大型灌溉工程下游渠道常水位機械自動控制分流閘門研究

（葛洲壩集團國際工程有限公司，北京 100022）

大型灌溉工程下游渠道常水位機械自動控制分流閘門研究

田愛軍

（葛洲壩集團國際工程有限公司，北京 100022）

大型灌溉工程灌區(qū)覆蓋范圍廣且較為偏僻，電力供應(yīng)不便，要實現(xiàn)渠道分流閘門電動操作和電氣自動化控制較為困難。為避免漫堤和分水不均，實現(xiàn)下游渠道常水位的機械自動控制具有十分重要的意義。該文對一種利用下游渠道水位變化實現(xiàn)機械自動啟閉的分流閘門的原理和典型結(jié)構(gòu)進行了介紹和研究，對國內(nèi)企業(yè)從事灌溉工程分流控制閘門的設(shè)計、施工和國產(chǎn)化制造具有一定的借鑒作用。

大型；灌溉工程；下游渠道常水位；機械自動控制閘門

大型灌溉工程灌區(qū)覆蓋范圍廣且較為偏僻，電力供應(yīng)不便，要實現(xiàn)渠道分流閘門電動操作和電氣自動化控制較為困難。為避免漫堤和分水不均，實現(xiàn)下游渠道常水位的機械自動控制具有十分重要的意義。

本文對一種渠道下游常水位自動控制閘門的原理和典型結(jié)構(gòu)進行了研究，并對安裝調(diào)試施工進行了介紹，對國內(nèi)企業(yè)從事灌溉工程渠道分流控制閘門的設(shè)計、施工和國產(chǎn)化制造具有一定的借鑒作用。

該類閘門結(jié)構(gòu)簡單，不需要任何電力啟閉設(shè)施，終身免維護，可實現(xiàn)無人區(qū)機械自動操作，具有廣闊的應(yīng)用推廣前景。

1 國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀渠道下游常水位

控制閘門在國內(nèi)灌溉工程上應(yīng)用較少，但國外已有較為成熟的工程應(yīng)用經(jīng)驗并實現(xiàn)了專業(yè)、量化生產(chǎn)，專業(yè)廠家有法國EYRTEC及巴西HYDROSTEC等。

我司承擔(dān)的蘇丹麥洛維灌溉工程項目業(yè)主就明確要求采用該種渠道下游常水位分流控制閘門。

2 工作原理

圖2 下游常水位控制閘門工作原理

如圖2所示，下游常水位控制閘門由梯形斷面的圓柱體門葉，閘門主縱梁支臂及軸動部分，圓柱體浮箱及配重等組成。

圖3

圖4

轉(zhuǎn)動軸中心的安裝高程需與下游目標常水位保持一致。轉(zhuǎn)動軸中心與門葉及浮箱圓柱體的幾何中心重合。作用在閘門門葉上的水壓力作用線通過轉(zhuǎn)動軸中心，不會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩和驅(qū)動閘門啟閉。驅(qū)動閘門啟閉的力矩為結(jié)構(gòu)體重力P及作用在浮箱上的浮力F所產(chǎn)生綜合作用力矩。

在理論開度（該開度下閘門流量與下游平均用水量基本匹配）下，通過調(diào)整固定在門葉框架上的配重或在浮箱內(nèi)額外增加填充物，使自控閘門轉(zhuǎn)動軸中心在與下游目標常水位同一高程時，重力矩和浮力矩能相互抵消。

當(dāng)下游水位與轉(zhuǎn)軸中心高程不一致時，作用在浮箱上的浮力將發(fā)生變化，打破閘門原平衡狀態(tài)，閘門在不平衡力矩作用下開度將發(fā)生調(diào)整，并重新建立平衡：

如下游渠道用水需求量下降，下游側(cè)水位上升，浮箱浮力增加，閘門開度將適度減小，下泄流量減少，經(jīng)過一段時間后，下游水位再次與轉(zhuǎn)軸安裝高程重合，重新建立閘門系統(tǒng)的平衡。

如下游渠道用水需求量增加，下游側(cè)水位下降，浮箱浮力下降，閘門開度將適度增大，下泄流量增加，直至閘門重新建立平衡。

3 結(jié)構(gòu)及制造

閘門為鋼板、鋼管及碳鋼卷板所構(gòu)成的焊接結(jié)構(gòu)件。要求鈑金工作精細準確，誤差控制嚴格，以保證閘門在后續(xù)運行中無故障操作；閘門的可移動部件可分拆以便運輸。下游常水位控制閘門分潛孔式和敞開式（自由水面）兩種。

