双向分层取水闸门优化设计与应用

杨小宸

（辽宁省水利水电科学研究院，辽宁沈阳110003）

双向分层取水闸门优化设计与应用

杨小宸

（辽宁省水利水电科学研究院，辽宁沈阳110003）

本文针对取水或排水工况较为复杂的情况，为满足取用不同层次水体的需求，优化设计了一种操作简便灵活、具有双向止水效果的双向分层取水闸门结构，并在锦州凌海市得到实际应用，具有一定的推广和应用价值。

水闸；双向分层取水；优化设计；应用

1　概述

水闸是一种重要的取水建筑物，能够为灌溉、养殖、城镇供水、水力发电等用水系统提供必要的水源。但深层水质往往存在泥沙淤积、水质恶化等问题，因此，通过建立分层取水水闸，取用不同层次的水体，可实现取水水质的改善。

目前能够实现分层取水的闸门型式主要有叠梁式和双扉闸门。叠梁式闸门由多节闸门叠加组合，由启闭机和自动挂脱梁逐节取出闸门实现分层取水，但操作运行不灵活，渗漏量略大，且另需门库供其存放，多用于检修闸门或临时挡水之用。双扉闸门由两扇平面闸门上、下搭接而成，前后错开布置，上扉门相当于一道活动胸墙。双扉闸门可双向挡水，并可分别启闭，两扇闸门共用一套闸槽和一套启闭设备，这种闸门型式能够降低排架高度，但其结构复杂，启闭系统造价高，操作过程繁琐。因此，本文针对取水和排水工况较为复杂的情况，在双扉闸门基础上，优化设计了一种操作简便灵活、具有双向止水效果的分层取水闸门结构，以满足取用不同层次水体的需求。

2　闸门优化设计

双向分层取水闸门主要组成部分包括上、下双层闸门及启闭机，闸底板、闸墩、隔水板、门槽、排架等结构。闸门的运用特点是操作简便，运用灵活，当需要取上层清水时，单独开启上层闸门；当水质较好，或需要大量取水时，可同时开启上、下层闸门；而当需要排放下层浑水时，单独开启下层闸门。结构示意图如图1所示。为实现双向分层取水效果，在以下方面进行了优化设计。

2.1闸门及启闭设备

双向分层取水闸门按上下双层设计，前后交错布置，工作闸门选择双向止水铸铁闸门，每座闸门由单独的启闭机独立控制，分析计算闸门的启门力和闭门力，通过筛选计算参数，从而确定闸门的较优的断面尺寸，最后优选确定启闭设备。计算公式如下：

启门力（kN）：T启=9.8（1.2SHf+1.1G-0.9V）

闭门力（kN）：T闭=9.8（1.2SHf+0.9G-1.2V）

式中：1.2，1.1，0.9——修正系数；S——过水口面积，m；H——过水口中心至设计水位高度，m；G——门板自重，t；f——止水座摩擦系数，f铸铁-铸铁＝0.35，f铸铁-青铜＝0.26，f不锈钢-青铜＝0.30；V——门板排开水的体积，m3。

该闸门选择的启闭设备主要优点是结构简单，避免了闸门启闭系统过于繁琐带来的弊端，能够根据不同的工况，采取相应的启闭方案，操作简便灵活。

2.2隔水板

由于闸门之间止水难以处理，因此设计时在每座闸门两侧均设置一层隔水板，并在隔水板与闸门连接处增设了止水装置，可实现双向止水。隔水板尺寸可设计较小，可认为对取水的影响是较小的。

3　应用实例

以辽宁省凌海市某围海养殖工程为例，该工程通过修筑海堤和穿堤纳潮闸，吸纳潮水形成内湖，进行围海养殖，对养殖水质有一定的要求。

图1　双向分层取水闸门结构示意图

3.1水文地质特征

项目区潮汐特性为不规则半日潮，根据附近葫芦岛海洋站潮位资料，50年、20年和10年一遇设计潮位分别为2.79 m，2.69 m和2.60 m。项目区常浪向南南西，频率为34.02%；强浪向为南南西，实测最大波高2.6 m。项目区所处地貌单元为冲海积平原、滨海滩涂，岩性主要为粉土、粉质粘土、粉土夹粉质粘土等，局部夹粉砂薄层。各岩土层的地基允许承载力较低，具中等～高压缩性，抵抗沉降变形能力差；土层属微透水层～弱透水层，渗透变形为流土型；抗震设防烈度为6度。

3.2运行工况要求

根据围海养殖工程对纳潮量和水质的要求，拟建纳潮闸需实现以下3种运行工况：

工况一：为工程完工后的首次纳潮，在大潮高潮位期间，同时开启上层、下层闸门，将大量潮水引入内湖，内湖最高蓄水位为2 m，纳潮量约为1 000万m3，要求在1个月内通过2次大潮纳满。

