曾 華1，羅朝傳，李冰源

(1.安徽省淠史杭灌區(qū)管理總局設(shè)計(jì)院，合肥，230088；2.四川大學(xué)水利信息化聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，成都，610065)

1 工程概況

史河總干渠位于安徽省淠史杭灌區(qū)西北部，以梅山水庫為水源，從梅山水庫下游約9km的紅石嘴渠首引水，是以灌溉為主、結(jié)合發(fā)電和城鄉(xiāng)供水等綜合利用的大型水利工程?？偢汕L度42km，渠首進(jìn)水閘設(shè)計(jì)引水流量145m3/s。

洪河泄水閘位于史河總干渠左岸0+250處，建于1992年，1993年投入運(yùn)行。設(shè)計(jì)排洪流量為281m3/s，水閘上游為史河總干渠，下游為老史河，共計(jì)5孔，孔口凈寬4.8m，閘上設(shè)計(jì)水位64.30m(總干側(cè))，閘下水位64.00m(史河側(cè))。

胡莊泄水閘位于史河總干渠左岸5+800處，1961年9月建成并投入使用。設(shè)計(jì)排洪流量為185m3/s，水閘上游為史河總干渠，下游為老史河，共計(jì)5孔，孔口凈寬5.0m，閘上設(shè)計(jì)水位63.90m(總干側(cè))，閘下水位63.45m(史河側(cè))。

表1 史河總干渠洪河泄水閘、胡莊泄水閘工程特性

金寨縣境內(nèi)的洪家河從史河總干渠洪河及胡莊泄水閘泄入史河，故兩座泄水閘是金寨縣城洪澇防御體系的重要組成部分，共同承擔(dān)史河總干渠進(jìn)水閘至胡莊泄水閘區(qū)間68km2集水面積的泄洪任務(wù)，保護(hù)史河總干渠防洪安全。并可將總干渠水放空，以便渠道維修。

圖1 洪河及胡莊泄水閘泄水閘工程位置示意

2 更新改造緣由

洪河泄水閘與胡莊泄水閘均為鋼筋混凝土平面閘門、螺桿式啟閉機(jī)，投入運(yùn)行以來未進(jìn)行大的維修加固，老化嚴(yán)重。存在門體漏筋銹蝕；止水破壞、漏水嚴(yán)重；滾輪銹蝕嚴(yán)重，啟閉異常困難；閘門檢修條件惡劣，無法吊出檢修；啟閉設(shè)備老化，已超過折舊年限等諸多問題。存在重大的安全隱患，根據(jù)批復(fù)意見對兩座泄水閘閘門及啟閉機(jī)進(jìn)行更新改造。

3 閘門布置與設(shè)計(jì)

3.1 閘門總體布置和選型分析

總體布置是閘門設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵性問題，既要因地制宜合理布局，又要滿足工程管理部門的使用要求，優(yōu)選經(jīng)濟(jì)合理的方案。洪河泄水閘為潛孔式，胡莊泄水閘為露頂式，本次更新改造均維持原有閘門型式。洪河泄水閘閘門布置在交通橋下游，維持原5孔，單孔凈寬4.8m的閘孔布置。胡莊泄水閘閘門布置在交通橋上游，經(jīng)方案比選后，由原7孔，單孔凈寬3.5m，選用為5孔，單孔凈寬5.0m。

根據(jù)兩座泄水閘運(yùn)行特點(diǎn)，閘門要具有承受各種靜、動(dòng)載荷的能力；能在動(dòng)水中啟閉；具備良好的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量性能。因此，選擇一種技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理、運(yùn)行時(shí)可靠的門型十分重要。在灌區(qū)中型水閘及城市防洪、景觀工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，平面鋼閘門運(yùn)用十分廣泛，克服了鋼筋混凝土閘門結(jié)構(gòu)笨重、安裝維修不便、止水效果不好、啟閉力大等缺點(diǎn)。紅石嘴水利樞紐為省級(jí)水利風(fēng)景區(qū)，史河總干渠右岸即為金寨縣城，樞紐及史河總干渠兩岸已成為群眾休閑、觀光的風(fēng)景帶。采用尺寸較大，結(jié)構(gòu)合理的鋼閘門，既與周邊景觀協(xié)調(diào)，也可利用水柱壓力閉門以減小門重，配置較小容量的啟閉機(jī)，減少運(yùn)行費(fèi)用，維護(hù)方便，因此，本次設(shè)計(jì)經(jīng)分析采用平面鋼閘門。

