广州市增城区水务设施管理所 广东广州 511300
摘要：为了开发利用增江河的水资源，更好地为增城社会经济发展服务，2000年开工兴建了综合性的初溪水利枢纽工程。拦河闸坝是整个枢纽工程的重要部份，液压翻板闸是闸坝运行的关健设施。运行实践证明，初溪拦河闸坝液压翻板闸运行可靠，操作方便，投资较少，外形美观，是一项非常好的水利设施，有一定的推广应用价值，在此对其设计与运行情况作简要阐述。
关键词：建筑物；液压翻板闸门；支铰；吊点；油缸倾斜角和行程；启闭力；运行管理
初溪拦河闸坝位于广州市增城区石滩镇初溪村1Km处的增江新开河段上，是初溪水利枢纽工程的重要组成部份，地处增江下游，坝址距离增城城区中心8Km，下游至增江出口约14Km。初溪水利枢纽工程是一项具有较好的环境效益、社会效益和经济效益，集市政、美化、环境保护、发电、航运、交通、供水、灌溉等功能于一体的综合性水利工程，主要由拦河闸坝、发电厂房、船闸、罗岗排涝渠、进厂公路及交通桥、输变电、灌溉引水等单项工程组成，工程坝址以上集雨面积2978Km²，多年平均流量125.51m³/s，库区正常蓄水位6.5m，相应库容1700万m³，多年平均发电量2888万KWh。拦河闸坝为开敞式闸坝，布置21孔泄洪闸，每孔净宽8 m，总宽度188.4m。水电站厂房为河床式，设计安装了3台单机容量为2000KW的轴流转浆式水轮发电机组，总装机容量6000KW。船闸最大通航船舶300吨，闸室长100米，宽12米，上下引航道长分别为183米和150米。拦河闸坝于2000年12月28日开工，2003年6月全部完工，投入运行14年来，大大改善了增城的城市景观与生态环境，在环境美化、发电、供水、灌溉以及交通航运等方面产生了较大的综合效益。实践证明，初溪拦河闸坝液压翻板闸运行安全可靠，操作简单方便，具有投资较少、外形美观的特点，是一项非常好的水利设施，也是一种成功可行的水闸装置，有一定的推广应用价值。笔者作为当年的设计者和建成后的运行管理工程师，对其设计与运行方面的一些要点作简要的阐述。
1.闸坝建筑物
根据增江河道地形和有利于枢纽工程运行管理的布置原则，电站厂房布置在河床右侧，船闸布置在河床左侧，拦河闸坝居中间。坝轴线走向与增江河道垂直，全长188.4m，右端采用隔水墙及导水墙结构与水电站厂房紧邻，左端与左岸分水岛和船闸相接。根据地质钻探资料，坝址处河床覆盖层较厚，达14-20m。若采用岩基，开挖深度大，土石方开挖及砼、浆砌石等工程量比软基方案大得多，不但同等工期施工强度大，且开挖基坑和基坑抽水相当困难。若采用软基方案，闸基开挖浅，施工困难小，相应投资也少。经综合比较，坝址建基面采用软基方案，进行软基础回填处理，闸坝堰基基底直接置于砂砾卵石层上。堰体厚3.0 m，堰顶高程1.0m，堰底板底高程-2.00m，齿墙底部高程-4.00m。堰体结构形式介于折线型和溢流坝型之间，采用“金包银”砼实体结构，周边用C20砼，坝体中用C15砼。堰型采用实用宽顶堰，闸室顺水流方向长度为9.0m，堰体总长19.0m，既解决了布置液压翻板闸门的需要，又满足了闸坝抗滑稳定和地基应力的要求。由于闸基座落在全风化软基和砂砾层上，闸坝的防渗排水设计甚为重要，经计算闸坝基础的渗透压力及抗渗稳定性，在闸坝上游面设置35m长的防渗铺盖，采用1.5m厚的粘土，下设0.2m厚的反滤层，上面用0.5m厚M7.5浆砌石护面，再铺设0.2m厚C20砼作为防冲层，与下游的消能防冲设施构成完整的防渗排水系统。根据枢纽下游河床的地质情况以及控制运行水力计算分析，闸坝下游设计采用底流式消力池消能，堰下游做消能设施衬护，以渥奇段光滑曲线连接消力池，消力池后接海漫和防冲槽。
