水闸闸下消能防冲与闸门控制运行的研究

丛 鹰

(新疆维吾尔自治区玛纳斯河流域管理局,新疆 石河子 832000)

水闸闸下消能防冲与闸门控制运行的研究

丛 鹰

(新疆维吾尔自治区玛纳斯河流域管理局,新疆 石河子 832000)

本文结合实例，研究了水闸闸下消能防冲与闸门控制运行的问题，分析了沉砂池及闸门的设计情况，探讨了沉砂池及闸门的控制运行要点，旨在为相关研究与实践提供参考。

水闸；消能防冲；沉砂池；闸门控制运行

平原地区河床土质以软弱土体和肥沃土质为主，受到水流冲击的影响，很容易出现冲刷痕迹及闸门损坏问题[1]。

为了防止水流冲刷河床，通常需要选择合理的过闸水流流量控制标准，并建立完善的消能措施，抵消水流多余能量。本文结合实例，研究水闸闸下消能防冲与闸门控制运行的相关问题。

1 工程项目概况

石河子市生态水系项目蘑引渠供水工程，从跨玛河渡槽引水。玛河属于多砂河流，泥沙来源主要是降雨融雪汇流对流域面的侵蚀和水流对河道的冲刷，根据生态水系对水质的要求，需要对玛河河水进行沉砂处理和消能防冲处理，在跨玛河渡槽上游引水渠道上建设东岸沉砂池。

受到跨河建筑物的限制，需要保证沉砂池处理能力达到渠道最大引水流量，最大设计流量为18 m3/s，为了满足渡槽上游引水渠道退洪40 m3/s的要求，其校核流量为40 m3/s。以现状地形纵坡为依据，洪水期在满足引水要求下，可以从东岸大渠引水，实现水力冲刷。将东岸沉砂池与跨河渡槽上游引水渠联合建设。综合考虑多方面因素，决定采取如表1所示的沉砂池建设方案。

表1 沉砂池建设方案

2 东岸沉砂池设计

东岸沉砂池设计流量为18 m3/s，以现场地形情况为基础，采用条渠型式沉砂池，采用梯形结构的混凝土护坡。沉砂池总长度设计为379.5 m，由两个池子组成。进口段长度为29.5 m，坡降为1∶200，工作段长度为350 m，底宽度为2.0 m，边坡有弧底渐变为重力结构，起始渠深度为3.0 m，末端渠深度为4.85 m，池底坡降为1∶200，末端为收缩段，长度为155 m。

工程采用浅孔闸作为冲砂闸，闸孔宽度和高度为2 m，胸墙高度为2.85 m，闸室共有两孔，边墩厚度为0.8 m，闸后设有交通桥，交通桥宽度为4.5 m。沉砂池单侧设侧向冲砂闸，间隔为50 m，末端汇合冲至廊道，冲砂廊道为钢筋混凝土矩形结构，尺寸为2.0 m×2.0 m，长度为200 m，冲砂廊道末端与冲砂明渠连接，冲砂明渠底宽为2.0 m，边坡1∶1.5，渠深为2.5 m，边坡采用20 cm厚度的C20混凝土护坡，投入到玛河河道。

3 分水闸设计

3.1 设计情况

分水闸由三孔闸室组成，两侧闸室的主要功能是向沉砂池引水，起着消能防冲的作用，两侧单孔泄洪时，设计流量为20 m3/s，沉砂池引水的设计流量为9 m3/s，中间闸室的主要功能是向引水渠引水，闸室的设计流量为18 m3/s。三孔闸室均为开敞式闸室，采用整体结构，闸孔的净宽度为6.0 m，长度为10 m，闸墩高度为4.0 m，闸后的交通桥宽度为4.5 m。闸室采用C25W6F200钢筋混凝土，闸后交通桥采用C30钢筋混凝土[2]。将启闭平台设置在闸室上部，宽度为4.5 m，采用C30钢筋混凝土结构，闸房采用框架结构，闸门采用弧形钢闸门，闸门尺寸为b×h=6.0 m×2.5 m，启闭机构设备为2×8 t电动螺杆启闭机，前后由渐变段与设计渠道顺接。

分水闸最大设计流量为40 m3/s，沉砂工作量为18 m3/s，以沉砂池工作原理为基础，进水闸孔数设计为两孔，单孔行洪进水能力为20 m3/s，单孔沉砂过水能力为9 m3/s。

3.2 水闸净宽计算

以《水闸设计规范》(SL 265-2001)中相关规定为依据，平底闸为堰流，计算公式如下：

(1)

式(1)中：B0为闸孔总净宽度，m；Q为过闸流量，m3/s；σ,ε分别为堰流淹没系数和堰流侧收缩系数[3]；m为堰流流量系数；g为重力加速度；H0为堰上水深，m。具体计算结果如表2所示。