3.2 閘門設(shè)計(jì)參數(shù)

泄水閘閘門設(shè)計(jì)基本參數(shù)見表2。

表2 史河總干渠洪河泄水閘、胡莊泄水閘設(shè)計(jì)參數(shù)

3.3 閘門設(shè)計(jì)

3.3.1 面板設(shè)計(jì)

根據(jù)《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 74-2013)關(guān)于面板的計(jì)算，先估算面板厚度，在主梁截面選擇之后再驗(yàn)算面板的局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應(yīng)力。

根據(jù)下式估算面板厚度：

表3 史河總干渠洪河泄洪閘、胡莊泄洪閘設(shè)計(jì)參數(shù)

3.3.2 主梁設(shè)計(jì)

因面板布置在上游，主梁除承受均布荷載外，還承受側(cè)向水壓力作用在邊柱腹板上引起的軸向力，主梁按簡支梁計(jì)算。

主梁為等荷載布置，其線荷載為：q=P總/n/L1(kN)(n為主梁根數(shù)，L1為止水寬度)。

q作用下的最大彎矩、剪力：Mmax(kN·m)=0.5qL1(0.5L+0.25L1)，RA=RB=0.5qL。

表4 主梁荷載及內(nèi)力成果

表5 面板參與梁計(jì)算寬度

3.3.3 面板折算應(yīng)力

當(dāng)面板的邊長比b/a>1.5，且長邊布置在沿主梁軸線方向時(shí)，只需驗(yàn)算面板A點(diǎn)的折算應(yīng)力：

表6 折算應(yīng)力成果

經(jīng)計(jì)算，區(qū)格長邊中點(diǎn)的折算應(yīng)力σzh<1.1a[σ]，滿足強(qiáng)度要求。

3.3.4 閘門零部件計(jì)算

(1)滾輪：圓柱形滾輪與平面軌道，接觸情況是線接觸，其接觸應(yīng)力可按下式驗(yàn)算：

表7 滾輪接觸應(yīng)力成果

表8 容許局部緊接承壓力和孔壁抗拉應(yīng)力成果

(3)止水：洪河泄水閘為潛孔式，采用雙向止水；胡莊泄水閘為露頂式，采用單向止水。

表9 止水成果

(4)門槽：洪河泄水閘門槽尺寸0.61m×0.32m(寬×深)，W/D=1.91；胡莊泄水閘門槽尺寸0.41m×0.30m(寬×深)，W/D=1.37，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范中的合宜寬深比要求。

(5)埋件：閘門埋件露出混凝土表面部分采用以材質(zhì)Q235為基材的復(fù)合不銹鋼板，軌道、門楣、底檻均為焊接構(gòu)件，所有埋件均采用C30二期混凝土預(yù)埋，以確保其安裝精度。

4 啟閉機(jī)選型

啟閉機(jī)選型布置應(yīng)符合水工布置、門型、孔數(shù)及操作運(yùn)行、時(shí)間要求，還必須滿足技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、操作可靠、安全運(yùn)行、維修方便等要求，并盡量發(fā)揮啟閉機(jī)在工程中的最大效益。經(jīng)比較，兩座泄水閘設(shè)計(jì)選用固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)，其具有結(jié)構(gòu)緊湊、承載力大、運(yùn)行平穩(wěn)可靠、安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，而且在啟閉力和揚(yáng)程方面有寬廣的適應(yīng)范圍。

平板閘門啟閉力計(jì)算：

(1)閉門力計(jì)算采用公式：Fw=nT(Tzd+Tzs)-nGG+Pt

洪河泄水閘和胡莊泄水閘啟門力、閉門力及啟閉機(jī)選型見表10。

表10 泄水閘啟閉機(jī)容量計(jì)算

5 結(jié)語

根據(jù)《金寨縣城市防洪規(guī)劃》，史河總干渠洪河泄水閘、胡莊泄水閘是縣城洪澇防御體系的重要組成部分。兩座泄水閘于2011年完成更新改造，消除了史河總干渠安全隱患。工程完工以來，閘門及啟閉機(jī)操作方便、運(yùn)行良好，經(jīng)受住2016年洪水考驗(yàn)，極大地緩解了城市防洪壓力。洪河泄水閘、胡莊泄水閘的閘門設(shè)計(jì)和啟閉機(jī)選型設(shè)計(jì)，為今后灌區(qū)中型水閘金屬結(jié)構(gòu)更新改造設(shè)計(jì)提供有益的借鑒。