石佛寺水库冬季闸门启闭系统运行方案研究初探

彭 刚 田应龙

（辽宁省石佛寺水库管理局 辽宁 沈阳 110129）

1 工程概况

石佛寺水库是辽河干流上唯一的一座大型控制性水利枢纽工程，以100年一遇洪水标准设计，300年一遇洪水校核。通过与上游左侧支流的清河、柴河、南城子及榛子岭4座水库和区间堤防联合调度，可将下游的防洪标准有30年一遇提高到100年一遇。为典型的河道型平原水库，总库容1.85亿m3,其中防洪库容1.6亿m3。泄洪闸16孔，全长248.5m，布置在拦河主坝右端的主河道上，其轴线与拦河主坝的轴线平行，桩号0+168.95～0+417.45，泄洪闸两端与拦河主坝相连，泄洪闸总宽248.50m，净宽200.00m，共设16孔。泄洪闸工作闸门采用平面定轮双扉门，孔口尺寸12.5m×10.0m～9.6m，结构型式：焊接钢结构，设计水头：9.6m，吊点数量：双吊点，运用条件：动水启闭、调节流量，闸门重量：72 t/扇（上下扉门合重 72t。其中下扉门 40t，上扉门 32t），闸门启闭采用2×630kN固定同轴式卷扬机。

2009年根据水库蓄水试验应急防护工程现状和按照省政府、省水利厅的总体部署安排和有关要求进行，石佛寺水库由原来的空库运行改为蓄水运用，生态水位高程46.2m，依托水库现有的挡水建筑物和泄洪闸控制条件，既要保证生态蓄水位，又要正常发挥防洪效益，根据上游入库流量实时调整闸门（3扇）开度，一年四季中孔（7#、8#、9#）闸门始终处于常开状态，即使是冬季也要保证闸门畅通运行，确保生态水位不变。

2 冬季闸门启闭系统的现状运行方式

2.1 闸门启闭方式

石佛寺水库泄洪闸双扉门启闭机布置为一门一机形式，采用2×630kN同步卷扬式启闭机，操作方式为动水启闭，启闭机既能在启闭室内机旁现地手动和自动控制，也能实现远程集中控制。

2.2 闸门冬季防冰设施

石佛寺水库冬季结冰期长，从12月中下旬封冻至次年3月份解冻，最低气温发生在1月，可降至-25℃左右，闸前最大冰厚约0.8m左右，如果不采取防冻措施，闸门和门槽会产生结冰现象，冰层的巨大水平张力直接作用在门页上，导致闸门两侧结冰挤压变形漏水；为了防止16孔闸门冬季受冻破坏，需要进行闸门前破冰防冻工作，石佛寺水库采用的是水泵扰动破冰法，共计16套破冰装置，每套包括一台2.5寸潜水泵、11m喷射水平镀锌管 （根据实验测得：顶部每0.5m钻一个5mm小孔，使管路上部水体循环形成连续波，在门前形成一条不结冰带）、利用检修门盖板安设起升（或检修）装置，起吊采用直径为18mm尼龙绳、电路控制为一孔一阀。

3 冬季运行存在问题及原因分析

3.1 存在问题

石佛寺水库初期建设功能为滞洪型，冬季闸门不运行，处于常开状态，2009年实施了生态建设后，为了确保生态水位不变，需要实时调整闸门开度，水库功能变为调蓄型，即使是冬季也要保证闸门畅通运行。冬季气温持续偏低，造成下扉门开度大于20cm时顶部开始漏水、结冰；闸门与门槽间结冰；闸门止水磨损严重及启闭力不足等问题，严重时导致泄洪闸门无法启闭，危及工程安全。

3.2 原因分析

下扉门顶部止水是靠顶部止水橡胶压缩上扉门底部止水板完成的，上扉门底部止水板设计宽度为20cm，即上扉门止水范围0cm～20cm，当下扉门开度大于20cm时顶止水即可失效，致使漏水、结冰；闸门出流时水流因压强降低，在门槽下游附近产生汽化（空化）现象，导致闸门和门槽（闸门底部竖直方向1m的范围内）结冰；冬季闸门结冰时启闭力不足，根据水利水电工程钢闸门设计规范DL/T5013-95：平面闸门设计启门力Fq=nT（Tzd+Tzs）+Px+n'GG+Gj+Ws 式中：Fq—启门力（t）；nT—摩擦阻力的安全系数，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'—计算启门力的门重修正系数，取1.1；G—闸门活动部分的自重（t）；Gj—加重块重量（t）Ws—作用在闸门上的水柱压力（t）。通过上式分析，冬季平面闸门启门力还应加入一项结冰阻力Tbz，通过现场观查结冰阻力主要分布在两门连接处和门槽底脚1m处，即上扉门主次梁翼缘板上以及下扉门两侧底脚部位。实践证明冬季启门时，时常发生超载报警现象，其次减速机齿牙磨损较快，从生态蓄水后的短短几年就更换了一次减速机另外冬季运行齿轮油发凝，钢丝绳锂基脂润滑较差等都有一定负荷影响。