由于增江河洪水涨幅度大，堰顶高程为1.00m，校核洪水位为9.90m，过水深8.9m，倘若采用弧形门，为使闸门开启后底缘离开设计洪水位，弧形闸门的支臂必须造得很大，结构庞大复杂，闸墩工程量很大，工程造价很高。若采用上落平板闸门，闸墩及启闭架很高，工程造价也较高。根据多年的实践经验，经多方面的分析比较，选择采用单支铰简支翻板钢闸门，考虑到钢闸门的结构形式，闸门太宽，制作和运行不便，太窄，则布置的闸墩较多，增加工程量且上游漂浮物造成的影响较大，经综合考虑并参照闸门标准系列要求，拦河闸单孔宽度选用8.0m，布置21孔泄洪闸，安装8 m×5.8m（宽×高）的单支铰简支翻板钢闸门，采用液压启闭机控制。闸墩中墩宽0.8m，两侧边墩底宽1.0m，高度6.3 m，下部与溢流堰及闸室底板相连。墩头、墩尾为圆形，圆弧半径0.4 m，其尾端与闸室下游面齐平。每3孔设一分缝墩，缝墩宽0.6m，每三孔为一坝段，每坝段宽26.8m，共设7个坝段。闸前正常蓄水位6.5m，闸门顶高程6.80m，闸墩顶高程7.30m闸坝顶上布置公路桥，桥面高程10.70m，桥面宽度为5.0m。
初溪水利枢纽工程项目在初歩设计审批后，委托广东省水利科学研究院进行了水工模型试验，内容主要包括拦河闸断面模型和枢纽整体模型水力试验。试验项目包括拦河闸坝泄流能力、流量系数、流态及流速分布；拦河闸闸门控制运行方式；下游冲刷深度及影响范围，并观测下游的流态变化及其对下游河床、岸坡的冲刷影响程度；厂房进、出口的流速流态分布及对航运的影响等，验证了枢纽工程设计和布置的合理性，也对工程建成后的运行管理起到了指导作用。本枢纽工程为Ⅲ等中型工程，拦河闸坝等永久性挡水与泄水建筑物级别为3级，按照20年一遇（P＝5％）洪水标准设计，100年一遇（P＝1％）洪水标准校核。
2.液压翻板闸门
在枢纽工程布置中，拦河坝溢洪闸的方案经多方论证比较，最后选定为单支绞简支梁式平面翻板钢闸门，采用液压启闭系统集中控制。闸门底高程为1.0m，闸门宽高尺寸为8×5.8m，正常蓄水位6.5m，闸门顶高程比闸前正常蓄水位高30cm，目的是为日后电站运行水头适当提高准备余量。同时，考虑到防洪和淹没问题，拦河坝闸门又设计成具有水力自开功能，通过确定合理的支绞旋转中心位置，当水位超过闸门顶10cm 后，即使液压装置不（能）动作，闸门也可以靠水压力作用自行翻倒，确保防汛工作在最不利的情况下能安全可靠的顺利进行。
根据拟定的闸门宽高尺寸，按照6m水头进行门体设计，经有关的强度、刚度计算和结构考虑，闸门采用3主横梁、6纵梁（含2边梁）的平板结构，面板选用10mm厚钢板，主横梁、纵梁均为0.65m的等高梁，顶梁及底梁按构造要求布置，顶梁高0.3m，底梁高0.2m，总体尺寸8 m×5.8m×0.65m（宽×高×厚）。上主横梁布置连接油缸的吊环，中间主横梁布置闸门的旋转支铰，下主横梁在日常蓄水时两端简支在闸墩上，门体总重量约11.8t，重力线至支铰中心距离S=0.648m。
拦河闸坝21孔翻板闸门采用一整套液压启闭系统集中控制，液压工作站（油压装置）布置在水电站厂房水轮机层下游左侧，自液压工作站向闸坝方向引出主油管，向每孔闸门引出分油管、控制阀组、弯接头、高压软管和两支液压油缸。根据闸前水位为4.79m（即闸前蓄水深度3.79m）时，闸门开启负荷最大的计算成果，确定液压启闭机启门力容量为2×250KN；根据闸门全开状态时，关闸的负荷计算成果，确定液压启闭机闭门力容量为2×200KN。经质量、费用和保修等方面的综合比较，选用江苏省武进液压启闭机厂有限公司生产的HSG系列工程液压油缸，缸径D=220mm，活塞杆直径d=150mm，工作压力P=16MPa，工作行程L=1900mm。
下面对初溪拦河坝翻板闸门设定的3个重要技术参数进行说明：
2.1旋转支铰位置的确定
翻板闸门的支铰位置是一个很重要的水力参数，要使闸门能自动翻倒，闸门的水压力必须克服自重和摩擦力对支铰的力矩，同样的道理，液压控制闸门的启闭时，油缸活塞杆的作用力必须能克服上述阻力矩，才能使闸门开启或关闭。
根据水位超过闸门顶10cm 后，闸门能靠水压力自动翻倒的要求来确定旋转支铰的位置。
