石佛寺水庫冬季閘門啟閉系統(tǒng)運行方案研究初探

彭 剛 田應(yīng)龍

（遼寧省石佛寺水庫管理局 遼寧 沈陽 110129）

1 工程概況

石佛寺水庫是遼河干流上唯一的一座大型控制性水利樞紐工程，以100年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，300年一遇洪水校核。通過與上游左側(cè)支流的清河、柴河、南城子及榛子嶺4座水庫和區(qū)間堤防聯(lián)合調(diào)度，可將下游的防洪標(biāo)準(zhǔn)有30年一遇提高到100年一遇。為典型的河道型平原水庫，總庫容1.85億m3,其中防洪庫容1.6億m3。泄洪閘16孔，全長248.5m，布置在攔河主壩右端的主河道上，其軸線與攔河主壩的軸線平行，樁號0+168.95～0+417.45，泄洪閘兩端與攔河主壩相連，泄洪閘總寬248.50m，凈寬200.00m，共設(shè)16孔。泄洪閘工作閘門采用平面定輪雙扉門，孔口尺寸12.5m×10.0m～9.6m，結(jié)構(gòu)型式：焊接鋼結(jié)構(gòu)，設(shè)計水頭：9.6m，吊點數(shù)量：雙吊點，運用條件：動水啟閉、調(diào)節(jié)流量，閘門重量：72 t/扇（上下扉門合重 72t。其中下扉門 40t，上扉門 32t），閘門啟閉采用2×630kN固定同軸式卷揚機。

2009年根據(jù)水庫蓄水試驗應(yīng)急防護工程現(xiàn)狀和按照省政府、省水利廳的總體部署安排和有關(guān)要求進行，石佛寺水庫由原來的空庫運行改為蓄水運用，生態(tài)水位高程46.2m，依托水庫現(xiàn)有的擋水建筑物和泄洪閘控制條件，既要保證生態(tài)蓄水位，又要正常發(fā)揮防洪效益，根據(jù)上游入庫流量實時調(diào)整閘門（3扇）開度，一年四季中孔（7#、8#、9#）閘門始終處于常開狀態(tài)，即使是冬季也要保證閘門暢通運行，確保生態(tài)水位不變。

2 冬季閘門啟閉系統(tǒng)的現(xiàn)狀運行方式

2.1 閘門啟閉方式

石佛寺水庫泄洪閘雙扉門啟閉機布置為一門一機形式，采用2×630kN同步卷揚式啟閉機，操作方式為動水啟閉，啟閉機既能在啟閉室內(nèi)機旁現(xiàn)地手動和自動控制，也能實現(xiàn)遠程集中控制。

2.2 閘門冬季防冰設(shè)施

石佛寺水庫冬季結(jié)冰期長，從12月中下旬封凍至次年3月份解凍，最低氣溫發(fā)生在1月，可降至-25℃左右，閘前最大冰厚約0.8m左右，如果不采取防凍措施，閘門和門槽會產(chǎn)生結(jié)冰現(xiàn)象，冰層的巨大水平張力直接作用在門頁上，導(dǎo)致閘門兩側(cè)結(jié)冰擠壓變形漏水；為了防止16孔閘門冬季受凍破壞，需要進行閘門前破冰防凍工作，石佛寺水庫采用的是水泵擾動破冰法，共計16套破冰裝置，每套包括一臺2.5寸潛水泵、11m噴射水平鍍鋅管 （根據(jù)實驗測得：頂部每0.5m鉆一個5mm小孔，使管路上部水體循環(huán)形成連續(xù)波，在門前形成一條不結(jié)冰帶）、利用檢修門蓋板安設(shè)起升（或檢修）裝置，起吊采用直徑為18mm尼龍繩、電路控制為一孔一閥。

3 冬季運行存在問題及原因分析

3.1 存在問題

石佛寺水庫初期建設(shè)功能為滯洪型，冬季閘門不運行，處于常開狀態(tài)，2009年實施了生態(tài)建設(shè)后，為了確保生態(tài)水位不變，需要實時調(diào)整閘門開度，水庫功能變?yōu)檎{(diào)蓄型，即使是冬季也要保證閘門暢通運行。冬季氣溫持續(xù)偏低，造成下扉門開度大于20cm時頂部開始漏水、結(jié)冰；閘門與門槽間結(jié)冰；閘門止水磨損嚴重及啟閉力不足等問題，嚴重時導(dǎo)致泄洪閘門無法啟閉，危及工程安全。

