广西郁江调水工程大雾坪输水渠双向挡水工作闸门设计

刘国瑞

(浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002)

1 前 言

双向挡水闸门常布置在内河与外江或河流与外海的交汇处，其特点是同一扇闸门既可以满足抵挡上游高水位的要求，又可以满足抵挡下游高水位的要求，一门二用，简化了水工布置，节省了工程投资。此类闸门可以借助水压方向的改变自动变换止水的方向，以实现引水、蓄水和防洪作用的变换，方便工程运行管理。本文以郁江调水工程大雾坪输水渠工作闸门为例介绍此类闸门的设计特点。

2 工程概况

根据广西计委、水利厅批复的《广西临海工业园供水水源工程规划报告》，钦州沿海工业园区供水所采取的中远期策略，就是先将郁江的水调至钦江，再从钦江引水经大风江输入金窝水库，然后从金窝水库向工业园区的水厂供水，工程建成后供水能力可达120万m3/d。郁江调水工程是特指将郁江水调至钦江，再从钦江引至大风江的工程部分。郁江调水工程涉及调出和调入两大流域，调出流域即郁江流域，调入流域有钦江流域和大风江流域。

郁江调水工程调水水源地位于郁江西津水库库区支流沙坪河，输水路线是通过引水隧洞实现从沙坪河调水至钦江支流小西江，通过小西江自流引水到钦江久隆镇，经青年水闸调节后，钦江河水通过钦江支流大雾坪河～大风江支流那庆河输水线路实现自流引水到大风江。涉及的工程点有沙坪河输水隧洞进水口、小西江及钦江输水走廊、钦江支流大雾坪河引水口、大风江支流那庆河出水口。大雾坪河为钦江的一级小支流，位于久隆镇下游约1.3km，郁江水调入钦江后，将通过疏浚支流大雾坪河及开挖渠道，全明渠自流引水至大风江支流那庆河那庆村支流口。大雾坪输水渠设工作闸门1道，位于大雾坪桥下游100m处，距钦江约500m，其上游设检修闸门1道。工作闸门的作用是枯水期调节从大雾坪河向那庆河引水的流量，以满足工业园区用水要求，最高引水位8.9m;汛期，要求工作闸门不但能够抵挡大雾坪河的洪水，还要能够在那庆河的洪水水位超过大雾坪河时防止河水倒流，彻底截断引水流道。因此本闸门需要双向挡水，闸门孔口尺寸4.5m×3.4m(宽×高)，底槛高程5.5m，操作条件为动水启闭，且可以局部开启以调节引水流量。

3 闸门运行工况及相应水压力

进行门叶结构设计，首先要了解闸门的各个特征水位及其操作条件，然后才能有的放矢，从门叶结构上逐一满足工程需要。本闸门运行操作存在以下三种控制工况(闸门两侧水位差相对最大的工况):

(1)枯水期(闸门两侧水位皆小于8.9m)，闸门可动水启闭，以调节从大雾坪河向那庆河引水的流量，此时那庆河侧大风江流域的最低可能水位低于闸门底槛。大雾坪河水位超过8.9m即动水闭门，不再引水。

(2)汛期，大雾坪河侧钦江流域洪水水位达13.69m(P=5%)时，闸门拦挡大雾坪河侧洪水，此时那庆河侧大风江流域的最低可能水位低于闸门底槛。

(3)汛期，那庆河侧大风江流域洪水水位达15m(P=5%)时，闸门拦挡那庆河侧洪水，此时大雾坪河侧钦江流域的最低可能水位为8.5m。

各工况闸门承受最大水压力见表1。

表1 闸门运行控制工况

从表1可看出:

(1)工况1闸门拦挡上游(大雾坪河侧)水位，且此时有动水操作要求。工况2闸门拦挡上游水位，无操作行走要求。工况3闸门拦挡下游(那庆河侧)水位，无操作行走要求。

(2)工况2水头虽然比工况3大，但门叶结构所承受的最大水压力反而比工况3小，因此，门叶结构强度应按工况3进行计算。工况2与工况3均为挡水工况，没有操作行走要求。

(3)工况1为动水操作，因此，闸门行走支承设计及启闭设备容量选择应按工况1进行控制。

4 门叶结构设计

双向挡水闸门一般采用门叶和水封结构都较容易制作安装的平面闸门型式，以保证闸门的双向止水效果。本闸门采用平面滚轮钢闸门，双吊点启吊。闸门的特性见表2。

表2 闸门特性

门叶采用焊接结构，设3根实腹式焊接组合工字形主梁及3根纵隔板，主梁支承于边柱上，纵隔板兼作竖直次梁并支承于主梁上;水平次梁为连续梁，它通过纵隔板上的预留孔并支承在纵隔板上;闸门梁格为等高布置。当大雾坪河侧水位较高时，闸门存在引水要求，需动水启闭且可局部开启，此时为了防止流水携带污物堵塞门槽和悬挂在梁系结构上，引起闸门启闭卡槽造成危险，设计时将闸门面板和水封均布置于大雾坪河侧;面板兼作主梁的前翼缘，闸门双向止水。正向主支承布置在那庆河侧以承受大雾坪河水压，并有行走要求;反向主支承布置在大雾坪河侧以承受那庆河水压，侧向导承布置于那庆河侧。闸门底缘下游倾角37°，满足规范规定的不小于30°的要求。

