水利樞紐工程主要技術(shù)研究的論文
摘要：邵武市東關(guān)水利樞紐工程是一座采用翻板門活動壩進(jìn)行泄洪的工程，具有閘孔尺寸大、泄洪能力強、對城區(qū)防洪影響小的特點。該文介紹了泄水閘布置，壩體構(gòu)造、壩體斷面、翻板閘門等的有關(guān)設(shè)計內(nèi)容，以期為今后在城區(qū)建設(shè)具有發(fā)電、改善水環(huán)境、美化城市、促進(jìn)旅游等綜合效益的水利工程提供參考。
關(guān)鍵詞：水利樞紐溢流閘活動壩翻板閘門
1工程基本情況
邵武市東關(guān)水利樞紐工程是一座集改善環(huán)境、蓄水發(fā)電、旅游開發(fā)為一體的綜合利用水利工程，工程采用分期導(dǎo)流、分期施工方式；工程于1999年9月28日開工，一期工程于2000年6月28日完成，二期工程于2004年10月10日完工；工程投入運行以來已產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境效益。
東關(guān)水利樞紐工程位于邵武市東關(guān)大橋下游180m處的富屯溪干流上。壩址以上流域面積2748km2，多年平均流量106m3/s,多年平均年徑流量33.4億m3；水庫正常蓄水位189.5m，校核洪水位193.41m，總庫容935萬m3；電站裝機容量4.8MW，保證出力900kW，年利用4217h，多年平均發(fā)電量2024萬kWh。電站接入福建省電網(wǎng)，主要向邵武地區(qū)供電，電站建成后進(jìn)一步促進(jìn)了地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展。工程為低水頭徑流式水電站，樞紐主要由活動壩、河床式廠房、升壓站等組成。
樞紐工程位于城區(qū)，為降低邵武城關(guān)的防洪壓力，經(jīng)分析比較和論證，采用活動壩為本工程的泄洪建筑物。活動壩是采用一定開度的翻板閘門作為主要擋水結(jié)構(gòu)的一種壩型，共有8孔，安裝8扇尺寸為25×5.0m（閘門寬度×擋水高度）的翻板閘門，平時通過閘門不同開度的控制來調(diào)節(jié)下泄流量，或保持上游庫水位在正常蓄水位189.50m；洪水時翻板閘門全部開啟，近于消失（當(dāng)洪水大于設(shè)計洪水時活動壩處于水下），保持了天然河道的過水?dāng)嗝妫箻屑~具有足夠的泄洪能力（壩址處20年一遇洪水位較天然狀態(tài)僅壅高0.23m），較有效的解決了城區(qū)樞紐工程擋水與防洪的矛盾。
工程的建成，美化了邵武市區(qū)，正常蓄水位189.5m時，相應(yīng)水庫面積1.2km2，枯水期回水長度5.4km，市區(qū)河床裸露景象不復(fù)存在，形成一個寬闊優(yōu)美的人工湖。
2樞紐布置
根據(jù)東關(guān)水利樞紐工程所處地形、地質(zhì)、水流條件，施工條件以及運行管理等因素，發(fā)電廠房布置在河床左岸，河床中部及右岸布置溢流閘（翻板門活動壩），左、右岸采用混凝土擋墻與岸坡連接，壩頂全長284.9m。
攔河壩為低堰溢流閘，壩頂高程191.80m，壩高12.80m，溢流閘全長238.9m，分8孔，每孔凈寬25.0m，閘墩內(nèi)設(shè)兩個沖淤積導(dǎo)水孔；為使溢流堰不影響行洪，堰頂高程比下游河床略低，采用寬頂堰，高程確定為184.50m；下游消能采用跌流及底流消能，壩頂不設(shè)交通橋。
