叠梁式胸墙设计探究

2018-05-24柏格文齐云鹏

现代工业经济和信息化 2018年4期

柏格文，齐云鹏

（重庆交通大学，重庆 400074）

引言

叠梁门是由多层钢闸板构成的平面挡水结构，各个闸板由起重机起吊，插入侧边闸槽中，以纵向自重而相互啮合，抵挡横向水压力，其具有成本低、结构简单和施工方便的特点，但分层式结构导致叠梁门密封性较差，不宜承受较高的水压力。

目前应用于水工建筑的叠梁结构众多，其中广为关注的水电站的叠梁门，对于温度成层分布的水库，叠梁门能够尽量取用目标层水体，减少低温泄水对下游生态环境的影响。高学平等用数学方法推算出糯扎渡水电站进水口叠梁门的计算模型，并验证了叠梁门对取水的可控性[1]。三峡船闸也采用叠梁门结构，根据水位变化下放叠梁门，确保上游口门处水深在6～10.5 m之间，在提供船舶正常通行条件的同时保证紧急情况下的挡水阻水能力。

1 叠梁式胸墙

水闸根据闸室构造可分为开敞式水闸和胸墙式水闸等，胸墙能够代替部分闸门高度，可用于上游水位变幅大且对流量又有控制要求的水闸。胸墙分为固接和简支两类，前者增加了闸室刚度但易出现裂缝，后者需要采用密封止水措施。传统胸墙分为板式和板梁式等，也有部分特殊造型如弧形胸墙等，通过优化迎水面的弧度[2]，减小潮涌等对闸室的冲击损害。

对于中大型挡水闸，其闸门成本随规模而大幅上升，以胸墙替代上部闸门能够起到良好的阻水效果，但降低了水闸的泄水能力。同时，固定式胸墙的底高程应根据孔口泄流要求确定，以不影响取水和泄水为原则。按帕斯卡原理，静水表面压强等值传递至液体中各点，为液体自重产生的压强，对于平板闸门其与水深呈线性关系。因此，可以考虑采用叠梁式上部结构，充分发挥材料的性能以承担上部较小的水压力，强化胸墙代替闸门的挡水作用，以增长胸墙高度、降低闸门高度来降低建造和维护成本。

以人字闸门为例，叠梁闸槽依照下部结构拟定角度，达到接触止水的效果，如图1所示，其主要优势有以下几点。

1）叠梁式胸墙水闸能有效避免胸墙高度的局限性，并有良好的主动控制水流的作用，同时不影响最大过水量等基础指标和安全设计原则。

2）兼顾了开敞式水闸与胸墙式水闸的适用范围，对于高低水位的过闸流量都能高效控制。

3）闸门高度降低后，可以不对底坎高度做过多限制，对于水流夹带的石块等物质具有良好的通过性，有效保证闸门开闭运作的安全。

4）排漂能力较好，叠梁式胸墙控制水流的弹性强，而固定式胸墙对山区河流汛期的排漂有一定影响，尤其是漂浮物撞击影响水闸安全。

5）叠梁式胸墙在不扩大闸室规模、不增重闸门的条件下，提高了水闸的应急性能。由于其对闸室空间的安排合理，提升了在相同蓄水放水标准下，遇到洪灾时的安全排水能力。

6）高性价比和高空间利用率，便于后期改造工程等。

图1 叠梁式胸墙布置

2 验算

为验证叠梁式胸墙的适用效果，本研究采用理正工程水力学计算—水闸水力学试算模型方法，以满足相同设计流量的闸孔总净宽为比对衡量指标。同时为充分体现叠梁式胸墙对不同流量的控制能力，选用流量值的单一变量进行分析。为简化模型，选用无底坎—平板闸门—不考虑行进流速水头设置。水闸型式简图见图2，计算结果见图3。

图2 水闸型式计算简图

图3 设计流量-闸孔净宽曲线

由图可知，在一定的设计流量范围内，固定式胸墙水闸（简称“固定式”）与叠梁式胸墙水闸（简称“叠梁式”）泄水能力相同；当设计流量达345 m3/s时，两者满足设计流量的闸孔净宽出现细微区别；设计流量达370 m3/s时，叠梁式宽流比斜率降低至接近初始斜率；设计流量达395 m3/s时又出现了较快增长点。以控制变量设计方法进行模型评价，对于相同的设计流量，叠梁式所需闸孔净宽小于或等于固定式，且在合理设计范围内，该差值随着设计流量的增长而增长。对于大型水闸的水力设计,该水力模型试验验证了叠梁式的优越性。