如附图-1所示，此时水位高程6.9m，闸前水深Hs=5.9m，闸门高度H=5.8m，宽度B=8m
水压力 P= rHB（2Hs-H）= ×10×（2×5.9-5.8）×5.8×8=1392（KN）
式中：r-水的比重，取10KN/m3；
作用点位置 Hp= H（3Hs-2H）/3（2Hs-H）= 5.8×（3×5.9-2×5.8）/3×（2×5.9-5.8）=1.965m
重力对支铰的反力矩
MG=GS=11.8×104×0.648=7.6464×104Nm=76.464KNm
式中：G-闸门自重，取11.8×104N；S-重力线至支铰中心距离，取0.648m；
MP=P（HP-h）=1392（1.965-h）
式中：h-支铰中心的位置高度（m）；
当MP≥MG+Mf时，（Mf摩擦力矩，因转动摩擦力不大且难于准确计算，在此暂时忽略不计）
即1392（1.933-h）≥76.464
解不等式得：h≤1.91取h=1.9m
考虑到摩擦力的实际存在，适当降低一点支铰位置，对闸门水力自翻有利，但也不能选得过低，会造成蓄水不稳定，未达到规定水位提前翻倒。经复核验算，选取h=1.9m是合理的。
水压力对支铰的力矩
2.2吊点位置、油缸倾斜角和行程的确定
翻板闸门的吊点位置直接影响油缸对旋转支铰的力臂和油缸的行程，吊点位置越高，力臂和行程越大，吊点位置越低，力臂和行程越小。增大力臂可减小油缸的出力，但是力臂大，需要的油缸行程也大。如果油缸行程过大，油缸下支承点位置难于布置，不但费用增加，而且对活塞杆的刚度和稳定性不利。在油缸的安装高度方面，要求不论闸门开启还是关闭状态，都要使油缸对支铰产生较大的力臂为最好。为此，根据闸门尺寸和旋转支铰位置，选用多组安装数据进行试算、试布置，经综合比较，最后选定最佳方案参数，吊点中心位置在旋转支铰中心正上方1.4m处，油缸倾斜角（油缸轴线与水平面夹角）为44.9°，油缸工作行程1.9m，如附图-2所示。
闸门受到的总水压力 P=1/2rHx2B
水压力对支铰的力矩 MP=P（1.9-Hx/3）=1/2rHx2B（1.9-Hx/3）
式中：r-水的比重，取10KN/m3；B-闸门宽度，取8m；
则 MP=40Hx2（1.9-Hx/3）
当1.9-Hx/3＞0时，即Hx＜5.7时 MP＞0 水压力矩逆时针方向，阻碍闸门开启
当1.9-Hx/3＜0时，即Hx＞5.7时 MP＜0 水压力矩顺时针方向，帮助闸门开启
求函数 M（Hx）=40Hx2（1.9-Hx/3）的最大值
得：Hx=3.79时 Mpmax=365.824KNm
当闸前水深为3.79m时，水压力对支铰的阻力矩最大，如果此时开启闸门，需要的启门力矩最大。
启门力矩 Mmax =Mpmax +MG+Mf
式中：摩擦力矩Mr忽略不计
即 Mmax=Mpmax +MG =365.824+76.464=442.288（KNm）
油缸力臂 OB=OASin（90°-44.9°）=1.4×Sin45.1°=0.9917（m）
油缸启门力 Fmax =Mmax/ OB =442.288/0.9917=445.989（KN）
单缸启门力 Fmax /2 =445.989/2=222.995（KN）
因此，当闸前水位为4.79 m（即水深为3.79m）时，开启闸门的最大启门力为 2×222.995（KN）
同样的道理，可以分析计算得出：
正常蓄水位6.5m（即蓄水深度5.5 m）时，开启闸门需要的启门力为 2×79.243（KN）
闸门在全开泄水状态时关闸，关闭闸门需要的闭门力为 2×53.54（KN）。
3.闸门的运行管理
