◎ 應國華 徐強 楊貴海 中鐵水利水電規(guī)劃設計集團有限公司

贛江尾閭綜合整治工程由主支樞紐、南支樞紐、中支樞紐、北支樞紐組成。主支樞紐位于贛江尾閭贛江主支，新建區(qū)象山鎮(zhèn)鴨洲村附近，距象山鎮(zhèn)6km，距南昌市約35km。主支象山樞紐主體建筑物由泄水閘、船閘、魚道和連接擋水建筑物組成，閘址軸線總長1358.3m。

為了維護江湖的生態(tài)環(huán)境，滿足主汛期通航要求，泄水閘分三區(qū)布置。二區(qū)大孔閘設置2孔，孔口寬度75m，大孔閘布置浮船式閘門，啟閉設備為卷揚式啟閉機。一區(qū)、三區(qū)常規(guī)泄水閘設置在大孔閘兩側，一區(qū)設置8孔，三區(qū)設置7孔，孔口寬度均為30m，順水流向從上至下分別布置有上游檢修閘門槽、工作閘門和下游檢修閘門槽，工作閘門啟閉設備為液壓啟閉機。

1.常規(guī)孔泄水閘工作閘門選型

泄水閘孔口底坎高程6.0m，孔口寬度30.0m，每孔布置1扇工作閘門。閘門擋控制水位15.50m，門頂高程16.00m。根據(jù)孔口尺寸、最大擋水水頭及調(diào)控期泄水閘工作閘門運行特點，一區(qū)及三區(qū)采用相同的結構型式，參考現(xiàn)有工程門型比選情況[1-3]，擬定3種泄水閘工作閘門的布置方案進行比選。方案1：下臥式弧形閘門＋液壓啟閉機方案；方案2：上翻式弧形閘門＋液壓啟閉機方案；方案3：平面直升鋼閘門+卷揚啟閉機方案。

1.1 下臥式弧形閘門+液壓啟閉機

方案1 采用下臥式弧形閘門結構，啟閉設備為臥式液壓啟閉機，其布置如圖1所示。閘底高程6.0m，閘頂高程25.00m，閘門高度10.0m，支鉸中心高程14.85m?；⌒伍l門面板曲率半徑R=12.15m。調(diào)控期上游最高水位15.5m，對應下游9.50m，調(diào)控期閘門上、下游最高水位差6.0m。閘門全開狀態(tài)至全關狀態(tài)旋轉角度53.2°，閘門全開狀態(tài)為臥倒在弧形底坎內(nèi)，門葉背部與底板齊平，由設在閘墩兩側的鎖定裝置鎖定。閘門支臂設啟閉吊點，啟閉機活塞桿端頭采用球鉸與閘門啟閉吊點連接，雙吊點啟閉閘門。啟閉機型式為臥式液壓啟閉機，每孔設置一個獨立的液壓泵站，位于閘墩尾部。啟閉機鉸點高程21.65m，啟閉機容量2×4000kN，最大工作行程10.5m。

圖1 下臥式弧形閘門

1.2 上翻式弧形閘門+液壓啟閉機

方案2 采用上翻式弧形閘門結構，啟閉設備為臥式液壓啟閉機，其布置如圖2所示。閘底高程6.0m，閘頂高程25.00m，閘門高度10.0m，支鉸中心高程18.60m。弧形閘門面板曲率半徑R=14.60m。全開狀態(tài)至全關狀態(tài)旋轉角度65°，閘門全開狀態(tài)為兩側鎖定在閘墩頂25.0高程的鎖定裝置上。閘門梁系結構為雙主梁同層梁系布置，A型斜支臂，主梁及支臂采用箱型梁截面設計，啟閉機活塞桿端頭采用球鉸與閘門吊耳連接，雙吊點啟閉閘門。啟閉機型式為露頂弧門QHLY型液壓啟閉機，每孔設置一個獨立的液壓泵站。啟閉機鉸點高程24.65m，啟閉機容量2×5000kN，最大工作行程約7.50m。

圖2 上翻式弧形閘門

1.3 平面直升閘門+卷揚啟閉機

方案3采用水利工程中最為常見的平面直升式鋼閘門，啟閉設備為卷揚式啟閉機。閘門高度10m，由于閘門跨度大，水頭低，主梁結構采用曲拱桁架結構。操作條件為動水啟閉，啟閉機容量為2×4000kN，揚程約11m。為保證閘門敞開泄洪及提出孔口檢修，啟閉排架較高。

