双向分层取水闸门优化设计与应用

2016-09-28 03:41杨小宸
东北水利水电 2016年1期
关键词:大潮闸室闸门

杨小宸

(辽宁省水利水电科学研究院,辽宁沈阳110003)

双向分层取水闸门优化设计与应用

杨小宸

(辽宁省水利水电科学研究院,辽宁沈阳110003)

本文针对取水或排水工况较为复杂的情况,为满足取用不同层次水体的需求,优化设计了一种操作简便灵活、具有双向止水效果的双向分层取水闸门结构,并在锦州凌海市得到实际应用,具有一定的推广和应用价值。

水闸;双向分层取水;优化设计;应用

1 概述

水闸是一种重要的取水建筑物,能够为灌溉、养殖、城镇供水、水力发电等用水系统提供必要的水源。但深层水质往往存在泥沙淤积、水质恶化等问题,因此,通过建立分层取水水闸,取用不同层次的水体,可实现取水水质的改善。

目前能够实现分层取水的闸门型式主要有叠梁式和双扉闸门。叠梁式闸门由多节闸门叠加组合,由启闭机和自动挂脱梁逐节取出闸门实现分层取水,但操作运行不灵活,渗漏量略大,且另需门库供其存放,多用于检修闸门或临时挡水之用。双扉闸门由两扇平面闸门上、下搭接而成,前后错开布置,上扉门相当于一道活动胸墙。双扉闸门可双向挡水,并可分别启闭,两扇闸门共用一套闸槽和一套启闭设备,这种闸门型式能够降低排架高度,但其结构复杂,启闭系统造价高,操作过程繁琐。因此,本文针对取水和排水工况较为复杂的情况,在双扉闸门基础上,优化设计了一种操作简便灵活、具有双向止水效果的分层取水闸门结构,以满足取用不同层次水体的需求。

2 闸门优化设计

双向分层取水闸门主要组成部分包括上、下双层闸门及启闭机,闸底板、闸墩、隔水板、门槽、排架等结构。闸门的运用特点是操作简便,运用灵活,当需要取上层清水时,单独开启上层闸门;当水质较好,或需要大量取水时,可同时开启上、下层闸门;而当需要排放下层浑水时,单独开启下层闸门。结构示意图如图1所示。为实现双向分层取水效果,在以下方面进行了优化设计。

2.1闸门及启闭设备

双向分层取水闸门按上下双层设计,前后交错布置,工作闸门选择双向止水铸铁闸门,每座闸门由单独的启闭机独立控制,分析计算闸门的启门力和闭门力,通过筛选计算参数,从而确定闸门的较优的断面尺寸,最后优选确定启闭设备。计算公式如下:

启门力(kN):T启=9.8(1.2SHf+1.1G-0.9V)

闭门力(kN):T闭=9.8(1.2SHf+0.9G-1.2V)

式中:1.2,1.1,0.9——修正系数;S——过水口面积,m;H——过水口中心至设计水位高度,m;G——门板自重,t;f——止水座摩擦系数,f铸铁-铸铁=0.35,f铸铁-青铜=0.26,f不锈钢-青铜=0.30;V——门板排开水的体积,m3。

该闸门选择的启闭设备主要优点是结构简单,避免了闸门启闭系统过于繁琐带来的弊端,能够根据不同的工况,采取相应的启闭方案,操作简便灵活。

2.2隔水板

由于闸门之间止水难以处理,因此设计时在每座闸门两侧均设置一层隔水板,并在隔水板与闸门连接处增设了止水装置,可实现双向止水。隔水板尺寸可设计较小,可认为对取水的影响是较小的。

3 应用实例

以辽宁省凌海市某围海养殖工程为例,该工程通过修筑海堤和穿堤纳潮闸,吸纳潮水形成内湖,进行围海养殖,对养殖水质有一定的要求。

图1 双向分层取水闸门结构示意图

3.1水文地质特征

项目区潮汐特性为不规则半日潮,根据附近葫芦岛海洋站潮位资料,50年、20年和10年一遇设计潮位分别为2.79 m,2.69 m和2.60 m。项目区常浪向南南西,频率为34.02%;强浪向为南南西,实测最大波高2.6 m。项目区所处地貌单元为冲海积平原、滨海滩涂,岩性主要为粉土、粉质粘土、粉土夹粉质粘土等,局部夹粉砂薄层。各岩土层的地基允许承载力较低,具中等~高压缩性,抵抗沉降变形能力差;土层属微透水层~弱透水层,渗透变形为流土型;抗震设防烈度为6度。

3.2运行工况要求

根据围海养殖工程对纳潮量和水质的要求,拟建纳潮闸需实现以下3种运行工况:

工况一:为工程完工后的首次纳潮,在大潮高潮位期间,同时开启上层、下层闸门,将大量潮水引入内湖,内湖最高蓄水位为2 m,纳潮量约为1 000万m3,要求在1个月内通过2次大潮纳满。

工况二:首次纳潮后,需根据实际情况,定期纳潮补水,补偿养殖、蒸发、渗漏等水量损失。由于工程地附近淤泥含量较多,深层水质多较浑浊,因此纳潮补水时需补表层清水,保证内湖水质。开启上层闸门,利用大潮高潮位,引表层清水入内湖。