工况二：首次纳潮后，需根据实际情况，定期纳潮补水，补偿养殖、蒸发、渗漏等水量损失。由于工程地附近淤泥含量较多，深层水质多较浑浊，因此纳潮补水时需补表层清水，保证内湖水质。开启上层闸门，利用大潮高潮位，引表层清水入内湖。

工况三：为了保证内湖水循环，还需定期利用低潮位排放底层浑浊水体，一方面促进内湖水流动，另一方面减少浑水，能够进一步改善内湖水质。利用外海低潮位，开启下层闸门，将内湖底层浑水排出。

3.3纳潮闸结构设计

综合考虑地质、水流、潮汐等因素，共需修建4座纳潮闸，根据现状底高程情况，确定闸门底高程为0.8 m。穿堤纳潮闸所在海堤设计标准为20年一遇，确定纳潮闸设计标准为20年一遇，因此设计水位差为1.89 m。为满足不同工况下的取水需求，选用本文的双向取水闸门结构，每座纳潮闸闸室长6 m、宽20.6 m，共设6孔，单孔宽2.5 m，采用双向止水铸铁闸门，闸门孔口尺寸为2.5 m×1.0 m（宽×高），闸门间隔水板厚0.15 m。经启闭力计算，最大启门力为25.2 kN，最大闭门力为11.7 kN，因此启闭设备选择手电两用单吊点螺杆启闭机QL-50 kN。纳潮闸所处为海水浪溅严重且冬季结冰海域，闸室均采用C35，W6，F300钢筋混凝土。

3.4纳潮闸水力分析

纳潮闸纳潮能力需满足工况一的要求，按平底宽顶堰堰流情况，过流能力计算式为：

式中：Q——过水流量，m3/s；H0——计入行进流速的进口水头，m2，其中H为闸前水位，v为上游行近流速（m/s），α为动能修正系数；σ——淹没系数，当hs/H0≤0.72时取为1，当hs/0.4H0=0时，其中hs为由堰底算起的下游水深；ε——侧收缩系数；m——流量系数，可采用0.385；B0——闸孔总净宽，m。

工况一要求在1个月内两次大潮期间纳满内湖，即纳潮量达1 000万m3。本文根据项目区附近锦州大笔架山海洋站2008年潮汐表统计分析，选取处于平均水平的5月份大潮过程作为典型潮位过程，当外海水位高于内海水位时，将向内海吸纳潮水，通过积分计算，得到经过两次典型大潮过程后，纳潮量为1 059.67万m3，能够满足工况一的纳潮需求。

3.5闸室稳定分析

对完建工况及3种运行工况均需进行稳定性分析，作用在闸室上的荷载主要有结构自重、水重、水压力、扬压力、浪压力、风压力等，各工况的计算条件及作用于纳潮闸的荷载组合见表1。

闸室稳定分析主要考虑闸室的抗滑稳定性和基底应力。闸室抗滑稳定通过下式计算：

式中：KC——抗滑安全系数；f——闸室基础底面摩擦系数，取0.2；ΣG——作用于基础底面上的全部竖向荷载，kN；ΣH——作用于闸室上的全部水平荷载，kN。

表1　闸室稳定分析荷载组合

闸室基底应力按下式计算：式中：Pmmainx——闸室基底应力的最大值或最小值，kPa；L——闸室垂直水流方向的长度，m；B——闸室顺水流方向的长度，m；e——偏心距，m。按下式计算：式中：ΣM——作用于闸室各力对底板前趾的稳定力矩，kN·m；ΣM0——作用于闸室各力对底板前趾的倾覆力矩，kN·m。

闸室稳定分析结果见表2。表2中，［KC］和［η］为规范允许值，［R］为基底允许承载力。结果表明：闸室抗滑安全系数大于规范值，抗滑稳定满足要求。闸室不均匀系数小于规范值，满足要求。闸室平均基底应力不大于地基允许承载力，最大基底应力也不大于地基允许承载力的1.2倍，但基底应力最大值大于地基允许承载力，由于项目区地质条件较差，为安全起见，在每座纳潮闸闸室下均匀布置18根钢筋混凝土钻孔灌注桩进行基础处理，桩长19.5 m，以粉砂层为持力层。

表2　闸室稳定分析成果表

4　结　　语

本文设计的双向分层取水闸门在凌海某养殖工程中得到实际应用，初始纳潮时同时开启上、下闸门，经水力分析，纳潮量能够满足一个月两次大潮期间纳满的要求，高潮位补水时开启上层闸门取表层清水，低潮位时开启下层闸门排出底层浑水，加快内湖循环。完建工况及运行工况下，闸室均能满足抗滑稳定和基地应力要求。本文提出的闸门型式结构简单，能够实现双向分层取水，且操作灵活，便于检修，适用于具有分层取水要求的中小型水利工程建设，具有广阔的推广与应用价值。

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2015-09-20