闸门的总体布置见图1。

5 支承行走机构的选择

平面闸门的支承行走机构的型式按闸门启闭时的阻力不同分滑动式与滚动式两大类。双向挡水闸门的支承行走机构的特点为正反向均为主支承，正向主支承在设计过程中还要综合考虑支承和行走两方面的因素。根据表1比较结果，大雾坪河侧水位较高时，闸门不但需要挡水，还存在动水操作要求，因此采用摩阻力较小的简支滚轮(外径φ500mm)作为正向主支承，既满足了承载力要求又获得了较小的启闭力;那庆河侧水位较高时，闸门仅存在挡水要求，因此采用结构简单但承载能力强的钢滑块作为反向主支承，此时尽管钢滑块摩擦系数较大，但由于不存在行走要求，所以并不影响使用。如此布置，闸门的支承行走机构布置紧凑，避免采用大规格的滚轮，方便了制作也使质量容易得到保证。侧向支承采用悬臂侧轮，以有效降低闸门启闭时左右晃动的幅度，避免闸门因左右倾斜而卡阻。

6 止水装置设计

止水漏水会引起闸门产生振动和空蚀，导致闸门结构、埋件以及止水本身的破坏，影响闸门的正常工作。对双向挡水闸门而言，闸门止水效果更是设计、制造、安装的难点。

图1 门叶总图(mm)

本闸门顶止水、侧止水及底止水均布置于大雾坪河侧，顶、侧止水采用双音符形特制止水，其止水效果随着水压方向的变换在形式上是上游止水和下游止水的变换，在设计过程中应同时考虑这两种形式的特点。作为上游止水的潜孔闸门，由于门叶顶梁和主支承受水压作用而产生的变形方向与止水预压方向相反，所以要求止水必须有足够的预压缩量以确保止水效果;反之，作为下游止水的潜孔闸门，由于门叶顶梁和主支承受水压作用而产生的变形方向与止水预压方向相同，所以要防止止水压缩量过大而导致橡皮磨损大、耐久性差。两者作为一个矛盾共同存在于双向挡水闸门。止水橡皮是通过受水压力作用变形和预压缩而压紧水封座板达到止水效果，在闸门刚度一定的前提下，闸门前后水位差越大，止水效果越容易得到保证，但是双向挡水闸门水压方向变换过程中必然存在闸门前后水位差很小的特殊时段，要保证这一特殊时段闸门不漏水，要求其止水橡皮必须始终保持一定的预压缩量。

考虑到门槽埋件施工精度常控制在±5mm范围，而门槽的施工一般存在正偏差，设计门叶门槽关系时就要在可保证的施工精度范围内使闸门既不卡槽又止水严密，因此门体与门槽间的间隙取6mm。本闸门包含支承在内的门体总厚度为814mm，门槽宽度820mm(见图2)。

图2 门叶门槽关系图(mm)

不锈钢水封座板厚取8mm，因此在闸门上游止水形式(大雾坪河侧水位较高)时，止水橡皮最小预压缩2mm，在下游止水形式(那庆河侧水位较高)时，止水橡皮最大预压缩8mm。在结构设计时，保证门叶的刚度，使顶主梁最大挠度不超过1mm，从而确保上游止水形式时止水严密，并避免下游止水形式时橡皮产生过大的压缩量。同时，为保证止水严密并降低止水与座板之间的摩阻力，对不锈钢止水座板应进行机加工。为避免橡皮圆头翻卷及压板边缘切割橡皮，止水压板的边缘加工为圆弧状。为了减少止水与座板间的摩阻力，并提高止水的耐磨性，顶、侧止水的材料均采用橡塑复合型橡皮。底止水采用条形止水，止水预压缩5mm，考虑压缩后体积膨胀的因素，以及使水流流态良好，底止水下端切成45°坡口。各止水之间的连接采用热胶合，以消除止水橡皮接缝处的漏水隐患。

此外，应严格控制门叶和门槽的制作安装精度，并做好全过程数据记录，为后续工作提供依据。施工中应根据门槽现场实测数据，对门叶上的钢滑块和水封垫板采取现场调节尺寸和现场安装，以控制门叶总厚度和水封高度，使门叶和门槽的配合满足止水要求。

7 结束语

本文对郁江调水工程大雾坪输水渠工作闸门的设计作了简要介绍，对闸门的运行工况以及门叶结构、支承机构、止水装置的设计等关键问题进行了具体的分析和研究，并提出了相应的解决方案，供工程设计、制造及运行管理单位参考。随着城市供水、防洪和沿海开发得到重视和加强，双向挡水闸门必将得到越来越广泛的应用。进一步探讨和深入研究双向挡水闸门的技术特点是一件很有意义的事情。