简易翻倒闸在山区中小河流治理中的应用分析

周成利

（广东省清远市水利水电勘测设计院有限公司，广东 清远 511500）

1 山区中小河流灌溉与减灾的矛盾分析

广东省大部分区域为山区或丘陵地带，有数量众多的中小河流，河道两岸分布有农田。由于山区局部暴雨强度大，洪水具有汇流时间短、河流河道窄，洪水位高，破坏性大的特性。由于山区中小河流河床比降较大，为引水灌溉河道两岸的农田，沿线大多建有较密集的灌溉拦水陂。经现场查勘，大部分陂头为当地村民自行堆砌的浆砌石或埋石混凝土陂，大部分陂头形状不规则，很多已经破损严重。由于未经过专业规划设计，拦水陂大多存在布置太密集和无泄水闸槽等问题，不规范的拦水陂导致洪水期雍水严重，淤积物常年淤积在拦水陂陂前，进一步导致河道行洪不畅，进而经常淹没两岸农田。

考虑到现状陂头大多具有引水灌溉功能，不能直接拆除来增加行洪能力，只能进行改造，即在满足两岸农田灌溉的同时增加河道行洪能力，降低洪水位，以达到防灾减灾的效果。

2 拦水陂改造常用型式及存在的主要问题

为了降低洪水位，根据中小河流治理工程经验，常见的工程措施是将拦水陂改造为插板闸和翻板闸。

1）插板闸。插板闸一般为平板钢闸门，在使用的时候需人工或其他设备将插板提起或放下，整个装置完全属于被动状态，不具备自动泄洪的功能，而绝大部分山区中小河流未完善暴雨洪情监视监测及预警设施，当河流形成洪峰时，已来不及安排专人开启闸门泄洪，因此，这类闸门并不适用于洪峰形成时间短的山区中小河流，且此类闸门的提升装置较为繁琐，需要定期维护，后期维护管理成本较高。

2）翻板闸。翻板闸方案的技术主体为水力自控翻板闸，此种类型的闸门广泛适用于各种大小水利工程，该装置能够根据水位的变化自动控制闸门的开启和关闭，在水流微小的情况下关闸蓄水，在水量大的情况下自动开闸放水，但是此类闸门机械机构较为复杂，闸门较重，闸门的启闭需要设置专门的电机进行控制，因此，此类翻板闸制造、维修以及后期运行管理的成本非常高。

以上两种闸门存在的问题或弊端造成其在山区中小河流治理工程中不能大面积推广使用，所以当下山区中小河流治理工程需要一款造价低，且具有自动泄洪功能的水闸来填补空白。

3 简易翻倒闸应用分析

3.1 简易翻倒闸结构特点及优势分析

本文推荐采用的简易翻倒闸其特点是自动泄洪、人工复位、简单实用、功能可靠、造价低廉、不易损坏、维修方便，非常适用于山区小型水利工程。这种翻倒闸在清远地区已经成功应用在多宗工程实例中，并经过多个完整汛期，运行情况良好，对降低洪水水位效果明显[1]。

该翻倒闸由闸室、闸门和旋转部件等组成，其中闸门上边缘设有溢流缺口。在非洪水期河道流量小的情况下，闸门靠自重竖立蓄水，水位处于缺口底到闸门顶之间，多余水量从闸门缺口溢出；在洪水期河道流量加大的情况下，上游水位升高超过闸门顶时，闸门失去平衡而向下游翻倒，敞开泄洪；洪水过后人工将闸门扶起复位[1]。

该翻倒闸相对传统的翻板闸有如下优势：①在相同闸前水位上升幅度下，该闸的翻倒力矩比传统的翻板闸增加约60%，大大增强自动泄洪的可靠性，并可抵抗一定程度的闸前泥沙淤积；②该翻板闸可兼做冲沙闸，降低整个拦河闸坝的成本；③该翻板闸构造简单，闸室流道无复杂构件，闸门紧贴侧墙转动，不容易发生闸门勾挂垃圾而造成不能开闸泄洪的问题。闸门在制作上采用了上轻下重的制作工艺，使人工复位更加轻松，而且人工复位完全消除传统翻板闸自动复位时经常被卡甚至被损坏的问题[1]。

