水力自控翻板门在多泥沙冰冻河流中的运用

牛文娟

(新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 概况

该引水渠首工程位于新疆南部某河道中游，建筑物主要由左岸挡水堤坝、泄洪闸、冲砂闸、发电引水闸组成，泄洪闸共3孔，均为翻板式闸门，布置在主河道右侧，设计泄量536.31m3/s，校核流量1236.59m3/s，上下游最大水头差2.09m，闸底板建在砂岩上。闸室为单孔一联整体式C25、F200钢筋混凝土结构，每孔设有一道工作门尺寸为10.2m×7.5m(b×h)。

2 水力自控翻板门

水力自控翻板闸门是一种节能型、环保型、经济型闸门。它利用水力和闸门重量平衡的原理，增设阻尼反馈系统，达到随上游水位升高逐渐开启泄流、上游水位下降逐渐回关蓄水的目的，使上游水位始终保持在要求的范围内，以满足防洪和水力发电需求。水力自控翻板闸门示意图见图1。该闸门从20世纪60年代初至今，先后经历了单铰翻板闸门、双铰翻板闸门、多铰翻板闸门及渐开型水力自控翻板闸门的发展和完善，与传统闸门相比，不需人员操作，无需其他外加能源，无需其他启闭机械、启闭机架与闸房，也不需要泵房，且造价合理、节省三材、施工期短、启闭完全由水力自控、准确及时。如今，随着技术研究的深入和成熟，水力自控翻板闸门无论是在技术设计、生产工艺还是在相关的研究方面，均产生了质的飞跃，已在全国20多个省、市近1000个清水河流工程项目上成功运用，为解决当地的小水电、河道治理、城市景观及生态环境建设发挥着重要的作用。

3 水力自控翻板门运用中的问题

本渠首工程的泄洪闸布置在主河道右侧，宽约37m，闸体基础为西域砾岩，承载力为1.0MPa，岩体完整，可以作为良好的行洪基础。渠首表孔泄洪闸和底孔冲砂闸联合泄洪，为保证行洪能力，结合地形地质条件布置共3孔，尺寸为10.2m×7.5m(宽×高)。

本工程地处严寒地区，冬季冰压和冰凌问题严重，同时流域内泥沙淤积情况严重，针对这种特殊自然条件，该渠首泄洪闸应用了水力自控翻板闸坝技术。运用过程中发现有以下问题需要做进一步研究。

(1)渠首泄洪闸水力自控翻板门作为汛期行洪通道，泄洪能力是否满足要求。行洪同时能否灵活调整开度，以保持库内正常引水位，从而保证工程效益。同时，针对水力自控翻板门的泄洪原理，水舌对冲，运行时对下游消能设计有何影响。

(2)水力自控翻板门门叶主体由混凝土结构制成，由于混凝土容重比较大，故门叶主体结构的重量会比较大，对门叶结构运行产生极大地约束。同时根据水力运行原理，门叶结构高宽比易取值0.5～0.25，如门叶结构高宽比值大于0.5时，门叶结构运行控制受限制。结合以上两点因素考虑，若门叶高度大于5m后，门叶宽度至少需要10m，这时门叶重量高达120t，不论是预制门叶板梁，还是安装门叶结构，以至最后门体行洪翻水，都是难点百出，所以国内至今没有门叶高度大于5m的工程。本次设计翻板门高7.5m，该如何克服设计施工中的困难。

(3)渠首坐落河道径流年内变化非常大，从多年资料统计看：冬季(12～次年2月)水量占年水量的6.19%；夏季(6～8月)水量占年水量的64.54%，冬季水量非常小。需将翻板门全关，冬季挡水高度约5m左右，以保证冬季最小发电引用流量。而此时出现在机组事故状态下，泄洪闸需开启做为安全泄水通道。同时该地区极端最低气温达到-29.5℃，无霜期较非常短仅为162天左右，历年最大冻土深89cm，历年最大积雪深度为41cm。冬季翻板门门前结冰，漏水将支铰部分冻结时，翻板门能否有效依靠水力迅速做出响应。其次该电站为冬季输冰运行，且该河流有冬季冰洪等问题，渠首部分存在较为复杂的冰情，会存在冻胀，流冰冲击和冰静压力作用于闸门的情况出现，工程防冰冻方面应如何应对。

(4)河道汛期泥沙情况较为严重，水量分布不均，且上游无控制性工程。渠首处多年平均输沙总量164.47万t，多年平均推移质输沙量27.41万t，泥沙含量非常大，漂浮物推移质也会拥堵在门前，影响翻板门的正常运行，此时翻板门该如何响应。

4 解决措施

针对上述问题进行了分析和比对论证，逐一应对。

(1)与长沙理工大学合作对渠首工程进行了水工模型试验，并将工程规模、地形地貌、泥沙、气象等详细参数和设计理念与提前沟通。从多次的模拟中观测到，在正常的运用条件下，当上游流量达到135.8m3/s时(及门前水位高于顶0.485m)，闸门自动开启泄流；随着上游来水的不断增加，闸门开启角度随之加大直到全开后平卧在支墩上。因此，渠首泄洪闸工作闸门孔口尺寸10.2m×7.5m×3孔(宽×高×孔数)，采用水力自控翻板门是可以满足行洪需要的。在翻板门行洪翻转时，出口门顶和门底下泄水舌对冲。分别在翻板门闸室段下游三处加测流速详见表1。

