關(guān)于液壓升降壩的設計

郭承乾

(佳木斯市水利勘測設計研究院，黑龍江 佳木斯154002)

1 工程等別及建筑物級別

本工程洪水流量＞100m3/s，根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標準》第2.1.3 及3.3.1 確定，渠首設計洪水標準為20 a一遇，校核洪水標準為50 a一遇，確定渠首工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模為中型，主要建筑物為3 級，次要建筑物為4 級。

本區(qū)地震動峰值加速度等于0.05 g，相對應的地震基本烈度為Ⅵ度，設計烈度采用基本烈度，因此建筑物不進行抗震設計。

2 工程總體布置

設計中考慮到橡膠壩壽命短，一般15 a需更換一次壩袋。運行中易受河中漂浮物劃傷及人為破壞，需常檢修。壩袋充高與坍壩不宜頻繁，也即橡膠壩不宜用于水位變化過于頻繁的河道。所以不采用橡膠壩方案。

本工程為降低工程造價，結(jié)合景觀設計改善生態(tài)及人文環(huán)境，擬采用液壓翻板閘的設計方案。本次灌區(qū)渠首工程在總體布置上擬定了2 個方案，方案1 采用液壓升降壩，方案2 采用溢流壩。

1)方案1:在河道上修建液壓升降壩寬為81m，升降壩兩側(cè)與岸灘相接。

2)方案2:在河道上修建溢流壩工程，根據(jù)流量，設計溢流堰寬為170m，壩兩側(cè)與岸灘相接。

經(jīng)比較，方案2 投資約為方案1 投資的2 倍，另外，方案2 水位雍高，需對上游兩岸堤防加高培厚，涉及工程占地。結(jié)合投資和方便運行管理，本設計推薦即液壓升降壩方案［1－3］。

具體布置為:液壓升降壩總長81m，為鋼筋混凝土溢流堰結(jié)構(gòu)型式安裝液鋼弧形升降壩面，采用液壓設備啟閉;為保證河道主槽及左側(cè)岸灘穩(wěn)定，在溢流壩上、下游河道采用鉛絲石籠固床［4－6］。

3 主體工程設計

本渠首工程主要建筑物為拆除重建溢流壩1座。溢流壩包括液壓升降壩和溢流堰。

3.1 溢流壩工程

鈴鐺河的年來水量雖然較豐富，但灌溉期間由于來用水的不同步性，保證率P=75%時來水量仍然較少，且無攔蓄工程，自然條件下，枯水位滿足不了灌區(qū)要求的渠首水位91.50m，為抬高水位，攔蓄枯水期來水，需修建混凝土溢流壩進行有壩引水灌溉。

3.1.1 堰頂高程的確定

為了保證汛期堰上行洪時主河槽穩(wěn)定，同時滿足灌區(qū)引水流量需要，河底高程89.30m，確定液壓翻板鋼閘門堰頂高程為90.70m，升降壩門高1.8m。

3.1.2 結(jié)構(gòu)布置及設計

結(jié)合投資和方便運行管理，本設計推薦即液壓升降壩方案。

結(jié)合壩址地形圖，進行過流計算，確定溢流壩工程升降壩寬81m。

溢流壩順水流方向布置:上游鋪蓋段、液壓升降壩和溢流堰段、消能段及海漫段。

1)上游鋪蓋段:長10m，由上至下分別為鉛絲石籠30 cm、碎石20 cm、粗砂20 cm，下鋪設防滲膜一層［7－9］。

2)液壓升降壩段:液壓升降壩段為折線型寬頂堰，堰頂高程89.70m，根據(jù)液壓升降壩門的安裝要求，堰頂1.86m，堰上安裝1.8m 高的液壓升降壩，鋼弧形壩面每跨長9m，共9 跨。陡坡連接高程為88.55m 的平臺，寬1.62m，用于安裝液壓設施及鋪設油管;平臺與1:2 陡坡至消力池底，高程為87.50m。堰體采用埋石混凝土結(jié)構(gòu)，底板前設一道齒墻以增加堰體抗滑穩(wěn)定?；A(chǔ)持力層為級配不良細礫層，地基允許承載力滿足要求，不擾動的情況無需處理。

