楊小宸

（遼寧省水利水電科學(xué)研究院，遼寧沈陽(yáng)110003）

雙向分層取水閘門優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用

楊小宸

（遼寧省水利水電科學(xué)研究院，遼寧沈陽(yáng)110003）

本文針對(duì)取水或排水工況較為復(fù)雜的情況，為滿足取用不同層次水體的需求，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種操作簡(jiǎn)便靈活、具有雙向止水效果的雙向分層取水閘門結(jié)構(gòu)，并在錦州凌海市得到實(shí)際應(yīng)用，具有一定的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

水閘；雙向分層取水；優(yōu)化設(shè)計(jì)；應(yīng)用

1　概述

水閘是一種重要的取水建筑物，能夠?yàn)楣喔?、養(yǎng)殖、城鎮(zhèn)供水、水力發(fā)電等用水系統(tǒng)提供必要的水源。但深層水質(zhì)往往存在泥沙淤積、水質(zhì)惡化等問(wèn)題，因此，通過(guò)建立分層取水水閘，取用不同層次的水體，可實(shí)現(xiàn)取水水質(zhì)的改善。

目前能夠?qū)崿F(xiàn)分層取水的閘門型式主要有疊梁式和雙扉閘門。疊梁式閘門由多節(jié)閘門疊加組合，由啟閉機(jī)和自動(dòng)掛脫梁逐節(jié)取出閘門實(shí)現(xiàn)分層取水，但操作運(yùn)行不靈活，滲漏量略大，且另需門庫(kù)供其存放，多用于檢修閘門或臨時(shí)擋水之用。雙扉閘門由兩扇平面閘門上、下搭接而成，前后錯(cuò)開布置，上扉門相當(dāng)于一道活動(dòng)胸墻。雙扉閘門可雙向擋水，并可分別啟閉，兩扇閘門共用一套閘槽和一套啟閉設(shè)備，這種閘門型式能夠降低排架高度，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，啟閉系統(tǒng)造價(jià)高，操作過(guò)程繁瑣。因此，本文針對(duì)取水和排水工況較為復(fù)雜的情況，在雙扉閘門基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種操作簡(jiǎn)便靈活、具有雙向止水效果的分層取水閘門結(jié)構(gòu)，以滿足取用不同層次水體的需求。

2　閘門優(yōu)化設(shè)計(jì)

雙向分層取水閘門主要組成部分包括上、下雙層閘門及啟閉機(jī)，閘底板、閘墩、隔水板、門槽、排架等結(jié)構(gòu)。閘門的運(yùn)用特點(diǎn)是操作簡(jiǎn)便，運(yùn)用靈活，當(dāng)需要取上層清水時(shí)，單獨(dú)開啟上層閘門；當(dāng)水質(zhì)較好，或需要大量取水時(shí)，可同時(shí)開啟上、下層閘門；而當(dāng)需要排放下層渾水時(shí)，單獨(dú)開啟下層閘門。結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。為實(shí)現(xiàn)雙向分層取水效果，在以下方面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1閘門及啟閉設(shè)備

雙向分層取水閘門按上下雙層設(shè)計(jì)，前后交錯(cuò)布置，工作閘門選擇雙向止水鑄鐵閘門，每座閘門由單獨(dú)的啟閉機(jī)獨(dú)立控制，分析計(jì)算閘門的啟門力和閉門力，通過(guò)篩選計(jì)算參數(shù)，從而確定閘門的較優(yōu)的斷面尺寸，最后優(yōu)選確定啟閉設(shè)備。計(jì)算公式如下：

啟門力（kN）：T啟=9.8（1.2SHf+1.1G-0.9V）

閉門力（kN）：T閉=9.8（1.2SHf+0.9G-1.2V）

式中：1.2，1.1，0.9——修正系數(shù)；S——過(guò)水口面積，m；H——過(guò)水口中心至設(shè)計(jì)水位高度，m；G——門板自重，t；f——止水座摩擦系數(shù)，f鑄鐵-鑄鐵＝0.35，f鑄鐵-青銅＝0.26，f不銹鋼-青銅＝0.30；V——門板排開水的體積，m3。

該閘門選擇的啟閉設(shè)備主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，避免了閘門啟閉系統(tǒng)過(guò)于繁瑣帶來(lái)的弊端，能夠根據(jù)不同的工況，采取相應(yīng)的啟閉方案，操作簡(jiǎn)便靈活。

