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        凌源市虎頭石攔河閘除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

        2015-11-01 10:06:51修德祿史曉東馬王禹澤
        東北水利水電 2015年12期

        田 凱,修德祿,史曉東,馬王禹澤

        (1.營(yíng)口市水利勘測(cè)建筑設(shè)計(jì)院,遼寧營(yíng)口115000;2.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,吉林長(zhǎng)春130021)

        凌源市虎頭石攔河閘除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

        田凱1,修德祿1,史曉東2,馬王禹澤2

        (1.營(yíng)口市水利勘測(cè)建筑設(shè)計(jì)院,遼寧營(yíng)口115000;2.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,吉林長(zhǎng)春130021)

        為了確保凌源市虎頭石攔河閘的安全穩(wěn)定運(yùn)行,經(jīng)過(guò)安全鑒定需要對(duì)其進(jìn)行除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)。加固后的虎頭石攔河閘由水力自動(dòng)翻板閘、沖砂閘和引水閘等建筑物組成,針對(duì)攔河閘淤泥問(wèn)題加固設(shè)計(jì)增設(shè)了水力自動(dòng)翻板閘輔助沖砂系統(tǒng),可以有效地解決攔河閘上下游河道淤積問(wèn)題,處理好排砂和引水的矛盾。該設(shè)計(jì)具有一定創(chuàng)新性,對(duì)同類(lèi)攔河閘工程具有相當(dāng)借鑒意義。

        除險(xiǎn)加固;水力自動(dòng)翻板閘;輔助沖砂系統(tǒng);虎頭石攔河閘

        1 工程概況

        虎頭石攔河閘位于凌源市叨爾登鎮(zhèn)虎頭石村,攔河閘位于青龍河流域干流上,該工程始建于1993年,并于當(dāng)年交付使用,在2000年進(jìn)行了除險(xiǎn)加固,該攔河閘主要功能為灌溉和引水發(fā)電。現(xiàn)狀工程由3孔引水閘、1孔沖砂閘和23孔水力自動(dòng)翻板閘組成。水力自動(dòng)翻板閘單孔凈寬為7m,總長(zhǎng)為162.32m;發(fā)電廠房位于攔河閘下游約2.5km處,電站進(jìn)口與廠房由暗渠連接,電站總裝機(jī)容量1600kW,多年平均發(fā)電量593萬(wàn)kW·h;工程灌溉面積為12hm2。

        虎頭石攔河閘位于凌源市叨爾登鎮(zhèn)虎頭石村,青龍河流域干流,屬東亞季風(fēng)氣候,多年平均降水量為461.3mm,多年平均氣溫為8.3℃,極端最高氣溫為43.3℃,極端最低氣溫-29.5℃。多年平均風(fēng)速2.5m/s,歷年最大凍土深139 cm。閘址多年平均懸移質(zhì)輸沙量為364×104t,多年平均推移輸沙量為72.8×104t,閘址多年平均來(lái)沙量為437×104t。

        虎頭石攔河閘建在青龍河上游河段,屬遼西中低山區(qū),山頂呈長(zhǎng)梁狀,巖石裸露,植被不發(fā)育。河谷寬闊,河床較窄,河流蜿蜒曲折。兩岸為一級(jí)階,一級(jí)階地較發(fā)育,階地較平坦,高出河床1~3m,河床寬150~180m,階地后緣為中低山地形。地層巖性覆蓋層為第四系全新統(tǒng)沖洪積層粉土、砂、圓礫等,閘址區(qū)基巖為燕山早期二長(zhǎng)花崗巖。工程區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度,地震動(dòng)峰值加速度為0.10g。地質(zhì)構(gòu)造受區(qū)域性斷裂控制,鉆孔巖芯未見(jiàn)構(gòu)造跡象。現(xiàn)狀攔河閘為毛石混凝土基礎(chǔ),厚6.0~9.0m,建基在強(qiáng)風(fēng)化二長(zhǎng)花崗巖上,強(qiáng)度均可滿足要求。閘基基本無(wú)滲漏及穩(wěn)定等工程地質(zhì)問(wèn)題。