表1 不同工况各断面流速 单位：m/s

注：翻板门闸室下游设斜坡段护坦长24m，护坦末端桩号0+044。护坦末端加设防冲深齿墙+30m长铅丝石笼衬护，末端桩号0+074。

根据以上实测数据分析，经水舌对冲后，至0+044处流速已降至4.39m/s，至0+074处流速降至1.32m/s，说明翻板门行洪下泄过程能量消耗比较完整，对下游不产生冲刷破坏，同时水舌对冲即可消耗60%的能量，大大降低了下游消能设施的投资。模型试验的结果翻板门泄洪能力满足要求，下游消能抗冲设计也满足消能抗冲要求。

(2)本次设计翻板门孔口尺寸10.2m×7.5m×3孔(宽×高×孔数)，每单孔门叶结构由10片预制梁组成，每片预制梁重量为5.74t。在该翻板门安装过程中最大困难就是大体积门叶结构的拼装，而且门叶结构之间连接螺栓也常出现走位或偏移现象。为保证门叶结构的正确组装，预制板梁时先预埋埋件，再进行混凝土浇筑。再次就是提高混凝土强度，采用C30、F300、W6二级配。最后拼装过程中采用先从轴心板块开始安装，再向底部开始拼接，至最底部板块安装完毕后，门叶结构会沿轴心逐渐翻转至直立后，进行上部板块安装。

这种由轴心→底部→顶部的拼装方法对大尺寸门叶结构的安装还是比较适用的，同时拼装过程良好地利用了大体积门叶结构的自重，将每片梁紧密结合。

(3)针对冬季冰破坏的情况，现行有效地措施不多，尤其针对新疆河流情况没有较好的措施。为保证工程运行安全，在泄洪闸闸顶平台加设了三台固定卷扬启闭机，与三扇翻板门支脚相连，以保证在遇到特殊情况时，能及时开启翻板门，保障顺畅行洪。加设固定卷扬启闭机的方法在实际运行中是非常合适多泥沙和冰破坏的情况。建议设计过程中应注意翻板门支墩结构设计，着重考虑翻板门启闭时对支墩的拉应力破坏，适当加大设计尺寸，同时考虑加大配筋面积，以保证支墩结构承载力完整。同时结合水情测报数据采集工作，近两年基本可以良好的控制翻板门运行。

(4)近年来，水力自控翻板闸门作为一种新型的挡水建筑物逐渐被引进多泥沙河流的水利工程中。由于翻板闸门开启后泄水量大，便于排走漂浮物和推移质，所以在多泥沙河流的应用前景会很广阔。但已有的研究都是基于清水河流，没有淤沙，所以在对翻板闸门进行受力分析时均未考虑淤沙压力的作用；而多泥沙河流的泥沙在闸前大量淤积，形成淤沙压力作用于翻板闸门，当淤沙压力过大时，有可能阻止闸门的正常开启，导致翻板闸门自控作用失效。因此，用现有的研究成果对多泥沙河流翻板闸门进行分析还存在不足。但多泥沙河流水力自控翻板闸门的应用需解决的最主要问题就是闸前泥沙淤积，我们工程中设置了底孔冲砂闸和翻板门顶设置固定卷扬机的结合方式来及时排沙。但无论哪种排沙方式均需在闸前的淤沙高度达到一定高度之前，将泥沙及早排至下游，避免在洪水到来时由于闸门不能正常翻转而对上游河道造成较大的淹没损失。

该工程运行管理中对底孔冲砂闸的运行提出较高的要求，根据经验公式,推算出水力自控翻板闸门在非常情况下的闸前临界淤沙高度hn=1.34m，当闸前淤沙高度大于1.34m时，闸门无法正常开启，因此需控制翻板闸门闸前的淤沙高度，以保证闸门在洪水到来时能正常运转，发挥翻板闸门的优势。另外在保证正常蓄水位的前提下，必须经常运行底孔冲砂闸冲砂，保证泄洪闸翻板门门前泥沙淤积高度小于临界淤沙高度。泄洪闸典型纵剖面见图2。

图2 泄洪闸典型纵剖面图

5 结语

该渠首工程坐落于多泥沙和冰冻破坏的河流上，利用水力自控翻板门+固定卷扬启闭机方案作为主要行洪控制结构，2年来翻板门行洪良好，进水闸不进推移质，引水防沙输冰效果良好。在今后的渠首运行管理中，继续加强对水力自控翻板门的运行数据的采集，同时加强底孔冲砂闸的灵活运作，结合泥沙淤积的监测数据和加强启闭设备的参与，使水力自控翻板门更加安全合理的为工程服务，为水力自控翻板门技术开阔更宽广的运用空间。