拦河坝闸门要按照其工作要求及操作规程进行运行管理，首先要服务于水利枢纽的功能效益，满足环境美化、发电、供水、灌溉以及航运等方面的需要，做好防洪安全调度，发挥好流量水位的调节作用，配合电站充分利用水能多发电，与电站运行联合统一控制。当上游来水流量小于电站发电流量时，闸门全部关闭，蓄水发电；当来水流量超过发电流量但小于控制流量时，部分闸门开启，向下游排泄多余水量；当来水流量大于控制流量，又有洪水降雨预报，增江有排洪需要时，拦河坝闸门全部开启，恢复天然状态，满足过洪需要。闸门的开闸运行方式，要注意避免冲刷下游海漫，根据模型试验和消能计算成果，应控制先开5孔，然后再开其余各孔，开启孔数不能少于5孔。除特殊情况外，一般应坚持5孔齐歩开启原则，使出闸水流均匀扩散。根据增江的水能规划要求，在实际工作中，以允许发电最大来水流量为250m³/s作为控制流量，制定初溪拦河坝闸门的运行办法和操作方案。
1、当上游来水流量Q来≤147.9m³/s（三台机组满负荷发电流量）时，全部流量供水电站发电之用，即Q来=Q发，闸门全部关闭，闸坝上游蓄水至正常水位6.50m。
2、当上游来水流量超过三台机组满负荷发电流量，但小于250m³/s，即147.9m³/s≤Q来≤250m³/s时，除满足水电站发电流量外，拦河坝闸门部份开启（开启孔数不少于5孔），泄放剩余流量，闸前水位仍保持6.50不变。
3、当上游来水流量Q来≥250m³/s时，闸门开启泄洪，以保证闸前壅水不致过高，防止出现防洪和淹没问题，保持天然河道水流状态。闸门全开时，要从小开度并以1组至4组顺序开启，然后逐步增加开度循环增大。保证上游水位逐步降低，严禁骤降水位，洪峰过后再行关闭闸门蓄水至6.50m。
4、当电站因故停机或甩负荷时，发电引用流量骤减为零，此时上游来水量有多少就下泄多少即Q泄=Q来。其中Q来≤250m³/s时，闸门部份开启，保持上游正常蓄水位6.50m不变；Q来≥250m³/s时，闸门全部开启泄洪。
5、控制工况，电站有机组检修，部份机组发电，当上游来水流量大于所需的发电流量，但小于250m³/s时，根据消能防冲计算，开闸泄放多余流量，闸前水位保持6.50m不变。
6、拦河闸坝闸门开启方式：闸门分组开启，每组同时开启，第一组包括1#、5#、9#、13#、17#、21#闸门；第二组包括3#、7#、11#、15#、19#闸门；第三组包括2#、6#、10#、14#、18#闸门；第四组包括4#、8#、12#、16#、20#闸门。闸门开启组数的多少根据下泄流量多少而定。
7、所有开启的闸门保持开度一致，使各闸孔出流量相等，水流均匀，尾水整齐无回流。
8、如果发生电源供应问题或液压装置故障，不能有效控制闸门时，必须启动水控装置（设计水位6.90m），先由1至21号闸门开启小开度，然后逐步增加开度，力求闸门同歩开启。
参考文献：
[1]刘华发，姚灶坤，黄文星，朱雪华.广东省增城市增江河水资源综合利用暨初溪水电站初歩设计报告[Z].增城市水利水电勘测设计室，2000.
[2]黄文星.增城市初溪水利枢纽工程-金属结构工程设计工作报告[Z].增城市水利水电勘测设计室，2003.
[3]毛昶熙，周名德，柴恭纯.闸坝工程水力学与设计管理[M].北京：水利电力出版社，1995.
[4]武汉水利电力学院.水工建筑物[M].北京：水利电力出版社，1987.
[5]华东水利学院.水工设计手册[M].北京：水利电力出版社，1984.
[6]水利部SL74-95.水利水电工程钢闸门设计规范[M].北京：中国水利水电出版，1995.
[7]蔡正坤，瞿尔仁.闸门与启闭机[M].北京：水利电力出版社，1981.
[8]水电站机电设计手册编写组，水电站机电设计手册[M].北京：水利电力出版社，1988.
[9]机械设计手册联合编写组，机械设计手册[M].北京：化学工业出版，1983.
作者简介：
黄文星，男，主任工程师，长期从事水务工程设施的技术管理工作。
论文作者:黄文星
论文发表刊物:《基层建设》2017年第19期
论文发表时间:2017/11/9
标签：闸门论文; 拦河闸论文; 闸坝论文; 液压论文; 水位论文; 流量论文; 高程论文; 《基层建设》2017年第19期论文;