工况三:为了保证内湖水循环,还需定期利用低潮位排放底层浑浊水体,一方面促进内湖水流动,另一方面减少浑水,能够进一步改善内湖水质。利用外海低潮位,开启下层闸门,将内湖底层浑水排出。

3.3纳潮闸结构设计

综合考虑地质、水流、潮汐等因素,共需修建4座纳潮闸,根据现状底高程情况,确定闸门底高程为0.8 m。穿堤纳潮闸所在海堤设计标准为20年一遇,确定纳潮闸设计标准为20年一遇,因此设计水位差为1.89 m。为满足不同工况下的取水需求,选用本文的双向取水闸门结构,每座纳潮闸闸室长6 m、宽20.6 m,共设6孔,单孔宽2.5 m,采用双向止水铸铁闸门,闸门孔口尺寸为2.5 m×1.0 m(宽×高),闸门间隔水板厚0.15 m。经启闭力计算,最大启门力为25.2 kN,最大闭门力为11.7 kN,因此启闭设备选择手电两用单吊点螺杆启闭机QL-50 kN。纳潮闸所处为海水浪溅严重且冬季结冰海域,闸室均采用C35,W6,F300钢筋混凝土。

3.4纳潮闸水力分析

纳潮闸纳潮能力需满足工况一的要求,按平底宽顶堰堰流情况,过流能力计算式为:

式中:Q——过水流量,m3/s;H0——计入行进流速的进口水头,m2,其中H为闸前水位,v为上游行近流速(m/s),α为动能修正系数;σ——淹没系数,当hs/H0≤0.72时取为1,当hs/0.4H0=0时,其中hs为由堰底算起的下游水深;ε——侧收缩系数;m——流量系数,可采用0.385;B0——闸孔总净宽,m。

工况一要求在1个月内两次大潮期间纳满内湖,即纳潮量达1 000万m3。本文根据项目区附近锦州大笔架山海洋站2008年潮汐表统计分析,选取处于平均水平的5月份大潮过程作为典型潮位过程,当外海水位高于内海水位时,将向内海吸纳潮水,通过积分计算,得到经过两次典型大潮过程后,纳潮量为1 059.67万m3,能够满足工况一的纳潮需求。

3.5闸室稳定分析

对完建工况及3种运行工况均需进行稳定性分析,作用在闸室上的荷载主要有结构自重、水重、水压力、扬压力、浪压力、风压力等,各工况的计算条件及作用于纳潮闸的荷载组合见表1。

闸室稳定分析主要考虑闸室的抗滑稳定性和基底应力。闸室抗滑稳定通过下式计算:

式中:KC——抗滑安全系数;f——闸室基础底面摩擦系数,取0.2;ΣG——作用于基础底面上的全部竖向荷载,kN;ΣH——作用于闸室上的全部水平荷载,kN。

表1 闸室稳定分析荷载组合

闸室基底应力按下式计算:式中:Pmmainx——闸室基底应力的最大值或最小值,kPa;L——闸室垂直水流方向的长度,m;B——闸室顺水流方向的长度,m;e——偏心距,m。按下式计算:式中:ΣM——作用于闸室各力对底板前趾的稳定力矩,kN·m;ΣM0——作用于闸室各力对底板前趾的倾覆力矩,kN·m。

闸室稳定分析结果见表2。表2中,[KC]和[η]为规范允许值,[R]为基底允许承载力。结果表明:闸室抗滑安全系数大于规范值,抗滑稳定满足要求。闸室不均匀系数小于规范值,满足要求。闸室平均基底应力不大于地基允许承载力,最大基底应力也不大于地基允许承载力的1.2倍,但基底应力最大值大于地基允许承载力,由于项目区地质条件较差,为安全起见,在每座纳潮闸闸室下均匀布置18根钢筋混凝土钻孔灌注桩进行基础处理,桩长19.5 m,以粉砂层为持力层。

表2 闸室稳定分析成果表

4 结  语

本文设计的双向分层取水闸门在凌海某养殖工程中得到实际应用,初始纳潮时同时开启上、下闸门,经水力分析,纳潮量能够满足一个月两次大潮期间纳满的要求,高潮位补水时开启上层闸门取表层清水,低潮位时开启下层闸门排出底层浑水,加快内湖循环。完建工况及运行工况下,闸室均能满足抗滑稳定和基地应力要求。本文提出的闸门型式结构简单,能够实现双向分层取水,且操作灵活,便于检修,适用于具有分层取水要求的中小型水利工程建设,具有广阔的推广与应用价值。

TV663+.9

B

1002-0624(2016)01-0014-02

2015-09-20

猜你喜欢
大潮闸室闸门
第五课:中国青年投身改革开放的大潮
重力式衬砌闸室墙的刚体极限平衡法分析
有压泄洪洞出口闸室滑移原因分析及修复设计
高陂水利枢纽船闸闸室应力特性分析
水利工程闸门的管理及维护措施
5G手机大潮即来
把住医保基金水池闸门
大尺度、低水头船闸闸室消能工研究
找准入口,打开思路的闸门
《神威启示录》系列报道四 大潮退去看“裸泳”