表2 闸孔宽度计算结果

根据表2计算，沉砂池分水闸所需的闸孔净宽度为5.5 m，引水渠分水闸闸孔所需的净宽度为6.0 m，为了保证检修一致，将三孔闸孔净宽度均设计为6.0 m。

4 沉砂池的运行

东岸沉砂池用水力冲砂，采用机械辅助清淤的工作模式，两室同时沉砂工作，定期轮流清砂，设计沉降粒径为0.065 mm，设计沉降率为80%。

沉砂池工作流量为18 m3/s，设计最小冲砂流量为5.0 m3/s。在春夏季洪水期引水沉砂的过程中，两室同时沉砂，通过对闸门的有效控制，尽可能保证各池流量一致[4]。当池内工作段泥沙淤积厚度接近3.5 m，且河流泥沙含量相对较少的时候，进行池室轮流清砂工作，一个池室进行沉砂工作，并对另一个池室内的淤积物进行冲洗。

每天泥沙淤泥量为V0=2.46×0.7×0.8×9×3600×24/1.9/1000=564 m3。

沉冲砂容积为V=11.24×350=3934 m3。

冲砂周期=沉冲砂容积V/每天泥砂淤泥量V0=7 d。

单个池室冲砂过程如下：关闭一个沉砂池分水闸，停止供水，之后开启第一个侧向冲砂闸门进行泄水，当池厢内的水基本上泄空的时候，开启分水闸进行引水冲砂，依次开启单个侧向冲砂闸。全部开启侧向冲砂闸之后，将末端冲沙闸开启，进行冲砂工作[5]。在冲砂的过程中，如果出现不顺畅的情况，可以采用机械辅助冲砂，尽可能利用东岸大渠引洪冲砂，以此来实现消能防冲和冲砂的目的。当冲洗完毕之后，对另一个沉砂池进行冲洗，工作次序与上一个沉砂池冲砂次序相同。定期退运冲砂廊道末端河道处的淤泥，对出口泥砂进行清理，以此来保证冲砂的顺畅性。建议每年的6—9月份定期进行出口泥砂清理，在其他时间段则可以每三个月进行一次清理。

5 闸门控制运行要点

5.1 闸门操作要求

(1)过闸水流应平衡，避免出现集中水流、漩涡、回流及折中水流等不良流态，保证消能防冲的作用实现。

(2)关闸或减少闸流量的时候，应避免下游水位降落过快而冲刷河道。

(3)避免闸门停留在发生震动的位置运用。

(4)进行池厢泄水的过程中，应当合理控制冲砂闸门开启高度，避免泄水流量过大而超过排砂道的过流能力。

5.2 闸门操作规定

(1)由熟练人员进行闸门的操作和监护，固定岗位，明确职责，保证闸门操作的准确性和及时性，保证工程和操作人员的安全。

(2)在进行电动、手摇两用启闭机人工操作之前，需要断开电源。闭门时严禁松开控制器，避免闸门自由下落。在操作结束之后，应当立即取下摇柄。

(3)对于有锁定装置的闸门来说，在闭门之前，需要将锁定装置打开。

(4)如果由两台启闭机控制一扇闸门，则应当保证两台启闭机动作同步。

(5)在闸门启闭的过程中，如果出现停滞、杂声及沉重等异常状况，应当立即停车检查，并进行针对性的处理，避免强行启闭闸门。

(6)应当做好闸门操作的专门记录，主要记录内容包括启闭依据、操作时间、操作人员、操作过程、历时、上下游水位和流量、流态及不正常现象等。

(7)当闸门开启接近最大开度或关闭接近闸底的时候，应当注意及时停车，如果遇到闸门关闭不严的问题，则应当及时查明原因，并有效处理。在使用螺杆启闭机的过程中，要避免出现强行顶压的现象。

6 结 论

综上所述，平原地区土质河道的抗冲能力相对较弱，需要提升水闸消能防冲水平。本文结合石河子市生态水系项目蘑引渠供水工程实例，探讨了沉砂处理与水力冲砂结合的消能防冲技术方案，并研究了沉砂池工作原理，明确了闸门控制运行要点。

[1] 李占松,高双聚,杨玲霞. 平原区水闸闸下消能防冲与闸门控制运行[J]. 水利水电科技进展,2011(5):46-48，63.

[2] 姜玉明. 试论平原区水闸闸下消能防冲与闸门控制运行[J]. 科技创业家,2013(6):137.

[3] 陈灿辉,钟勇明. 东溪水闸消能防冲试验研究[C]//第十八届全国水动力学研讨会文集.乌鲁木齐:新疆出版社，2004.

[4] 季永兴,卢永金,刘桦. 苏州河河口水闸下卧式闸门消能防冲水力学问题[J]. 水利水电科技进展,2007(S1):56-59.

[5] 柯剑. 阴坪水电站闸下消能工模型试验与数值模拟研究[D].成都：四川大学,2005.

丛 鹰(1979-)，男，助理工程师，主要从事水利工程管理工作。

TV653

A

2096-0506(2016)12-0060-03