1.4 方案比選

1.4.1 布置及運行

泄水建筑物布置除了要滿足汛期的泄洪要求，還要滿足調(diào)控期的水位調(diào)控要求。方案1和方案2均為弧形閘門，全開泄流能力較好，兩者相比，方案1下臥式閘門門葉臥于底檻下，支臂不會受到漂浮物撞擊，更加安全可靠。方案3為平面鋼閘門，局部開啟不如方案1、2靈活，且閘門兩側門槽寬且深，水流條件差。

1.4.2 閘門結構及啟閉機

方案3的平面鋼閘門主要梁系為桁架結構，桁架圓管截面需在制造廠內(nèi)卷板成型，安裝現(xiàn)場管結點焊接工作量大。方案1、2設置的弧形閘門結構型式焊接構件易在工廠成型，減少了現(xiàn)場安裝焊接工作量，但弧門空間結構對安裝精度要求較高。故從閘門結構的制造與安裝難度比較，各方案的閘門制造安裝均有一定難度。

方案3的平面鋼閘門采用的固定式卷揚機，結構簡單，操作方便運行速度較快，能保證嚴格的傳動比，性能可靠，對外界工作條件要求較低，但其外形較大，土建排架工程量大。機械傳動部件笨重，機械損失大，一般為動力的15%左右；長時間運行會有一定機械損傷，沒有緩沖力，容易引起部件損壞，能耗高、噪聲大。

方案1、2的液壓啟閉機布置緊湊，體積小，重量輕，承載能力大；能夠遠距離傳遞動力，緩沖性能好，傳動平穩(wěn)，調(diào)速和換向方便；配備自動糾偏裝置，液壓傳動與電氣控制相結合，便于實現(xiàn)自動化。方案1臥式啟閉機布置揚程小，油缸的安裝檢修維護方便。

故根據(jù)本工程的特點宜采用性能較好的液壓啟閉機。

1.4.3 建筑美觀

當閘門處于調(diào)控擋水期，閘門高度較低時，3種方案各有千秋，均具有一定的建筑美觀,可以成為贛江的一道景觀線。當泄水閘門全部敞開，江湖連通時，方案1臥于閘底恢復天然河道，無任何影響景觀效果的建筑物及大結構件。方案2泄水閘處于全開狀態(tài)時閘門鎖定在閘頂，可能受到樹木等漂浮物撞擊，且門體體積較大，臥于閘墩頂影響整體景觀效果和觀賞視野。方案3的平面鋼閘門非調(diào)控期長期鎖定于閘墩頂，高達十幾米的啟閉排架景觀協(xié)調(diào)性差。

從建筑美觀考慮，方案1較優(yōu)。

1.4.4 工程投資

各方案三區(qū)泄水閘工程投資比較見表1，各方案土建投資方面方案3增加了啟閉排架。

表1 單孔投資比較

從工程投資比較，3個方案相差不大，上翻式弧形閘門結構簡單，投資略少。

綜合分析，本工程調(diào)枯不控洪，調(diào)控期最大水頭差10m，各方案均可用于本工程。根據(jù)工程調(diào)度要求和閘址河床抗沖能力差的特點，工程調(diào)控期9月～次年3月三區(qū)常規(guī)孔工作閘門需要頻繁局部開啟，方案1和方案2的弧形閘門更適合局部開啟的工況。方案3在景觀效果方面較差，方案1的景觀效果最好，水流流態(tài)好，故推薦方案1，采用下臥式弧形閘門+臥式液壓啟閉機方案。

2.下臥式弧形閘門水力學模型試驗

本模型主體為三區(qū)泄水閘，為了保證泄水建筑物進出口上、下游水流相似，射流沖刷水流旋滾演變相似，泄水閘上游長度取到上游防沖槽，下游長度取到下游防沖槽段，總長度276.5m；橫向取兩孔進行模型設計，包含三個整墩。模型如圖3所示，模型比尺Lr=25，相對應的流量比尺：Qr=Lr2.5=3125.00、流速比尺：Vr=Lr0.5=5.00、時間比尺：Vr=Lr0.5=5.00、壓力比尺：Pr=Lr=25.0、糙率系數(shù)比尺：

圖3 泄水閘模型

2.1 水動力荷載試驗

通過泄水閘下臥門閘室邊界及門體的動水壓力測試，獲得如下幾點結論。

（1）閘室時均壓力測試數(shù)據(jù)顯示：在閘門不同運行工況下，閘室底板的壓力分布在4.7～11.388kPa范圍內(nèi)波動；閘室側墻的時均壓力在1.5～10.075 kPa范圍內(nèi)變化，總體上看，諸時均壓力測點均出現(xiàn)正值，未見負壓存在。