翻倒闸门门体结构采用钢结构，考虑到闸门翻倒时的冲击力，以及需人工复位的要求，结合闸门设计和制作厂家的建议，闸门高度最好不超过1.5 m，闸门宽度最好不超过2.0 m，制作安装比较容易。

3.2 实例应用分析

清远市某山区中小河流治理工程中一拦水陂原为当地村民自行堆砌的灌溉拦水陂，拦水陂长度约12 m，河床面以上高度约2 m，采用浆砌石结构，陂顶到两岸地面仅余0.5 m 左右，未设置泄水槽或冲沙口，洪水期陂前壅水严重，行洪不畅，两岸农田经常受淹。

根据现状拦水陂存在的问题将其改造为简易翻倒闸，改造后的拦水陂两端为溢流堰，中间为简易翻倒闸，闸门规格采用4 孔1.7 m 宽、1.3 m 高的翻倒闸门组合，闸门顶溢流口尺寸为0.74 m×0.3 m（宽×高），即闸底以上正常蓄水高度为1.0 m，溢流口高程即正常蓄水位。剖面图如图1、图2 所示。

图1 拦水陂改造为简易翻倒闸横剖图

图2 拦水陂改造为简易翻倒闸纵剖图

拦水陂改造为简易翻倒闸后拟维持在正常蓄水位不变，工程设计时对拦水陂改造前后5 年一遇洪水时上下游水位差进行了计算，采用宽顶堰公式进行计算，具体如下：

式中 Q——过闸流量（m3）；

σ——淹没系数；

m——流量系数，取0.33；

ε——侧收缩系数；

B——过流宽度；

H0——堰上水头。

通过计算，拦水陂改造为简易翻倒闸后，只考虑拦水陂改造单一治理措施，闸上下游5 年一遇洪水位差由1.10 m 降至0.34 m，上游洪水位下降十分明显，整治后采用1.0 m 高的挡水闸门时，上下游水位差已降低了0.76 m（已经考虑上下游洪水位同时降低），雍水高度已较小。图3 为案例中拦水陂改造为简易翻倒闸前后对比照片。

根据闸门水平放置时力矩平衡原理，上述案例中1.7 m×1.3 m（宽×高）的闸门人工复位时所需的提力F计算公式如下：

式中 F——闸门复位所需人工提力（kN）；

r——闸门材质容重（kg/m3）；

d——闸门厚度（m）；

B——闸门宽度（m）；

H——闸门高度（m）；

图3 拦水陂改造为简易翻倒闸前后对比照片

Z——闸门转轴高度（m）；

b——闸门顶部缺口宽度（m）；

h——闸门顶部缺口高度（m）。

经计算，1.7 m×1.3 m（宽×高）的闸门人工复位时所需的提力F=1.8 kN，换算重量约为180 kg，两名成年男性可轻松将闸门扶起复位。

3.3 应用效果评价

案例中拦水陂改造为翻倒闸后，已经历了两个完整汛期，经实地调查和当地村委管理人员反馈，洪水期闸门均能自动翻倒，泄洪过程及时顺利，洪水过后，管理人员也能顺利将闸门扶起复位。在平水期和枯水期，通过闸门的拦蓄作用，均能满足两岸农田的灌溉需求。综上，通过简易翻倒闸的工程实际运用，轻松解决了山区中小河流灌溉与减灾的矛盾。

4 结 语

简易翻倒闸在山区中小河流治理的成功应用，既满足了河道两岸农田的灌溉需求，又实际解决了山区中小河流洪涝灾害频发的问题，而且其结构简单、造价低、不易损坏、维修方便的特点使后期运行管理成本大大降低，可以在山区中小河流治理或小型农田水利工程中进行推广。今后，还应结合不同工程治理理念，考虑生态和景观要求，进一步优化改进，以适应新时期水利工程建设发展需求。