关山水库河湖连通工程提水闸闸型方案比选分析

2019-03-07齐奇

水利规划与设计 2019年1期

齐奇

(辽宁省江河流域管理局，辽宁沈阳 110003)

河湖连通对于区域水安全、生态保护及水资源利用十分重要[1]，当前，河湖连通研究得到国内的广泛关注[2- 7]。近些年来，辽宁省开始河湖连通工程设计，但在河湖连通中存在如何选择水闸闸型的问题，需要对水闸闸型方案进行比选[8]。为探讨适合于北方地区河湖连通工程的水闸闸型，本文以关山水库为研究实例，进行水闸闸型比选。关山水库具有得天独厚的地理优势，是东洲河流域内唯一一座中型防洪控制枢纽建筑物，防洪效益巨大，但调控范围有限，无法对全流域做出贡献。连年干旱导致周边地下水减少，流域内缺水人口急剧增加，关山水库供水任务加重。随着气候的变化，极端干旱情况出现的频率会有所增加，届时关山水库的年径流减少，而用水量增加，将会形成更大用水缺口。随着居民、灌溉、工业用水量增加，水资源更加紧缺，导致河道生态流量减小。关山水库是水利部批准的国家水利风景区，近年来水库内蓄水量逐年减少，水域面积逐年减小，生态环境日益下降。为保障关山水库生态环境，通过水库河库连通工程将与水库仅一岭之隔的救兵河河水引入水库，增加可供水量和水库蓄水量，扩大水域面积，改善水库生态环境，增加水库下游河道生态用水量。

1 工程概况

工程位于抚顺县救兵镇，项目区人口5.1万人，耕地面积10.5万亩。本项目为供水补给工程，年引水量为900万m3，主要建筑物为提水闸工程、提水闸上下游河道防护工程、进水闸工程(包括10m灌溉渠道)、引水闸及引水暗涵工程、提水泵站工程、连接洞工程、引水管线工程、进场路工程、桥梁工程、堤路填筑工程和生态防护工程。根据SL 252—2017《水利水电工程等级划分及洪水标准》，确定本工程等别为Ⅴ等，工程规模为小(2)型。其中河闸级别为5级，提水闸洪水设计标准为10年，校核标准为20年。根据GB 5025—2010《泵站设计规范》，提水泵站级别为5级，提水泵站洪水设计标准为10年，校核标准为20年。工程总布置如图1所示。

图1 关山湖河湖连通工程工程布置图

2 提水闸闸型方案及设计参数比选

2.1 提水闸闸型方案比选

2.1.1 闸型1：钢结构水力自控翻板闸门

钢结构水力自控翻板闸门是河湖连通常用的提水型闸型，采用杠杆平衡方法进行联轴运转，通过闸门和水力之间的相互作用力进行平衡，结合阻尼反馈系统对水闸闸门的水位进行调节。当水闸上游来水量不断增加后，闸门逐步向上抬升，闸门的水动力压力大于水压力对闸门支点的压力时，闸门倾向角度加大，当闸门的倾向角度大于水压力时，水闸达到重新平衡。上游来水量不加大的前提下，闸门的倾向角度不发生变化。随着上游来水量不断减少后，闸门受到水压力与阻尼反馈系统平衡作用下的力矩达到平衡后，闸门自动翻转到一定的倾向角度，使得此时来水量下的动力达到平衡。

优点：本闸型为水力自控，无需人员启闭，结构简单，造价低，应用广泛。

缺点：①在上游来水量较大时，对上游洪水有阻碍作用；②上游来水携带的河道垃圾及漂浮物难以清理，对整个区域的防护安全及河道生态环境造成一定程度的影响；③发生较大洪水后，水闸底部沙石造成翻板关闭不严，造成水闸漏水现象；④水闸主要受到水力作用，不能实现水闸人工调节水位。

2.1.2 闸型2：液压升降坝

液压升降坝是近年来得到广泛应用的一种新型闸门。液压升降坝可以解决传统橡胶坝安全性、稳定性及耐久性较差的局限，并能和橡胶坝实现人工调节功能。液压升降坝是以底部为轴，拦水坝面背部设液压杆，放倒的拦水坝面与河底齐平，不阻碍行洪，这是液压升降坝最大优势所在。

