凌源市虎头石拦河闸除险加固设计

田　凯，修德禄，史晓东，马王禹泽

（1．营口市水利勘测建筑设计院，辽宁营口115000；2．中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130021）

凌源市虎头石拦河闸除险加固设计

田凯1，修德禄1，史晓东2，马王禹泽2

（1．营口市水利勘测建筑设计院，辽宁营口115000；2．中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130021）

为了确保凌源市虎头石拦河闸的安全稳定运行，经过安全鉴定需要对其进行除险加固设计。加固后的虎头石拦河闸由水力自动翻板闸、冲砂闸和引水闸等建筑物组成，针对拦河闸淤泥问题加固设计增设了水力自动翻板闸辅助冲砂系统，可以有效地解决拦河闸上下游河道淤积问题，处理好排砂和引水的矛盾。该设计具有一定创新性，对同类拦河闸工程具有相当借鉴意义。

除险加固；水力自动翻板闸；辅助冲砂系统；虎头石拦河闸

1　工程概况

虎头石拦河闸位于凌源市叨尔登镇虎头石村，拦河闸位于青龙河流域干流上，该工程始建于1993年，并于当年交付使用，在2000年进行了除险加固，该拦河闸主要功能为灌溉和引水发电。现状工程由3孔引水闸、1孔冲砂闸和23孔水力自动翻板闸组成。水力自动翻板闸单孔净宽为7m，总长为162.32m；发电厂房位于拦河闸下游约2.5km处，电站进口与厂房由暗渠连接，电站总装机容量1600kW，多年平均发电量593万kW·h；工程灌溉面积为12hm2。

虎头石拦河闸位于凌源市叨尔登镇虎头石村，青龙河流域干流，属东亚季风气候，多年平均降水量为461.3mm，多年平均气温为8.3℃，极端最高气温为43.3℃，极端最低气温-29.5℃。多年平均风速2.5m/s，历年最大冻土深139 cm。闸址多年平均悬移质输沙量为364×104t，多年平均推移输沙量为72.8×104t，闸址多年平均来沙量为437×104t。

虎头石拦河闸建在青龙河上游河段，属辽西中低山区，山顶呈长梁状，岩石裸露，植被不发育。河谷宽阔，河床较窄，河流蜿蜒曲折。两岸为一级阶，一级阶地较发育，阶地较平坦，高出河床1～3m，河床宽150～180m，阶地后缘为中低山地形。地层岩性覆盖层为第四系全新统冲洪积层粉土、砂、圆砾等，闸址区基岩为燕山早期二长花岗岩。工程区地震基本烈度为Ⅶ度，地震动峰值加速度为0.10g。地质构造受区域性断裂控制，钻孔岩芯未见构造迹象。现状拦河闸为毛石混凝土基础，厚6.0～9.0m，建基在强风化二长花岗岩上，强度均可满足要求。闸基基本无渗漏及稳定等工程地质问题。

2　建设的必要性

工程经过多年的运行，由于观测及维修资金未及时到位，工程主体出现不同程度的破损，目前已经严重影响了拦河闸的正常使用功能。2009年4月凌源市水利局组织对该水闸进行安全鉴定工作，发现工程存在的主要问题如下：

1）水力自动翻板闸上、下游河道淤积严重，其中左侧10扇水力自动翻板闸底板高程低，其上游淤积情况相对较轻，但中部6扇和右侧7扇水力自动翻板闸上游淤积较为较重。由于水力自动翻板闸下游无消能设施，下游河道淤积严重，现阶段下游河段部分河道已被淤泥覆盖，其中左10孔水力自动翻板闸底板下游30～50m范围内河床下切，形成冲坑，冲坑下游产生淤积，最大淤土高度近乎与水力自动翻板闸顶齐平，中部6扇和右侧7扇水力自动翻板闸下游淤积尤为严重，淤积土体已发展至闸后。

2）水力自动翻板闸底板、支墩、翼墙等构造物破损严重，无法正常运用；水力自动翻板闸闸门板破裂；直臂、支座锈蚀严重，不能翻转；面板间接缝处及面板底部止水不严，现有多处发生严重渗漏；面板接缝砂浆抹缝局部脱落，面板接缝处现已出现渗漏现象。