        2 建設(shè)的必要性

        工程經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行,由于觀測(cè)及維修資金未及時(shí)到位,工程主體出現(xiàn)不同程度的破損,目前已經(jīng)嚴(yán)重影響了攔河閘的正常使用功能。2009年4月凌源市水利局組織對(duì)該水閘進(jìn)行安全鑒定工作,發(fā)現(xiàn)工程存在的主要問(wèn)題如下:

        1)水力自動(dòng)翻板閘上、下游河道淤積嚴(yán)重,其中左側(cè)10扇水力自動(dòng)翻板閘底板高程低,其上游淤積情況相對(duì)較輕,但中部6扇和右側(cè)7扇水力自動(dòng)翻板閘上游淤積較為較重。由于水力自動(dòng)翻板閘下游無(wú)消能設(shè)施,下游河道淤積嚴(yán)重,現(xiàn)階段下游河段部分河道已被淤泥覆蓋,其中左10孔水力自動(dòng)翻板閘底板下游30~50m范圍內(nèi)河床下切,形成沖坑,沖坑下游產(chǎn)生淤積,最大淤土高度近乎與水力自動(dòng)翻板閘頂齊平,中部6扇和右側(cè)7扇水力自動(dòng)翻板閘下游淤積尤為嚴(yán)重,淤積土體已發(fā)展至閘后。

        2)水力自動(dòng)翻板閘底板、支墩、翼墻等構(gòu)造物破損嚴(yán)重,無(wú)法正常運(yùn)用;水力自動(dòng)翻板閘閘門(mén)板破裂;直臂、支座銹蝕嚴(yán)重,不能翻轉(zhuǎn);面板間接縫處及面板底部止水不嚴(yán),現(xiàn)有多處發(fā)生嚴(yán)重滲漏;面板接縫砂漿抹縫局部脫落,面板接縫處現(xiàn)已出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。

        3)沖砂閘和引水閘底板均被沖淘的卵石掩埋,導(dǎo)致閘門(mén)底部止水不嚴(yán)。沖砂閘及引水閘均采用平板鋼閘門(mén)擋水。面板梁系構(gòu)體防護(hù)涂層基本完整,局部出現(xiàn)銹蝕起皮。橡膠止水老化,龜裂、局部變形,損壞。閘門(mén)槽埋件銹蝕嚴(yán)重。

        經(jīng)過(guò)鑒定,目前虎頭石攔河閘過(guò)流能力、閘室滲透穩(wěn)定、下游消能防沖以及主體建筑物強(qiáng)度和耐久性均不能滿足要求,鑒定虎頭石攔河閘安全類(lèi)別評(píng)定為三類(lèi)閘。目前攔河閘存在嚴(yán)重安全問(wèn)題,對(duì)其周邊及下游地區(qū)的防洪也存在較大的安全隱患,因此亟需對(duì)攔河閘進(jìn)行除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)。

        3 攔河閘加固設(shè)計(jì)

        依據(jù)虎頭石攔河閘安全鑒定的結(jié)論,對(duì)虎頭石攔河閘工程進(jìn)行除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì),加固后的攔河閘需在滿足規(guī)范要求的泄洪能力的前提下,解決好攔河閘上、下游河道淤積問(wèn)題,盡量處理好排砂和引水的矛盾,使其提升原設(shè)計(jì)的使用功能,讓其穩(wěn)定長(zhǎng)久的發(fā)揮效益。虎頭石攔河閘加固設(shè)計(jì)將原水力自動(dòng)翻板閘閘門(mén)拆除,更換為新型水力自動(dòng)翻板閘,并增設(shè)水力自動(dòng)翻板閘輔助沖砂系統(tǒng),閘室底板拆除1~2m,底板以下毛石混凝土基礎(chǔ)保留,新增下游消力池及海漫;沖砂閘底板拆除1.0m,底板以下毛石混凝土基礎(chǔ)保留,上部結(jié)構(gòu)全部拆除重建,新增下游消力池及海漫;引水閘底板拆除1.0m,上部結(jié)構(gòu)全部拆除重建。

        鑒于虎頭石攔河閘工程下游居民及耕地稀少,防護(hù)對(duì)象的重要性為一般,經(jīng)綜合分析確定該工程等別為Ⅱ等,工程規(guī)模為大(2)型,主要建筑物級(jí)別為3級(jí),次要建筑物為4級(jí)。