工作原理：①在液压升降坝底部设有铰链轴，对其背部的洪水进行有效拦截，从而可实现水闸降低时可以行洪，而抬升坝高可实现对水体的拦截；②在水闸背部区域搭建支撑墩进行滑动支撑活动；③利用滑动滚轮对其底部进行支撑，结合液压升降对其背部和迎水区域的洪水进行拦截，并可实现人工调节水位。

优点：①液压升降坝体跨度大、结构简单，支撑可靠，易于建造；②液压升降坝液压系统操作灵活，可采用浮标开关控制，实现自动化操作，达到无人管理；③液压升降坝水利条件优越，液压升降坝可基本保持原河床，可畅泄洪水、上游堆积泥沙、卵石和漂浮物而不阻水；④与传统水闸及类似的橡胶坝相比，过流能力强，泄洪量大，特别适用于橡胶坝不宜建造的多砂、多石、多树和寒冷地区河流，还可以做到任意调节坝高溢流，可控制上游水位泄量；⑤液压升降坝耐久性好；⑥适用范围广。

缺点：液压缸需要经常维护保养，需要接引动力电。

2.1.3 闸型3：钢坝闸

钢坝闸是一种新型可调控溢流坝，由门叶、底轴、连杆、驱动装置、底轴与闸墙、门叶与闸墙的底水封装置构成。底部与两端闸墙进行连通，门叶刚体结构与外部进行延伸，驱动装置往复运动带动连杆摆动，通过连杆使底轴在一定角度范围内转动，从而实现门叶作扇形运动，以达到控制水位的目的。可任意开度运行，还允许门顶溢流，具有良好的调节水位特性，另外常规翻板式钢闸门驱动装置位于闸墙河道内侧，而钢闸门驱动装置位于闸墙外，安装和维护方便。

优点：①由于钢坝闸可以设计的比较宽，减少了孔闸墩数量，节省土建投资；②钢坝闸可以在水下进行常年运行，不需要添加润滑剂，钢体采用特殊材料不会出现生锈现象；③钢坝闸平均转速可以达到1～2m/min，在2min内可以实现钢坝闸快速抬升和下降，在突发洪水时保证洪水的顺利下泄；④钢坝闸具有锁定功能，当进行人工水位调节时可实现闸门的固定；⑤钢坝闸可实现自动化控制，实现操作的自动化；⑥在冬季，钢闸坝可沿着冰层向上部进行延伸，对冰层的压力可以进行有效释放，钢体本身不会呈现任何程度的影响，在春节可以安全渡过凌汛，实现钢坝在冬季的稳定运行；⑦在钢坝闸门的底部有两个钢槽，具有特殊的钢体结构，当其上游来水使得其圆轴被卡压住后，其止水密封性始终可以保持良好状态，而侧面同样具有止水功能，河道淤泥受到钢槽止水条的作用，对钢闸门的抬升和下降不会产生任何影响。

缺点：①投资最高；②闸两侧摇臂容易受到洪水作用，承重能力较差。

3种闸型比选结果见表1。

综合3个闸型各方面优缺点，闸型1由于阻水，对河道行洪不利，故不能采用；闸型2、3都能满足工程所需和安全运行，但结合投资情况来看，闸型2优于3。以投资经济合理为原则，并结合本流域气候、地形等特点，综合考虑设计推荐选用闸型2。

2.2 引水管线材质比选

在设计闸型优选比对基础上，对其引水管线材料进行了比对分析，分析结果见表2。

通过分析比较，玻璃钢夹砂造价低，但施工复杂，供水安全性相对较低；PE管水力条件好，防腐好，施工简单，但对地基要求高，管道回填必须放置砂垫层；球墨铸铁管承压较低，造价较高，实际运行维护简单；钢塑复合管输水保障率较高，强度高，管道承压好，防腐性能及抗渗性好，管材费用较高。结合本工程实际管线布置情况及运行环境综合考虑，工程管材选择钢塑复合管。