3）冲砂闸和引水闸底板均被冲淘的卵石掩埋，导致闸门底部止水不严。冲砂闸及引水闸均采用平板钢闸门挡水。面板梁系构体防护涂层基本完整，局部出现锈蚀起皮。橡胶止水老化，龟裂、局部变形，损坏。闸门槽埋件锈蚀严重。

经过鉴定，目前虎头石拦河闸过流能力、闸室渗透稳定、下游消能防冲以及主体建筑物强度和耐久性均不能满足要求，鉴定虎头石拦河闸安全类别评定为三类闸。目前拦河闸存在严重安全问题，对其周边及下游地区的防洪也存在较大的安全隐患，因此亟需对拦河闸进行除险加固设计。

3　拦河闸加固设计

依据虎头石拦河闸安全鉴定的结论，对虎头石拦河闸工程进行除险加固设计，加固后的拦河闸需在满足规范要求的泄洪能力的前提下，解决好拦河闸上、下游河道淤积问题，尽量处理好排砂和引水的矛盾，使其提升原设计的使用功能，让其稳定长久的发挥效益。虎头石拦河闸加固设计将原水力自动翻板闸闸门拆除，更换为新型水力自动翻板闸，并增设水力自动翻板闸辅助冲砂系统，闸室底板拆除1～2m，底板以下毛石混凝土基础保留，新增下游消力池及海漫；冲砂闸底板拆除1.0m，底板以下毛石混凝土基础保留，上部结构全部拆除重建，新增下游消力池及海漫；引水闸底板拆除1.0m，上部结构全部拆除重建。

鉴于虎头石拦河闸工程下游居民及耕地稀少，防护对象的重要性为一般，经综合分析确定该工程等别为Ⅱ等，工程规模为大（2）型，主要建筑物级别为3级，次要建筑物为4级。

3.1水力自动翻板闸

加固后拦河闸主体仍为水力自动翻板闸，轴线长162.60m，共布置20孔水力自动翻板闸，单孔净宽8.0m，闸高2.5m。闸室前设置3.0m长块石护脚。闸室顺水流方向长10.0m，闸底板高程为287.61m，堰高0.31m，底板厚1.7m，中墩厚1.0m，上下游墩头为半圆弧形。在拦河闸下游布置工作桥，桥宽1.6m。示意图见图1。

由于该地区水土流失严重，加之闸门挡水拦蓄，闸前水位增高，流速降低，极易在闸前形成泥砂淤积，连续几个枯水年之后，闸前容易造成泥砂淤积较多而造成翻板闸转动不灵，洪水期不能翻转影响行洪，因此工程设计中针对拦河闸泥砂淤积问题增加了水力自动翻板闸辅助冲砂系统。原拦河闸当闸前淤积一定厚度的泥砂之后，泥砂压力的重心低于转轴，形成被动力矩，而使水压力主动力矩小于自重被动力矩与泥砂被动力矩之和，闸门便翻转失灵。为解决上述问题，在闸门肋板顶端施加拉力，形成主动力矩，克服泥砂压力形成的被动力矩，便可使翻板板门重新翻转，翻转后闸门泄水带走泥砂，翻板闸运行恢复正常。

该工程自动闸门宽8.0m，闸门设两道竖向混凝土肋板，肋板间距4.4m，为闸门面板的支撑梁。辅助拉力施加在肋板的顶端，采用钢丝缆绳顺河道方向拉动。由于闸门翻转后过流，下游侧直接操作易受水流冲刷，工作条件危险，因此闸下游增设滑轮组，利用滑轮组改变拉力方向，使拉力垂直河道而更易于在岸边操作。下游增设工作桥，便于工作人员进行钢丝缆绳连接与松绑、检修、维护，辅助冲砂系统如图一所示。左岸冲砂闸闸墩顶平台布置一台6t的卷扬启闭机，进行拉动闸门与放松闸门。