溢流閘采用8孔平板翻板工作閘門擋水，翻板工作閘門尺寸25.0×7.07m（寬×高），每扇翻板閘門用2×2000kN液壓啟閉機操作。工作門上游采用浮式閘門作為檢修設(shè)施。活動壩閘墩內(nèi)導(dǎo)水孔閘門尺寸為1.2×1.2m，采用手電二用閘閥進(jìn)行動水啟閉，導(dǎo)水孔進(jìn)口設(shè)攔污柵和檢修閘門。翻板閘門在門頂過流時，門頂后側(cè)掛有一道水簾，為使閘門與水簾之間的空間能夠補氣和排氣，在閘門上設(shè)有破水器，在閘墩邊墻設(shè)有通氣孔。
主廠房總長46.0m，總寬度32.9m，主機段長33.5m，裝配場段長12.5m。廠房內(nèi)安裝3臺豎井貫流式水輪發(fā)電機組，單機容量1.6MW，機組間距11.0m。進(jìn)水口布置攔污柵、事故檢修閘門及進(jìn)人孔，每臺機組設(shè)2個進(jìn)水口，其中攔污柵一道，事故閘門兩扇，進(jìn)水口平臺高程190.0m，布置了起吊攔污柵和事故檢修閘門的電動葫蘆門型構(gòu)架。
3工程主要技術(shù)及特點
3.1活動壩
3.1.1壩體構(gòu)造
（1）壩頂高程：由于活動壩壩頂可以過水和壩頂無交通橋布置要求，考慮在設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)下技術(shù)廊道內(nèi)不進(jìn)水，并減少行洪影響，壩頂高程以設(shè)計洪水位191.71m加一定超高確定，最終為191.80m。
（2）壩內(nèi)技術(shù)廊道：為解決技術(shù)廊道液壓啟閉機油管布置、左右岸交通、檢修、通風(fēng)、排水等，在活動壩底設(shè)技術(shù)廊道。技術(shù)廊道尺寸為2.0×2.7m（寬×高），位于中心樁號為壩下0+014.2m，底部高程181.0m，其下游側(cè)布置排水溝，集水井尺寸3.0×2.0m×1.95m（長×寬×深）。水泵和通風(fēng)機室設(shè)在右岸，翻板閘門液壓啟閉機的泵站設(shè)在左邊墩194.6m高程的平臺上。
（3）沖砂孔：由于溢流堰堰頂及閘門支鉸高程較低，堰后較易淤積，為便于翻板閘門開啟，在每個活動壩閘墩均設(shè)有沖砂孔（孔口尺寸1.2×1.2m），取壓力水通過沖砂孔將堰后底坎沉積淤積物沖掉。
（4）壩體分縫止水：考慮活動壩壩體高度及底板厚度不大，基礎(chǔ)約束較弱，為降低閘門設(shè)計、制造安裝難度，降低止水要求和工程造價，借鑒有關(guān)工程經(jīng)驗，在溢流閘八孔中部設(shè)一道伸縮縫，解決基礎(chǔ)不均勻沉降問題。廠壩間、右邊墩與集水井之間結(jié)構(gòu)縫、壩體伸縮縫各設(shè)一道止水銅片和一道橡膠止水帶。
3.1.2壩體斷面設(shè)計
（1）壩體基本斷面：溢流閘活動壩壩體斷面除滿足穩(wěn)定與應(yīng)力要求外，主要受金屬結(jié)構(gòu)布置控制。溢流閘共8孔，每孔凈寬25m，閘室底板長26.5m，上下游側(cè)設(shè)防滲齒墻，左邊墩因啟閉機布置要求寬度為5.0m，中墩和右邊墩均為4.0m。