4 冬季闸门启闭系统运行方案

4.1 增设检修门兼具溢流堰功能

设立三孔检修门，检修门为钢叠梁形式，高度可通过钢叠梁进行调节，冬季为满足生态水位需要，充当开敞式叠梁溢流堰形成了以自由溢流为主，闸门配合控制为辅的独特方式，改变现状全部利用泄洪闸门控制的泄水方式。

4.2 检修门参数确定

检修门（钢叠梁）基本特性参数为：孔口宽度为12.5m，分为3节，高度分别为1.5m、2.45m、2.45m（从上到下），3孔底高程均为41.0m高程，最大高度即要考虑检修门为5.5m（挡水高度5.2m加0.3m超高），又要考虑冬季作为过水堰调节流量（3孔堰顶高程45.9m）和保证闸门刚度及结构（单体钢叠梁高度不小于1.5m）的要求，确定检修闸门高度为6.4m。

钢叠梁设计2种形式的单体梁，分别为高2.45m和高1.5m。考虑可能的运用方式，共设6个高2.45m和3个高1.5m的单体钢梁。

图1 钢叠梁式溢流堰（检修门）示意图

4.3 闸门开启数量的确定

为了防止下扉门顶止水漏水结冰，闸门开度应小于20cm。根据进库流量调整闸门的开启数量。

①宽顶堰和实用堰流的泄流公式计算（当 H＜0.75m时）：Q=σcσsmbH03/2堰上水头为0.3m时，一孔泄水量为4.54 m3/s，3 孔为：13.62m3/s。

③根据2001年～2012年冬季日平均入库流量表统计，最大入库流量为51.1m3/s，入库平均流量为20m3/s左右。

④闸门开启数量确定：每年11月15日～3月14日，13孔全关，开启1孔大闸门调节，特殊情况可根据入库流量增开闸门数量。

4.4 闸门与门槽间结冰处理

采用便携式热鼓风机，通过高耐热软管和喷头，直接对准结冰部位进行热风融冰，工作面温度应在60℃度左右为宜，其次根据水情调度指令，提前预热，为了降低运行成本可采用即停即开的办法。

5 泄水方式的次生影响

由于门槽底坎为混凝土水平堰，增设的钢叠梁溢流堰，改变了泄水方式，形成了堰流，以平抛方式落入底坎上，日积月累的不停冲刷，势必破坏附近底坎混凝土并对工作门底坎产生不利影响。

根据生态水位46.2m要求，冬季溢流采用2节2.45m高的叠梁，落差为4.9m，另外依据冬季现场观测，水流速度0.3m/s。 根 据 平 抛 公 式 ：Vt2=V02+（gt）2，h=1/2gt2，t==1s，落入底坎的水流即时速度Vt≈10m/s。在即时冲量的作用下，底坎混凝土即将产生横向沟壑，导致原混凝土保护层受到破坏，露出钢筋并受腐蚀，使得该处混凝土强度逐渐降低，并将产生裂缝。为此每年闸门起落前需定期检测底坎混凝表面磨损程度及裂缝走向、深度等数据，为日后底坎修补提供科学依据。

6 结语

通过近几年的冬季运行检验，利用3扇检修闸门的叠梁组成的三孔叠梁堰，在水库蓄水位满足46.2m的要求下，水库最常来水时（20 m3/s左右），通过叠梁堰和大闸门联合控制，基本解决了大闸门顶止水冒水结冰的卡阻现象，操作简单，运行管理方便，保证了水库植物越冬和水库度汛的安全。应加强门槽底坎的破损观测，特别是水流冲刷及气蚀的影响，为日后修补加固提供科学依据；根据现场情况，可在水流跌入底坎处增设钢底板或耐冲刷的混凝土措施，另外为了保证堰流稳定且自由出流，应注意：堰上水头应大于2.5cm，避免水舌贴壁溢流，其次为了避免水舌下面形成局部真空，需在闸墩侧壁设置通气孔。同时，要注意观测检修门（溢流堰）前泥沙淤积情况，不断完善该运行方案。陕西水利