3.1 潛孔式下游常水位控制閘門典型結(jié)構(gòu)形式

3.2 敞開式下游常水位自動控制閘門典型結(jié)構(gòu)形式

3.3 部件介紹

潛孔式下游常水位控制閘門弧形面板為上寬下窄的梯形結(jié)構(gòu)，剖面形式為弧型，與主縱梁進行焊接，在主縱梁上開孔及在弧形面板上焊接底部開孔的緩沖箱以減少非恒定流過流時對閘門穩(wěn)定的影響和避免漩渦的產(chǎn)生。

閘門支臂結(jié)構(gòu)采用螺栓連接，前端部與主縱梁相連，后端部和浮箱相連。支臂上焊有吊耳，以便安裝、檢修及起吊使用。

浮箱為封閉結(jié)構(gòu)，上部有開口和蓋板以用于添加配重和密封。

轉(zhuǎn)動軸分大小軸，小軸支撐在左右混凝土門槽上，為減少阻力，大軸和小軸的連接方式采用滾動軸承連接，大軸和支臂浮箱焊接連接。

浮箱套用于盛放浮箱之用，浮箱的浮力是依靠浮箱套內(nèi)的水產(chǎn)生的。浮箱套后端部和后面的鐵梯螺栓連接，浮箱套與閘門結(jié)構(gòu)無固定連接，浮箱套前端通過滾輪支撐和轉(zhuǎn)動軸接觸。浮箱套上預(yù)留與PVC管相配的孔，連接到下游明渠，避開水躍的影響。

4 安裝

為使控制閘門開閉自如，應(yīng)盡量減少閘門與渠道或進水口鋼襯的接觸，將使用敞開式自控閘門的渠道設(shè)計為梯形斷面；為避免閘門在全關(guān)閉時被鎖死，安裝閘門時使閘門與渠道和進水口鋼襯留有少量間隙。因此，閘門在關(guān)閉狀態(tài)時將有少量漏水。如需控制閘門在長時間關(guān)閉時的漏水量，特別是潛孔式閘門的漏水量，可在閘門上游側(cè)安裝手動定輪平板檢修閘門。

工地現(xiàn)場組裝整體構(gòu)件，支臂端部和面板上的主縱梁連接，連接形式為螺栓連接；組裝后，把左右支鉸臨時固定于相應(yīng)門槽內(nèi)。對閘門進行全行程試驗，檢查閘門面板與梯形門槽有無卡阻現(xiàn)象；閘門在全關(guān)位置時，確?；⌒蚊姘迮c左右兩側(cè)門槽有少量空隙，底部面板與門槽底檻接觸良好。支鉸轉(zhuǎn)動中心高程與下游控制常水位相齊平。

自控閘門現(xiàn)場試驗與調(diào)試，分無水狀態(tài)和有水狀態(tài)。

當(dāng)閘門在自由水面中運行時，精確調(diào)整配重箱內(nèi)和浮箱內(nèi)的配重，使閘門整體重心平衡，保證閘門處于全關(guān)狀態(tài)（有微小開度）時，重心位于支鉸軸中心上方。

當(dāng)閘門在動水中運行時，對連通浮箱套與水位濾波井之間通水管的阻尼與濾波效果進行試驗。通過操作濾波井與浮箱套之間連通管上的蝶閥進行調(diào)試調(diào)節(jié)，直至自控閘門平穩(wěn)運行，最終確定蝶閥開度，并檢測下游控制水位位置是否與閘門設(shè)計水位一致，如不一致，則對平衡錘中的配重進行適當(dāng)調(diào)整，并最終固定平衡塊。

結(jié)論

隨著我國各類企業(yè)逐步走向國際市場，中東及非洲干旱少雨地區(qū)灌溉工程已逐步成為各企業(yè)市場開拓角逐的對象。灌溉分流控制設(shè)備為灌溉工程的主神經(jīng)系統(tǒng)，直接關(guān)系到工程節(jié)水節(jié)能及整體工程功能實現(xiàn)，加強對其研究對提升企業(yè)的技術(shù)實力、承攬類似工程以及探索該設(shè)備國產(chǎn)化不無裨益。

[1]下游常水位水力自動控制渠道運行動態(tài)過程及教學(xué)模型的研究[J].水利學(xué)報，1997（11）.

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