（2）溢流閘孔口確定：考慮本工程處于城區(qū)，洪峰流量大，庫區(qū)洪水位雍高受限的特點，根據(jù)洪水流量，河床地質(zhì)條件選定具有泄洪能力大的混凝土溢流閘（活動壩、翻板閘門）為泄洪建筑物，洪水全部由溢流閘渲泄。由于本工程處于邵武市區(qū)，上游淹沒和市區(qū)防洪是確定閘孔總凈寬的主要影響因素，計算閘孔總凈寬時，上游淹沒要小，上、下游水位差一般在0.1～0.3m，同時兼顧允許過閘單寬流量、水工建筑物布置和工程造價。通過7種孔口方案的比較，最終選定大孔口方案，布置8孔溢流閘，每孔凈寬25m，堰頂高程184.5m（低于原河床高程），在下泄20年一遇設(shè)計洪水時，上下游水位差為0.23m。
（3）壩后消能防沖：由于翻板閘門的運行特點，活動壩泄洪時，下游流態(tài)變化形式與一般閘門不同，且更為復(fù)雜；參照國內(nèi)相關(guān)工程經(jīng)驗，按翻板閘門不同開度，下游流態(tài)由按跌流與底流相互演變進(jìn)行消能設(shè)計，消力池長15.4m，底板高程180.68m；在跌流不同開度工況下，計算沖坑深度均小于消力池水深，不會影響溢流壩安全。閘門泄水運行中采取合理的調(diào)度方式，保證在任何情況下水跌發(fā)生在消力池內(nèi)。
3.1.3閘墩拉錨筋
活動壩中水荷載通過翻板閘門傳至閘墩上，受力點為油缸支座、鎖定梁處，而閘門檢修時需固定浮動門，此時荷載主要受力點為閘墩上游兩側(cè)面的浮動門吊耳，這些部位由于承受荷載較大，在閘門全開時，油缸支座拉力達(dá)2130kN，因此上述閘墩局部受拉區(qū)須配置扇形受拉鋼筋（拉錨鋼筋）。
3.1.4閘墩側(cè)面翻板門扇形運行區(qū)處理
翻板門底鉸在底坎上，閘門從關(guān)閉至臥倒全開的運行軌跡在閘墩側(cè)面形成一扇形區(qū)。為了使閘門在不同開度情況下均能正常工作，并保證閘門兩側(cè)水封能緊密與閘墩表面接觸，以達(dá)到止水效果，此扇形區(qū)進(jìn)行一定處理；扇形區(qū)閘墩表面要求光滑垂直，表面磨光，噴涂903聚合物改性水泥砂漿，垂直度2/1000，平整度3mm/m，粗糙度2μm。3.1.5基礎(chǔ)處理及防滲型式
東關(guān)水利樞紐壩高較低、水頭較小，建基面基巖為強風(fēng)化頂板，壩基穩(wěn)定與應(yīng)力小滿足規(guī)范要求，壩基設(shè)置上下游齒墻后，壩基抗?jié)B也滿足要求，壩基不進(jìn)行固結(jié)、帷幕灌漿處理，僅在上下游壩腳處拋填大塊石保護(hù)，防止水流沖刷和掏空。
右壩頭采用連續(xù)防滲墻防滲，墻頂高程193.47m，延伸長度9.51m；同時在右壩頭開挖后，回填一定比例的粘性土以增加壩頭的防滲能力。2003年為了進(jìn)一步防止繞壩滲流危及下游防洪堤基礎(chǔ)，在東關(guān)大橋至壩址段布置防滲孔，加強防滲處理措施。
3.2活動壩段金屬結(jié)構(gòu)
（1）擋水閘門及啟閉
擋水閘門布置：活動壩擋水閘門為翻板平面鋼閘門，采用向下游傾斜55°角布置方式，為使正常蓄水位時，閘門操作設(shè)備不浸水，其操作用的2支液壓缸中心線成水平布置在高程190.0m孔口兩側(cè)閘墩上，閘門寬度方向兩端上游側(cè)設(shè)置了兩個垂直于面板的三角形支臂，閘門即通過該支臂與液壓缸相連接。液壓啟閉機最大啟閉力2×2000kN，最大持住力2×1300kN，工作行程6.3m。每扇翻板閘門均在閘墩上設(shè)機械鎖定裝置，該鎖定裝置的爪式鎖定塊通過在閘門三角形支臂上端的一個鎖定擋頭對閘門進(jìn)行鎖定。活動壩上游采用浮式閘門作為檢修設(shè)施，其支承跨度25.75m。
