在河道的弯道处,并且坝前应有一段较平直的河段。枢纽布置上应尽量使大坝轴线与河道正交,避免水力自控翻板式闸门受水流影响而失去稳定,造成闸门不能安全运行。同时,应采取必要的工程措施防止冲刷河道及坝头山体。

(3)由于水力自控翻板式闸门开启后其底缘应有一定的 (闸门关闭)淹没水深,为了防止上游漂浮物卡、堵、损坏闸门,应在泄洪闸前设置阻拦漂浮物的装置。

(4)对于采用支铰型结构的水力自控翻板式闸门,其受力支撑点为支铰,门叶两翼为悬臂,必须确保制作、安装质量,否则水力自控翻板式闸门不能正常工作。

(5)水力自控翻板式闸门的制作材料绝大部分为当地材料,必须严格控制其制作过程中的材料选择与检测、制作质量记录与评定、闸门安装与调试;确保闸门制作、安装调试质量,是水力自控翻板式闸门能否安全、有效运行的关键。所有工程参建单位都必须十分重视、认真对待。这也是笔者对那些有意采用水力自控翻板式闸门工程的善意忠告。

(6)鉴于该闸门具有自动开启和关闭的特性,对于重要的水利工程、有水位和流量控制要求的节制闸、防洪闸、具有较高安全保障要求的工程和中等及以上坝高的大坝溢洪道,建议根据工程的重要性部分或全部采用液压控制的水力自控翻板式钢筋混凝土闸门。

(7)应选择具有制造资质,且具有类似闸门制作经验的制造商。

最后,在本文编写过程中得到了同事、同行和某生产单位的大力支持,在此表示感谢。由于笔者所见证的水力自控翻板式闸门型式、类型、数量均有限度,经验也不够丰富,文中定有不少错误,敬请批评指正,在此深表谢意。