（2）門體時均壓力測試數(shù)據(jù)表明，水流流態(tài)經(jīng)歷自由出流、臨門水躍及淹沒出流等不同流態(tài)，下游水位越高、下游淹沒度就越高，作用于門體的時均壓力隨淹沒水深的增加而加大；閘門開度越小，下泄流量越小，作用于門體時均壓力就越小。作用于下臥門門體的時均壓力值在8.25～54.18 kPa。

（3）門體脈動壓力分布特征測試結果顯示，閘門門體脈動壓力較大的區(qū)域發(fā)生在閘門底緣附近，脈動壓力最大值出現(xiàn)在PM1、PM2及PM5測點，最大均方根值分別是9.16kPa、5.28kPa和8.59kPa，發(fā)生在水躍狀態(tài)為臨門狀態(tài)。此時水動力荷載對閘門結構的影響將會非常明顯，這也是閘門在局部開啟過程中出現(xiàn)弱共振的主要原因。

2.2 流激振動試驗

流激振動試驗采用當量相似閘門振動模型，根據(jù)對原布置方案下臥門流激振動試驗分析，取得如下成果：

（1）在小開度e=1m～4m時，門體底部測點振動加速度均方根值在0.1m/s2以內(nèi)，在e=5m時，振動加速度增大到0.17m/s2，隨后隨開度增大，振動加速度均方根值減??；門體頂部測點V2振動加速度均方根值較大，橫向最大值達到0.42m/s2，切向和徑向最大值分別為0.124m/s2和0.28m/s2。支臂兩測點振動加速度均方根值最大值控制在0.3m/s2以內(nèi)。

（2）閘門局部運行中在一定開度內(nèi)存在典型的弱共振現(xiàn)象。在閘門局部開度e=2m～6m范圍內(nèi)，閘門下游水位在9.5m～13.5m之間，閘門存在弱共振。

（3）在小開度e=1m時，主頻在8Hz～11Hz，而在開度e=2m～6m時，主頻大多在4Hz～7.5Hz，而大開度e=8m時，主頻大多在7.5Hz附近。當閘門底部和頂部同時過水時，主頻大多在12Hz～15Hz。

（4）在不同閘門開度及上下游水位的試驗中，閘門局部開啟4m、上游水位14.17m、下游水位7.5m～10.6m，閘門出現(xiàn)不同程度的共振，尤其在下游水位8.62m時，閘門出現(xiàn)強振；共振的主頻5.859Hz；在閘門局開5m、上游水位13.5m、下游水位9.25m，閘門出現(xiàn)了較為強烈的共振；在閘門局開3m以及6m～9m范圍，出現(xiàn)弱共振現(xiàn)象，而大開度7m～9m范圍，閘門未發(fā)現(xiàn)明顯的共振現(xiàn)象。

（5）下臥門流激振動試驗結果顯示，該閘門在較多的泄流運行工況下出現(xiàn)結構較強振動或弱共振現(xiàn)象，需要引起高度重視，并采取有效的抗振優(yōu)化措施予以處理，以確保工程運行安全。

2.3 安全性結論與建議

經(jīng)優(yōu)化修改后推薦布置方案已妥善解決閘門結構的強烈振動及弱共振問題，不同運行工況下運行穩(wěn)定，安全可靠，可作為工程設計參考使用。下臥門泄流試驗結果顯示，在調(diào)控水位（15.50m）下進行泄水運行時，閘門支鉸不受下泄水流的沖擊作用，支鉸結構安全；當泄水閘在設計洪水位（19.24m）和校核洪水位（20.80m）下臥倒全開運行時，此時上下游水位差小，流速量級不大，水流對閘門支鉸的沖擊力不大，不會對閘門結構的動力安全產(chǎn)生不利影響。鑒于該泄水閘采用旋轉式下臥門特種門型，工程運行經(jīng)驗尚待積累，雖然通過系統(tǒng)試驗論證，對閘門結構進行了系列修改調(diào)整，提出了最終抗振優(yōu)化布置方案，但考慮到模型試驗的縮尺影響和閘門結構的現(xiàn)場制作和安裝精度等存在問題，有些問題難以在模型中得到全面反演，因此，建議工程建設期和完工后開展泄水閘水力學及流激振動原型觀測工作，以便積累運行經(jīng)驗，并為制定合理運行操作規(guī)程提供科學依據(jù)。

3.結語

本工程常規(guī)孔泄水閘采用30m寬的下臥式弧形閘門在國內(nèi)類似工程極少，具有結構新穎、上部結構簡單、行洪時河道通透等特點，項目組委托南京水利科學研究院針對閘門結構和布置進行了數(shù)值分析、水力學及激流振動模型試驗研究，從而大大降低了工程的安全風險，該工程初步設計方案順利通過水利部水規(guī)總院的審查。