        3.1水力自動(dòng)翻板閘

        加固后攔河閘主體仍為水力自動(dòng)翻板閘,軸線長(zhǎng)162.60m,共布置20孔水力自動(dòng)翻板閘,單孔凈寬8.0m,閘高2.5m。閘室前設(shè)置3.0m長(zhǎng)塊石護(hù)腳。閘室順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)10.0m,閘底板高程為287.61m,堰高0.31m,底板厚1.7m,中墩厚1.0m,上下游墩頭為半圓弧形。在攔河閘下游布置工作橋,橋?qū)?.6m。示意圖見(jiàn)圖1。

        由于該地區(qū)水土流失嚴(yán)重,加之閘門(mén)擋水?dāng)r蓄,閘前水位增高,流速降低,極易在閘前形成泥砂淤積,連續(xù)幾個(gè)枯水年之后,閘前容易造成泥砂淤積較多而造成翻板閘轉(zhuǎn)動(dòng)不靈,洪水期不能翻轉(zhuǎn)影響行洪,因此工程設(shè)計(jì)中針對(duì)攔河閘泥砂淤積問(wèn)題增加了水力自動(dòng)翻板閘輔助沖砂系統(tǒng)。原攔河閘當(dāng)閘前淤積一定厚度的泥砂之后,泥砂壓力的重心低于轉(zhuǎn)軸,形成被動(dòng)力矩,而使水壓力主動(dòng)力矩小于自重被動(dòng)力矩與泥砂被動(dòng)力矩之和,閘門(mén)便翻轉(zhuǎn)失靈。為解決上述問(wèn)題,在閘門(mén)肋板頂端施加拉力,形成主動(dòng)力矩,克服泥砂壓力形成的被動(dòng)力矩,便可使翻板板門(mén)重新翻轉(zhuǎn),翻轉(zhuǎn)后閘門(mén)泄水帶走泥砂,翻板閘運(yùn)行恢復(fù)正常。

        該工程自動(dòng)閘門(mén)寬8.0m,閘門(mén)設(shè)兩道豎向混凝土肋板,肋板間距4.4m,為閘門(mén)面板的支撐梁。輔助拉力施加在肋板的頂端,采用鋼絲纜繩順河道方向拉動(dòng)。由于閘門(mén)翻轉(zhuǎn)后過(guò)流,下游側(cè)直接操作易受水流沖刷,工作條件危險(xiǎn),因此閘下游增設(shè)滑輪組,利用滑輪組改變拉力方向,使拉力垂直河道而更易于在岸邊操作。下游增設(shè)工作橋,便于工作人員進(jìn)行鋼絲纜繩連接與松綁、檢修、維護(hù),輔助沖砂系統(tǒng)如圖一所示。左岸沖砂閘閘墩頂平臺(tái)布置一臺(tái)6t的卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī),進(jìn)行拉動(dòng)閘門(mén)與放松閘門(mén)。

        輔助沖砂系統(tǒng)的工作拉力計(jì)算,翻板閘閘門(mén)高2.5m,為計(jì)算閘門(mén)輔助拉力,可先假定泥砂淤積厚度為0.5m進(jìn)行分析,確定合適的閘門(mén)拉力。計(jì)算時(shí)假定閘門(mén)拉動(dòng)沖砂時(shí)的水位為河道正常蓄水位,如果洪水期拉動(dòng)閘門(mén),則所需的拉力更小。根據(jù)力矩平衡原則計(jì)算,主動(dòng)力矩與被動(dòng)力矩和為零時(shí),閘門(mén)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)閘前淤積高度為0.5m時(shí),單根鋼絲纜繩的拉力為2.64t。此次設(shè)計(jì)選用滑輪組的規(guī)格為5t,卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)6t。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,應(yīng)密切觀察閘前淤積情況,及時(shí)開(kāi)閘沖砂,確保閘前淤積高度不大于0.5m。正常蓄水位情況下,0.5m深泥砂,輔助沖砂系統(tǒng)的工作拉力計(jì)算結(jié)果:水影響,水深2.50m,閘前水壓力25.00t,力臂0.39,水翻動(dòng)力矩9.75t·m;泥砂水平分力影響,泥砂淤積深0.5m,閘前泥砂壓力0.159t,力臂-0.28,水翻動(dòng)力矩-0.04t·m;泥砂垂直沿斜面壓力影響,閘前泥砂壓力0.6t,力臂-1.49,水翻動(dòng)力矩-0.89t·m;閘門(mén)阻力矩-19.25t·m;卷?yè)P(yáng)拉力,單根鋼絲纜繩拉力2.64t,卷?yè)P(yáng)力矩10.4t·m,合力矩為0.0。

