后水河水库加高工程进水口倾斜事故闸门设计

□徐国杨(贵州省水利水电勘测设计研究院)

1 概述

后水河水库位于贵州省绥阳县蒲场镇，距离贵阳210km。工程所在地绥阳县位于贵州省高原北部，遵义市中部。绥阳县地处长江经济带和重庆经济辐射区，是一个以汉族为主，包括苗、彝、壮、布依、土家、仡佬、侗族等23 个民族的多民族聚居县。

后水河水库位于长江流域乌江水系二级支流（一级为湘江）仁江左岸的一条支流——后水河上游，为已建的一座以灌溉为主，兼有发电的中型水库。坝址以上流域面积92.20km2，多年平均年径流量5866 万m3。工程枢纽包括拦河坝（含冲砂底孔）、溢洪道、坝后电站、取水建筑物等。

引水发电系统布置于大坝左岸，由进水口、钢筋混凝土渐变段、老坝体取水管道、新坝体压力钢管及地面厂房等组成。岸塔式取水口进口底板高程903.25m，取水口仍沿用已建结构，不设置新的取水口。顺水流方向设置有一扇固定式拦污栅和一扇事故闸门。布置型式如图1所示。

2 闸门设计选型

图1 布置型式图

本工程为改造工程，在原来坝址上进行加高扩建，因工期较紧，要求扩建工作量越小越好，因而考虑沿用老坝址进水口的型式，即斜坡式进水口。此种布置形式结构简单，施工、安装方便，稳定性好，工程量小，较适合本工程。由于闸槽倾斜，使闸门尺寸及启闭力略有增大，闸门布置形式也受到一定的限制，闸门不易靠自重下降，这些都是设计时需考虑的重点和难点。从布置形式上来看，选用平面闸门较为合适，选用滑动闸门和定轮闸门均可。滑动闸门结构简单，各种环境适应性较好，但其滑动摩擦系数高，但会导致启闭力增加，增大启闭机排架，提高造价。平面定轮闸门在我国的应用较为广泛，无论从设计理论、制造工艺、安装和运行维护管理经验等方面较为成熟。链轮闸门支承压力分布均匀，支承行走部分尺寸小，门槽宽度与同等规模的定轮相比要小得多，对改善水流条件和空蚀特性非常有利，但链轮门不宜做局部开启运行且造价较高，链轮门较适用于高水头及大孔口的工况。因本工程设计水头不高，孔口尺寸不大。综合考虑，本工程事故闸门选用下游止水的平面定轮钢闸门。主要参数见表1。

表1 设计特征参数表

3 闸门设计原则

本闸门设计计算参考垂直式平面定轮闸门进行，采用平面计算理论容许应力值法，但设计计算时需要考虑倾斜度的影响。本闸门的设计荷载主要有：水压力、水柱压力、加重、支承行走阻力、水封摩擦阻力、闸门自重及启闭力等。因为孔口位置较高，可不考虑泥沙压力的影响，但因本闸门为事故闸门，有动水条件下关闭闸门的工况要求，因此需考虑了动水作用的影响。支承行走和水封摩擦阻力的计算，摩擦系数按规范附录N 选用。水封摩擦系数按橡塑复合水封对不锈钢偶合选取，主支承轴承摩擦系数按钢基铜塑复合材料对镀铬钢偶合选取。主要设计依据最新版《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL74-2013）的相关规定进行，最后利用三维软件Solidworks 进行了模拟仿真，较验设计成果。

4 闸门设计成果

闸门型式采用悬臂轮式平面定轮钢闸门，止水及面板设置在闸门的下游面，顶侧止水为P45A 型橡皮止水，底止水为I110-16 刀型橡皮止水，底止水与侧止水及顶止水采用交叉搭接，以保证止水的整体性及密封效果。梁系采用同层布置，主梁等荷载原则布置，采用3 根主梁的型式。主梁按简支梁计算，主梁高度为390mm，考虑加重块闭门的影响，采用全主梁布置型式。纵隔板设置2 列以保证主梁的稳定性及闸门的刚度。主支承采用悬臂式主轮，轮径φ500mm，材料ZG310-570，主轮有单边轮毂以作侧向限位及反向支承。轮轴轴径120mm，材料45#。轴套用钢基铜塑复合材料轴套。门重2.70t，配重2.40t，配重为铸铁块。闸门运行条件为动闭静启，配置1 台水位差计，用于监测闸门在启门前的充水平压情况。该闸门平时锁定于门槽顶部的检修平台上，当下游供水管道等建筑物出现事故或需要检修时，动水闭门，检修完毕后小开度提门充水平压，然后提升闸门至检修平台处锁定。门槽埋件设置有主反轨、门楣及底槛等，埋件重量5.80t。为了满足闸门的补气要求，在靠近闸门的下游胸墙附近设置了φ350 通气孔。启门力选取持住力与启门力（小开度，全水头）中的较大值161kN，以计算启门力选用启闭机容量。选用一台固定卷扬式启闭机，型号QPG-250-47.00m，容量250kN，扬程47m，操作方式为电动。为防止斜拉时钢丝碰触混凝土增大启闭力及损坏钢丝绳，特在排架梁上设置了钢丝绳导向装置。为防止污物进入取水管道，在排架靠水库一侧自下而上铺设带孔式的预制混凝土盖板。

5 结语

从计算结果可知，倾斜门相较垂直式闸门来说，闸门尺寸、总水压力及启闭力均有所增加。就本工程而言，总水压力增加0.10%，启闭力增加1%。由此可见，对于小孔口及低水头来说，此两种布置形式差别不大。整体来看，计算及制造难度均有一定程度的增加，但设计理念相同，只需要重点解决斜度带来的影响。从运行情况来看，倾斜式闸门运行稳定，只是退出孔后，入槽较垂直式难。故此类型闸门对闸门门体及埋件有较高的制造、安装精度要求。因布置型式的特点，导致检修条件较差。今后整体设计时需解决此类问题，创造有利的检修条件。选用固定卷扬式启闭机直接斜拉，未设置转向滑轮，启闭机排架设计时需考虑水平分力的影响，对启闭排架的稳定性及强度提出更高的要求。