浅析史河总干渠两座泄水闸金属结构设计

曾 华1，罗朝传，李冰源

(1.安徽省淠史杭灌区管理总局设计院，合肥，230088；2.四川大学水利信息化联合实验室，成都，610065)

1 工程概况

史河总干渠位于安徽省淠史杭灌区西北部，以梅山水库为水源，从梅山水库下游约9km的红石嘴渠首引水，是以灌溉为主、结合发电和城乡供水等综合利用的大型水利工程。总干渠长度42km，渠首进水闸设计引水流量145m3/s。

洪河泄水闸位于史河总干渠左岸0+250处，建于1992年，1993年投入运行。设计排洪流量为281m3/s，水闸上游为史河总干渠，下游为老史河，共计5孔，孔口净宽4.8m，闸上设计水位64.30m(总干侧)，闸下水位64.00m(史河侧)。

胡庄泄水闸位于史河总干渠左岸5+800处，1961年9月建成并投入使用。设计排洪流量为185m3/s，水闸上游为史河总干渠，下游为老史河，共计5孔，孔口净宽5.0m，闸上设计水位63.90m(总干侧)，闸下水位63.45m(史河侧)。

表1 史河总干渠洪河泄水闸、胡庄泄水闸工程特性

金寨县境内的洪家河从史河总干渠洪河及胡庄泄水闸泄入史河，故两座泄水闸是金寨县城洪涝防御体系的重要组成部分，共同承担史河总干渠进水闸至胡庄泄水闸区间68km2集水面积的泄洪任务，保护史河总干渠防洪安全。并可将总干渠水放空，以便渠道维修。

图1 洪河及胡庄泄水闸泄水闸工程位置示意

2 更新改造缘由

洪河泄水闸与胡庄泄水闸均为钢筋混凝土平面闸门、螺杆式启闭机，投入运行以来未进行大的维修加固，老化严重。存在门体漏筋锈蚀；止水破坏、漏水严重；滚轮锈蚀严重，启闭异常困难；闸门检修条件恶劣，无法吊出检修；启闭设备老化，已超过折旧年限等诸多问题。存在重大的安全隐患，根据批复意见对两座泄水闸闸门及启闭机进行更新改造。

3 闸门布置与设计

3.1 闸门总体布置和选型分析

总体布置是闸门设计中的关键性问题，既要因地制宜合理布局，又要满足工程管理部门的使用要求，优选经济合理的方案。洪河泄水闸为潜孔式，胡庄泄水闸为露顶式，本次更新改造均维持原有闸门型式。洪河泄水闸闸门布置在交通桥下游，维持原5孔，单孔净宽4.8m的闸孔布置。胡庄泄水闸闸门布置在交通桥上游，经方案比选后，由原7孔，单孔净宽3.5m，选用为5孔，单孔净宽5.0m。

根据两座泄水闸运行特点，闸门要具有承受各种静、动载荷的能力；能在动水中启闭；具备良好的结构和质量性能。因此，选择一种技术上可行、经济上合理、运行时可靠的门型十分重要。在灌区中型水闸及城市防洪、景观工程金属结构设计中，平面钢闸门运用十分广泛，克服了钢筋混凝土闸门结构笨重、安装维修不便、止水效果不好、启闭力大等缺点。红石嘴水利枢纽为省级水利风景区，史河总干渠右岸即为金寨县城，枢纽及史河总干渠两岸已成为群众休闲、观光的风景带。采用尺寸较大，结构合理的钢闸门，既与周边景观协调，也可利用水柱压力闭门以减小门重，配置较小容量的启闭机，减少运行费用，维护方便，因此，本次设计经分析采用平面钢闸门。

3.2 闸门设计参数

泄水闸闸门设计基本参数见表2。

表2 史河总干渠洪河泄水闸、胡庄泄水闸设计参数

3.3 闸门设计

3.3.1 面板设计

根据《水利水电工程钢闸门设计规范》(SL 74-2013)关于面板的计算，先估算面板厚度，在主梁截面选择之后再验算面板的局部弯曲与主梁整体弯曲的折算应力。

根据下式估算面板厚度：

表3 史河总干渠洪河泄洪闸、胡庄泄洪闸设计参数

3.3.2 主梁设计

因面板布置在上游，主梁除承受均布荷载外，还承受侧向水压力作用在边柱腹板上引起的轴向力，主梁按简支梁计算。

主梁为等荷载布置，其线荷载为：q=P总/n/L1(kN)(n为主梁根数，L1为止水宽度)。

q作用下的最大弯矩、剪力：Mmax(kN·m)=0.5qL1(0.5L+0.25L1)，RA=RB=0.5qL。

表4 主梁荷载及内力成果

表5 面板参与梁计算宽度

3.3.3 面板折算应力

当面板的边长比b/a>1.5，且长边布置在沿主梁轴线方向时，只需验算面板A点的折算应力：

表6 折算应力成果

经计算，区格长边中点的折算应力σzh<1.1a[σ]，满足强度要求。

3.3.4 闸门零部件计算

(1)滚轮：圆柱形滚轮与平面轨道，接触情况是线接触，其接触应力可按下式验算：

表7 滚轮接触应力成果

表8 容许局部紧接承压力和孔壁抗拉应力成果

(3)止水：洪河泄水闸为潜孔式，采用双向止水；胡庄泄水闸为露顶式，采用单向止水。

表9 止水成果

(4)门槽：洪河泄水闸门槽尺寸0.61m×0.32m(宽×深)，W/D=1.91；胡庄泄水闸门槽尺寸0.41m×0.30m(宽×深)，W/D=1.37，满足设计规范中的合宜宽深比要求。

(5)埋件：闸门埋件露出混凝土表面部分采用以材质Q235为基材的复合不锈钢板，轨道、门楣、底槛均为焊接构件，所有埋件均采用C30二期混凝土预埋，以确保其安装精度。

4 启闭机选型

启闭机选型布置应符合水工布置、门型、孔数及操作运行、时间要求，还必须满足技术先进、经济合理、操作可靠、安全运行、维修方便等要求，并尽量发挥启闭机在工程中的最大效益。经比较，两座泄水闸设计选用固定卷扬式启闭机，其具有结构紧凑、承载力大、运行平稳可靠、安装维护方便等优点，而且在启闭力和扬程方面有宽广的适应范围。

平板闸门启闭力计算：

(1)闭门力计算采用公式：Fw=nT(Tzd+Tzs)-nGG+Pt

洪河泄水闸和胡庄泄水闸启门力、闭门力及启闭机选型见表10。

表10 泄水闸启闭机容量计算

5 结语

根据《金寨县城市防洪规划》，史河总干渠洪河泄水闸、胡庄泄水闸是县城洪涝防御体系的重要组成部分。两座泄水闸于2011年完成更新改造，消除了史河总干渠安全隐患。工程完工以来，闸门及启闭机操作方便、运行良好，经受住2016年洪水考验，极大地缓解了城市防洪压力。洪河泄水闸、胡庄泄水闸的闸门设计和启闭机选型设计，为今后灌区中型水闸金属结构更新改造设计提供有益的借鉴。