3)下游消能段:堰體與消力池一體。消力池長6.23m，深1.0m，消力池底板頂高，87.50m。消力池底板采用埋石鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。為了減少消力池開挖深度，縮短長度，節(jié)省工程量和投資。在消力池中布置起輔助消能作用的小墩。消力墩對水流的反擊作用，將水流分成許多小水股，使水流轉(zhuǎn)折，并在墩后互相撞擊。另外水流與消力墩表面摩擦以及水流所產(chǎn)生的旋滾等造成強烈紊動。增加消能效果，躍后水深降低［10］。

溢流壩兩側(cè)上、下游設計5.5m 長懸臂式擋土墻與兩岸相接，懸臂式擋土墻與堰體安裝紫銅片止水，施工縫20mm，用聚乙烯填縫板填充。

4)下游海漫段:為防止過堰水流的剩余能量沖刷河床，在消力池后設海漫工程，海漫末端為防沖槽結(jié)構(gòu)。海漫段全長20m，采用鉛絲石籠結(jié)構(gòu)厚60 cm，下設20 cm 碎石、粗砂20 cm。防沖槽底寬1.0m，深2.0m，采用干砌石結(jié)構(gòu)。

工程布置縱剖面如圖1。

圖1 工程布置縱剖面

3.2 固灘工程

為保證河道主槽及岸灘穩(wěn)定，以防洪水期河道主槽洪水沖刷岸灘，對對溢流壩上游附近河槽兩側(cè)邊坡采用干砌石護砌，干砌石護坡工程厚30 cm［11－12］。

對下游河槽進行疏浚、整平、防沖等治理措施，兩側(cè)漫灘采用塊石堆石，堆至穩(wěn)定河床，坡長約20m;河槽兩側(cè)邊坡采用干砌石護砌，干砌石護坡工程厚30 cm。

3.3 庫岸綠化

為防止水土流失以及景觀效果，對鈴鐺河渠首庫岸進行植被綠化。綠化面積為7 000 m2。

3.4 管理站房

為了日常運行管理，安裝液壓系統(tǒng)及自動化管理系統(tǒng)，本工程修建管理站房60 m2。

4 機電與金屬結(jié)構(gòu)

4.1 機電設備

鈴鐺河升降壩工程引380 V輸電線路500 m，采用三角轉(zhuǎn)星型變壓器補償至380 V，容量為20kVA 方能滿足液壓升降壩的動力要求。渠首采用液壓翻板鋼閘門型式，需配備管理站房及配電間。

4.2 液壓升降壩的結(jié)構(gòu)

液壓升降壩由鋼門扇，鉸支座，側(cè)止水，底止水，支撐桿，液壓缸，液壓控制系統(tǒng)和電氣(電子)控制系統(tǒng)等組成。

液壓升降壩門由縱橫梁、面板、底軸、支鉸和封水部分組成，壩板下端設有底橫軸，與軸承座鉸接固定于壩底混凝土層面上，壩板背水面設有與壩板呈人字形支撐的液壓缸，液壓缸活塞桿端與壩板鉸連接，缸底耳環(huán)端與固定于壩底混凝土層面上的下支座鉸連接［13］。

4.2.1 工況簡介

此工程項目中采用了9 扇閘門，每扇閘門寬9 m，總寬為81 m。每扇閘門設置兩臺液壓缸及兩個支撐桿。每扇閘門下部鋼管(底軸)上安裝3 只鉸支座。鉸支座通過閘底預埋螺栓與閘底板連接。門扇通過液壓缸推拉繞底軸轉(zhuǎn)動，門扇豎立時蓄水，門扇倒臥時放水。液壓缸安裝在閘門下游的閘底板的預留孔內(nèi)。

4.2.2 液壓系統(tǒng)的組成及參數(shù)

液壓缸由液壓系統(tǒng)(泵站)控制。其組成主要由液壓泵，電機，油箱，各類閥及管道等組成。液壓系統(tǒng)參數(shù)表見表1，液壓升降壩性能表見表2。

表1 液壓系統(tǒng)參數(shù)表

表2 液壓升降壩性能表

4.2.3 液壓升降壩控制形式

液壓升降壩在實行人工控制的同時，也可與遠程控制，本地計算機通過公網(wǎng)采用GPRS RTU 方式與異地的PLC 進行通訊，要求本地計算機網(wǎng)絡為固定IP 地址，遠程終端通過GPRS 上網(wǎng)進行數(shù)據(jù)通訊。