辅助冲砂系统的工作拉力计算，翻板闸闸门高2.5m，为计算闸门辅助拉力，可先假定泥砂淤积厚度为0.5m进行分析，确定合适的闸门拉力。计算时假定闸门拉动冲砂时的水位为河道正常蓄水位，如果洪水期拉动闸门，则所需的拉力更小。根据力矩平衡原则计算，主动力矩与被动力矩和为零时，闸门开始转动。当闸前淤积高度为0.5m时，单根钢丝缆绳的拉力为2.64t。此次设计选用滑轮组的规格为5t，卷扬启闭机6t。在实际运行过程中，应密切观察闸前淤积情况，及时开闸冲砂，确保闸前淤积高度不大于0.5m。正常蓄水位情况下，0.5m深泥砂，辅助冲砂系统的工作拉力计算结果：水影响，水深2.50m，闸前水压力25.00t，力臂0.39，水翻动力矩9.75t·m；泥砂水平分力影响，泥砂淤积深0.5m，闸前泥砂压力0.159t，力臂-0.28，水翻动力矩-0.04t·m；泥砂垂直沿斜面压力影响，闸前泥砂压力0.6t，力臂-1.49，水翻动力矩-0.89t·m；闸门阻力矩-19.25t·m；卷扬拉力，单根钢丝缆绳拉力2.64t，卷扬力矩10.4t·m，合力矩为0.0。

图1　水力自动翻板闸示意图

通过过流能力计算，当水力自动翻板闸全部开启，遭遇20年一遇洪水时，上游水位293.32m，相应下泄洪峰流量3417m3/s，设计流量为3410m3/s。当遭遇50年一遇校核洪水时，右岸滩地过流，上游水位295.84m，相应下泄洪峰流量6089m3/s，校核流量为6080m3/s，水力自动翻板闸过流能力满足要求。

通过消能防冲计算，在水力自动翻板闸下游设置长20.26m、深1.0m、底板厚1.0m的消力池，以及长33.0 m、厚0.5m的格宾石笼海漫，用以控制闸后水流，改善水流条件。

3.2冲砂闸

加固后的冲砂闸闸孔尺寸与原闸相同，为3.0m×3.8冲砂闸下游采用底流消能，经消能防冲计算，消力池长18.26m，底板厚1.0m，底板顶高程285.92m；格宾石笼海漫长33.0m，厚0.5m，顶高程286.92m。

m（宽×高），闸墩厚0.80m，闸室前设置3.0m长块石护脚。闸室顺水流方向长10.0m，闸底板高程286.92m，底板厚1.0m，上、下游墩头为半圆弧形。在296.94m高程布置管理房及检修平台，平台宽4.5m。在检修平台上布置混凝土排架，排架顶部301.44m高程布置工作平台。

3.3引水闸

加固后的引水闸闸孔尺寸与原闸相同，共布置3孔，单孔尺寸为2.5m×2.8m（宽×高）。闸室前设置3.0m长块石护脚。闸室顺水流方向长10.0m，闸底板高程287.92m，底板厚1.0m，边墩厚0.8m，中墩厚0.8m，上下游墩头半圆弧形。在296.94m高程布置管理房及检修平台，平台宽4.5m。在检修平台上布置混凝土排架，排架顶部300.44m高程布置工作平台。引水闸闸前设置拦污栅。

在引水闸下游设置混凝土连接段与下游原输水涵洞相接。接段总长10.75m，宽度由10.7m渐变至8.2m，过水断面由9.5m渐变至4.6m。

冲砂闸和引水闸均采用手电两用螺杆式启闭机操纵闸门。

4　结　语

除险加固后的虎头石拦河闸由水力自动翻板闸、冲砂闸和引水闸等建筑物组成，同时在水力自动翻板闸中增设辅助冲砂系统，可以有效解决拦河闸上、下游河道淤积问题，处理好排砂和引水的矛盾；同时经过消能防冲设计，在拦河闸下游设置消力池和海漫，用以控制闸后水流，改善水流条件，以上设计能大大提升拦河闸的使用功能，稳定长久的发挥拦河闸效益。本文对凌源市虎头石拦河闸除险加固设计除满足灌溉和发电的主要功能外，兼具了解决闸址上下游淤积问题，该工程的建设将对同类拦河闸工程具有相当借鉴意义。

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