        圖1 水力自動(dòng)翻板閘示意圖

        通過(guò)過(guò)流能力計(jì)算,當(dāng)水力自動(dòng)翻板閘全部開(kāi)啟,遭遇20年一遇洪水時(shí),上游水位293.32m,相應(yīng)下泄洪峰流量3417m3/s,設(shè)計(jì)流量為3410m3/s。當(dāng)遭遇50年一遇校核洪水時(shí),右岸灘地過(guò)流,上游水位295.84m,相應(yīng)下泄洪峰流量6089m3/s,校核流量為6080m3/s,水力自動(dòng)翻板閘過(guò)流能力滿足要求。

        通過(guò)消能防沖計(jì)算,在水力自動(dòng)翻板閘下游設(shè)置長(zhǎng)20.26m、深1.0m、底板厚1.0m的消力池,以及長(zhǎng)33.0 m、厚0.5m的格賓石籠海漫,用以控制閘后水流,改善水流條件。

        3.2沖砂閘

        加固后的沖砂閘閘孔尺寸與原閘相同,為3.0m×3.8沖砂閘下游采用底流消能,經(jīng)消能防沖計(jì)算,消力池長(zhǎng)18.26m,底板厚1.0m,底板頂高程285.92m;格賓石籠海漫長(zhǎng)33.0m,厚0.5m,頂高程286.92m。

        m(寬×高),閘墩厚0.80m,閘室前設(shè)置3.0m長(zhǎng)塊石護(hù)腳。閘室順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)10.0m,閘底板高程286.92m,底板厚1.0m,上、下游墩頭為半圓弧形。在296.94m高程布置管理房及檢修平臺(tái),平臺(tái)寬4.5m。在檢修平臺(tái)上布置混凝土排架,排架頂部301.44m高程布置工作平臺(tái)。

        3.3引水閘

        加固后的引水閘閘孔尺寸與原閘相同,共布置3孔,單孔尺寸為2.5m×2.8m(寬×高)。閘室前設(shè)置3.0m長(zhǎng)塊石護(hù)腳。閘室順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)10.0m,閘底板高程287.92m,底板厚1.0m,邊墩厚0.8m,中墩厚0.8m,上下游墩頭半圓弧形。在296.94m高程布置管理房及檢修平臺(tái),平臺(tái)寬4.5m。在檢修平臺(tái)上布置混凝土排架,排架頂部300.44m高程布置工作平臺(tái)。引水閘閘前設(shè)置攔污柵。

        在引水閘下游設(shè)置混凝土連接段與下游原輸水涵洞相接。接段總長(zhǎng)10.75m,寬度由10.7m漸變至8.2m,過(guò)水?dāng)嗝嬗?.5m漸變至4.6m。

        沖砂閘和引水閘均采用手電兩用螺桿式啟閉機(jī)操縱閘門(mén)。

        4 結(jié) 語(yǔ)

        除險(xiǎn)加固后的虎頭石攔河閘由水力自動(dòng)翻板閘、沖砂閘和引水閘等建筑物組成,同時(shí)在水力自動(dòng)翻板閘中增設(shè)輔助沖砂系統(tǒng),可以有效解決攔河閘上、下游河道淤積問(wèn)題,處理好排砂和引水的矛盾;同時(shí)經(jīng)過(guò)消能防沖設(shè)計(jì),在攔河閘下游設(shè)置消力池和海漫,用以控制閘后水流,改善水流條件,以上設(shè)計(jì)能大大提升攔河閘的使用功能,穩(wěn)定長(zhǎng)久的發(fā)揮攔河閘效益。本文對(duì)凌源市虎頭石攔河閘除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)除滿足灌溉和發(fā)電的主要功能外,兼具了解決閘址上下游淤積問(wèn)題,該工程的建設(shè)將對(duì)同類(lèi)攔河閘工程具有相當(dāng)借鑒意義。

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