翻板閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計：閘門孔口凈寬25m，具有閘門跨度大、啟閉力大，底部支承和變形控制要求高的特點。為保證閘門整體變形小，運行安全可靠，設(shè)計時充分考慮底部支承和閘門啟閉時兩吊點啟閉力差異等情況。每孔閘門底部采用多鉸支承布置，共設(shè)5個圓柱鉸；對閘門進(jìn)行抗扭計算，使閘門整體具有足夠的抗扭剛度。
翻板閘門的'啟閉：閘門開啟依靠水壓力和閘門重產(chǎn)生的傾倒力矩，此時液壓缸只用于持住閘門，泵站的輸出壓力僅用于開啟液壓鎖定閥，閘門的開啟速度采用調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的調(diào)速閥來控制。閘門關(guān)閉采用啟動液壓泵站，通過液壓缸提起閘門，關(guān)閉孔口，一般情況下分兩批交替關(guān)門。
液壓系統(tǒng)的布置：除液壓缸為露天布置外，液壓泵站和電氣設(shè)備均設(shè)在大壩1#閘墩194.6m高程的啟閉房內(nèi)，油管從泵站經(jīng)豎井和活動壩底板下的技術(shù)廊道通向各液壓油缸。
（2）導(dǎo)水孔閘門：每個活動壩閘墩均設(shè)有沖淤積導(dǎo)水孔，導(dǎo)水孔的進(jìn)口處設(shè)置了一道固定式攔污柵，孔口尺寸為1.9×1.9m，設(shè)計水頭3m，攔污柵重量約0.4t。導(dǎo)水孔設(shè)一道檢修門，孔口尺寸為1.2×1.2m；導(dǎo)水孔工作閘門為手電兩用蝶閥，直徑Ф1.2m，開啟壓力0.6MPa，重量約3.25t，該蝶閥可進(jìn)行動水啟閉。一般情況下，在開啟活動壩翻板閘門時，均應(yīng)先開啟導(dǎo)水孔閥門進(jìn)行沖淤，以利于翻板閘門的正常運行。
3.3水輪發(fā)電機組
電站為低水頭徑流式水電站，水頭范圍為2.1～5.6m，根據(jù)工程經(jīng)驗，此水頭段宜采用貫流式水輪機，通過燈泡貫流式、軸伸貫流式和豎井貫流式3種機型的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，最終選用利于樞紐布置、運行檢修、經(jīng)濟(jì)合理的豎井貫流式機組，型號為GZSK114-WS-290。水輪機轉(zhuǎn)輪直徑2.9m，額定水頭4.1m，額定轉(zhuǎn)速125rpm，額定出力1737kW，額定點效率87%；機組安裝高程181.3m，吸出高度-2.8m。
發(fā)電機與水輪機同軸，型號為SFW1600-8/1480，額定容量為1.6MW，額定電壓6.3kV，額定電流183A，額定功率因素0.8。
4結(jié)語
邵武東關(guān)水利樞紐工程是福建省內(nèi)第一座采用翻板活動壩進(jìn)行泄洪的工程，泄水閘采用低坎大孔口布置，具有底坎高程低（略低于下游河床），閘孔尺寸大（寬25m），泄洪能力強，泄洪時上下游水位差小的特點；工程較有效地解決了城區(qū)擋水與防洪的矛盾，為城區(qū)建設(shè)綜合利用的水利樞紐工程提供了可行的方案；庫區(qū)形成人工湖后，可進(jìn)一步改善邵武市區(qū)的水環(huán)境，構(gòu)筑城市的親水性，促進(jìn)水利旅游業(yè)的發(fā)展。
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