閘門控制分為就地和遠程控制2 種方式，就地即液壓泵站按鈕操作控制油泵啟動、停止、閘門的升降功能。

遠程控制即異地控制室的上位機PC 通過組態(tài)軟件控制畫面來控制油泵啟動、停止、閘門的升降等其它監(jiān)控功能。

4.3 液壓油缸的設計

4.3.1 液壓油缸

每扇閘門由2 只液壓缸支撐;油缸缸徑、行程、推力必須經(jīng)過科學合理的測算，以保證足夠的推力和支撐力;油缸密封件要求采用國際知名品牌的進口產(chǎn)品，并驗證其使用壽命和密封性能;活塞桿調(diào)質(zhì)處理，表面鍍硬鉻;液壓油缸必須帶自鎖功能，失電狀態(tài)下能夠?qū)崿F(xiàn)手動泄壓，其功能與工作方式符合自動往復機械定位升降壩液壓缸，以保證液壓缸對閘板的持久支撐。

4.3.2 壓力管路

液壓系統(tǒng)系統(tǒng)所用油管采用液壓流體無縫管材，管接頭采用不銹鋼材質(zhì)或者鍍處理;管路應盡量短、布置整齊，轉(zhuǎn)彎角度不小于90 度，最小彎曲半徑大于管子外徑的3 倍，避免過大的彎曲并保證必要的伸縮變形。管道制作過程中去除氧化皮、焊渣、毛刺等。管彎曲后，應避免截面過大的變形，彎曲部分的內(nèi)外側(cè)不應有鋸齒形、凹凸不平、壓壞或扭壞現(xiàn)象。油管懸伸太長應設支架，設置活接頭時，應使裝拆方便。主要油管應能單獨裝拆而不影響其它元件。管接頭應便于裝拆，但不得產(chǎn)生泄漏。

4.4 鋼弧形升降壩面

4.4.1 結(jié)構(gòu)設計

鋼弧形升降壩面的縱橫梁采用抗彎曲強度高的工字鋼和槽鋼制作，面板采用Q235 或Q345 鋼板焊接;支鉸采用鑄鋼或鋼管加工，軸承為高分子復合材料的自潤滑軸承;底軸為整體無縫鋼管通長布置，軸承安裝部位進行精加工，下支座鍍鉻處理;封水采用橡膠止水膠帶，底軸與水封接觸部位外貼不銹鋼板壓條。

翻板鋼閘門的結(jié)構(gòu)分析見圖2 ～圖6。

圖2 翻板鋼閘門受力分析

圖3 翻板鋼閘門彎矩圖

4.4.2 鋼弧形升降壩面的防腐設計

為保證液壓壩壩面的使用壽命和耐腐蝕性能，壩板表面采用工藝外表面噴砂加油漆防腐處理。處理前必須對壩板表面的焊渣、毛刺進行清理，然后拋丸、熱噴鋅、防護底漆封閉，再覆蓋面漆，形成金屬加涂料的復合防護層，以達到防腐效果;封閉底漆為環(huán)氧云鐵底漆，面漆為改性耐磨環(huán)氧涂料，分別做兩次噴涂。必須具備鋅層厚度和油漆干膜厚度的檢測控制手段;噴涂應均勻、有光澤、附著良好，無明顯起皺、流掛和氣泡現(xiàn)象，保證噴涂后的壩板表面的美觀效果。

門槽埋件的外露部分(不銹鋼板除外)選用的涂料牌號以及涂層道數(shù)、每層漆膜厚度和干漆膜總厚度必須符合表3 規(guī)定，涂料的顏色為褐色。

表2 液壓鋼閘門的涂料工序表

4.4.3 液壓鋼閘門的止水設計

為滿足閘門的蓄水功能和景觀要求，閘門的門葉與面門葉之間、門葉與底座以及門葉與閘墩之間都不允許有明顯的漏水現(xiàn)象發(fā)生。在每扇閘門的兩側(cè)和底部都采用止水膠帶進行止水密封，保證閘門在不同的開合角度都能達到預期的密封效果。本工程所有止水膠帶全部采用SF6674 止水橡皮，其含膠量(新膠)不得小于60%;止水橡皮采用壓模法生產(chǎn)，底水封采用P 型，側(cè)水封采用P+L 型，其尺寸公差應符合施工圖紙以及相關(guān)標準的要求。

［1］中華人民共和國水利部.SL265—2001 水閘設計規(guī)范.北京:水利水電出版社，2001.

［2］中華人民共和國水利部.SL74—2013 水利水電工程鋼閘門設計規(guī)范.北京:水利水電出版社，2013.

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