2.2隔水板

由于閘門之間止水難以處理，因此設(shè)計(jì)時(shí)在每座閘門兩側(cè)均設(shè)置一層隔水板，并在隔水板與閘門連接處增設(shè)了止水裝置，可實(shí)現(xiàn)雙向止水。隔水板尺寸可設(shè)計(jì)較小，可認(rèn)為對(duì)取水的影響是較小的。

3　應(yīng)用實(shí)例

以遼寧省凌海市某圍海養(yǎng)殖工程為例，該工程通過(guò)修筑海堤和穿堤納潮閘，吸納潮水形成內(nèi)湖，進(jìn)行圍海養(yǎng)殖，對(duì)養(yǎng)殖水質(zhì)有一定的要求。

圖1　雙向分層取水閘門結(jié)構(gòu)示意圖

3.1水文地質(zhì)特征

項(xiàng)目區(qū)潮汐特性為不規(guī)則半日潮，根據(jù)附近葫蘆島海洋站潮位資料，50年、20年和10年一遇設(shè)計(jì)潮位分別為2.79 m，2.69 m和2.60 m。項(xiàng)目區(qū)常浪向南南西，頻率為34.02%；強(qiáng)浪向?yàn)槟夏衔?，?shí)測(cè)最大波高2.6 m。項(xiàng)目區(qū)所處地貌單元為沖海積平原、濱海灘涂，巖性主要為粉土、粉質(zhì)粘土、粉土夾粉質(zhì)粘土等，局部夾粉砂薄層。各巖土層的地基允許承載力較低，具中等～高壓縮性，抵抗沉降變形能力差；土層屬微透水層～弱透水層，滲透變形為流土型；抗震設(shè)防烈度為6度。

3.2運(yùn)行工況要求

根據(jù)圍海養(yǎng)殖工程對(duì)納潮量和水質(zhì)的要求，擬建納潮閘需實(shí)現(xiàn)以下3種運(yùn)行工況：

工況一：為工程完工后的首次納潮，在大潮高潮位期間，同時(shí)開啟上層、下層閘門，將大量潮水引入內(nèi)湖，內(nèi)湖最高蓄水位為2 m，納潮量約為1 000萬(wàn)m3，要求在1個(gè)月內(nèi)通過(guò)2次大潮納滿。

工況二：首次納潮后，需根據(jù)實(shí)際情況，定期納潮補(bǔ)水，補(bǔ)償養(yǎng)殖、蒸發(fā)、滲漏等水量損失。由于工程地附近淤泥含量較多，深層水質(zhì)多較渾濁，因此納潮補(bǔ)水時(shí)需補(bǔ)表層清水，保證內(nèi)湖水質(zhì)。開啟上層閘門，利用大潮高潮位，引表層清水入內(nèi)湖。

工況三：為了保證內(nèi)湖水循環(huán)，還需定期利用低潮位排放底層渾濁水體，一方面促進(jìn)內(nèi)湖水流動(dòng)，另一方面減少渾水，能夠進(jìn)一步改善內(nèi)湖水質(zhì)。利用外海低潮位，開啟下層閘門，將內(nèi)湖底層渾水排出。

3.3納潮閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

綜合考慮地質(zhì)、水流、潮汐等因素，共需修建4座納潮閘，根據(jù)現(xiàn)狀底高程情況，確定閘門底高程為0.8 m。穿堤納潮閘所在海堤設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，確定納潮閘設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，因此設(shè)計(jì)水位差為1.89 m。為滿足不同工況下的取水需求，選用本文的雙向取水閘門結(jié)構(gòu)，每座納潮閘閘室長(zhǎng)6 m、寬20.6 m，共設(shè)6孔，單孔寬2.5 m，采用雙向止水鑄鐵閘門，閘門孔口尺寸為2.5 m×1.0 m（寬×高），閘門間隔水板厚0.15 m。經(jīng)啟閉力計(jì)算，最大啟門力為25.2 kN，最大閉門力為11.7 kN，因此啟閉設(shè)備選擇手電兩用單吊點(diǎn)螺桿啟閉機(jī)QL-50 kN。納潮閘所處為海水浪濺嚴(yán)重且冬季結(jié)冰海域，閘室均采用C35，W6，F(xiàn)300鋼筋混凝土。

3.4納潮閘水力分析

納潮閘納潮能力需滿足工況一的要求，按平底寬頂堰堰流情況，過(guò)流能力計(jì)算式為：

式中：Q——過(guò)水流量，m3/s；H0——計(jì)入行進(jìn)流速的進(jìn)口水頭，m2，其中H為閘前水位，v為上游行近流速（m/s），α為動(dòng)能修正系數(shù)；σ——淹沒(méi)系數(shù)，當(dāng)hs/H0≤0.72時(shí)取為1，當(dāng)hs/0.4H0=0時(shí)，其中hs為由堰底算起的下游水深；ε——側(cè)收縮系數(shù)；m——流量系數(shù)，可采用0.385；B0——閘孔總凈寬，m。

工況一要求在1個(gè)月內(nèi)兩次大潮期間納滿內(nèi)湖，即納潮量達(dá)1 000萬(wàn)m3。本文根據(jù)項(xiàng)目區(qū)附近錦州大筆架山海洋站2008年潮汐表統(tǒng)計(jì)分析，選取處于平均水平的5月份大潮過(guò)程作為典型潮位過(guò)程，當(dāng)外海水位高于內(nèi)海水位時(shí)，將向內(nèi)海吸納潮水，通過(guò)積分計(jì)算，得到經(jīng)過(guò)兩次典型大潮過(guò)程后，納潮量為1 059.67萬(wàn)m3，能夠滿足工況一的納潮需求。

3.5閘室穩(wěn)定分析

對(duì)完建工況及3種運(yùn)行工況均需進(jìn)行穩(wěn)定性分析，作用在閘室上的荷載主要有結(jié)構(gòu)自重、水重、水壓力、揚(yáng)壓力、浪壓力、風(fēng)壓力等，各工況的計(jì)算條件及作用于納潮閘的荷載組合見表1。

閘室穩(wěn)定分析主要考慮閘室的抗滑穩(wěn)定性和基底應(yīng)力。閘室抗滑穩(wěn)定通過(guò)下式計(jì)算：

式中：KC——抗滑安全系數(shù)；f——閘室基礎(chǔ)底面摩擦系數(shù)，取0.2；ΣG——作用于基礎(chǔ)底面上的全部豎向荷載，kN；ΣH——作用于閘室上的全部水平荷載，kN。

表1　閘室穩(wěn)定分析荷載組合

閘室基底應(yīng)力按下式計(jì)算：式中：Pmmainx——閘室基底應(yīng)力的最大值或最小值，kPa；L——閘室垂直水流方向的長(zhǎng)度，m；B——閘室順?biāo)鞣较虻拈L(zhǎng)度，m；e——偏心距，m。按下式計(jì)算：式中：ΣM——作用于閘室各力對(duì)底板前趾的穩(wěn)定力矩，kN·m；ΣM0——作用于閘室各力對(duì)底板前趾的傾覆力矩，kN·m。

閘室穩(wěn)定分析結(jié)果見表2。表2中，［KC］和［η］為規(guī)范允許值，［R］為基底允許承載力。結(jié)果表明：閘室抗滑安全系數(shù)大于規(guī)范值，抗滑穩(wěn)定滿足要求。閘室不均勻系數(shù)小于規(guī)范值，滿足要求。閘室平均基底應(yīng)力不大于地基允許承載力，最大基底應(yīng)力也不大于地基允許承載力的1.2倍，但基底應(yīng)力最大值大于地基允許承載力，由于項(xiàng)目區(qū)地質(zhì)條件較差，為安全起見，在每座納潮閘閘室下均勻布置18根鋼筋混凝土鉆孔灌注樁進(jìn)行基礎(chǔ)處理，樁長(zhǎng)19.5 m，以粉砂層為持力層。

表2　閘室穩(wěn)定分析成果表

4　結(jié)　　語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的雙向分層取水閘門在凌海某養(yǎng)殖工程中得到實(shí)際應(yīng)用，初始納潮時(shí)同時(shí)開啟上、下閘門，經(jīng)水力分析，納潮量能夠滿足一個(gè)月兩次大潮期間納滿的要求，高潮位補(bǔ)水時(shí)開啟上層閘門取表層清水，低潮位時(shí)開啟下層閘門排出底層渾水，加快內(nèi)湖循環(huán)。完建工況及運(yùn)行工況下，閘室均能滿足抗滑穩(wěn)定和基地應(yīng)力要求。本文提出的閘門型式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠?qū)崿F(xiàn)雙向分層取水，且操作靈活，便于檢修，適用于具有分層取水要求的中小型水利工程建設(shè)，具有廣闊的推廣與應(yīng)用價(jià)值。

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2015-09-20