3.2 原因分析

下扉門頂部止水是靠頂部止水橡膠壓縮上扉門底部止水板完成的，上扉門底部止水板設(shè)計寬度為20cm，即上扉門止水范圍0cm～20cm，當(dāng)下扉門開度大于20cm時頂止水即可失效，致使漏水、結(jié)冰；閘門出流時水流因壓強降低，在門槽下游附近產(chǎn)生汽化（空化）現(xiàn)象，導(dǎo)致閘門和門槽（閘門底部豎直方向1m的范圍內(nèi)）結(jié)冰；冬季閘門結(jié)冰時啟閉力不足，根據(jù)水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范DL/T5013-95：平面閘門設(shè)計啟門力Fq=nT（Tzd+Tzs）+Px+n'GG+Gj+Ws 式中：Fq—啟門力（t）；nT—摩擦阻力的安全系數(shù)，一般取 1.2；Tzd—支承摩擦阻力（t）；Tzs—止水摩擦阻力（t）；Px—下吸力（t）；nG'—計算啟門力的門重修正系數(shù)，取1.1；G—閘門活動部分的自重（t）；Gj—加重塊重量（t）Ws—作用在閘門上的水柱壓力（t）。通過上式分析，冬季平面閘門啟門力還應(yīng)加入一項結(jié)冰阻力Tbz，通過現(xiàn)場觀查結(jié)冰阻力主要分布在兩門連接處和門槽底腳1m處，即上扉門主次梁翼緣板上以及下扉門兩側(cè)底腳部位。實踐證明冬季啟門時，時常發(fā)生超載報警現(xiàn)象，其次減速機齒牙磨損較快，從生態(tài)蓄水后的短短幾年就更換了一次減速機另外冬季運行齒輪油發(fā)凝，鋼絲繩鋰基脂潤滑較差等都有一定負荷影響。

4 冬季閘門啟閉系統(tǒng)運行方案

4.1 增設(shè)檢修門兼具溢流堰功能

設(shè)立三孔檢修門，檢修門為鋼疊梁形式，高度可通過鋼疊梁進行調(diào)節(jié)，冬季為滿足生態(tài)水位需要，充當(dāng)開敞式疊梁溢流堰形成了以自由溢流為主，閘門配合控制為輔的獨特方式，改變現(xiàn)狀全部利用泄洪閘門控制的泄水方式。

4.2 檢修門參數(shù)確定

檢修門（鋼疊梁）基本特性參數(shù)為：孔口寬度為12.5m，分為3節(jié)，高度分別為1.5m、2.45m、2.45m（從上到下），3孔底高程均為41.0m高程，最大高度即要考慮檢修門為5.5m（擋水高度5.2m加0.3m超高），又要考慮冬季作為過水堰調(diào)節(jié)流量（3孔堰頂高程45.9m）和保證閘門剛度及結(jié)構(gòu)（單體鋼疊梁高度不小于1.5m）的要求，確定檢修閘門高度為6.4m。

鋼疊梁設(shè)計2種形式的單體梁，分別為高2.45m和高1.5m。考慮可能的運用方式，共設(shè)6個高2.45m和3個高1.5m的單體鋼梁。

圖1 鋼疊梁式溢流堰（檢修門）示意圖

4.3 閘門開啟數(shù)量的確定

為了防止下扉門頂止水漏水結(jié)冰，閘門開度應(yīng)小于20cm。根據(jù)進庫流量調(diào)整閘門的開啟數(shù)量。

①寬頂堰和實用堰流的泄流公式計算（當(dāng) H＜0.75m時）：Q=σcσsmbH03/2堰上水頭為0.3m時，一孔泄水量為4.54 m3/s，3 孔為：13.62m3/s。

③根據(jù)2001年～2012年冬季日平均入庫流量表統(tǒng)計，最大入庫流量為51.1m3/s，入庫平均流量為20m3/s左右。

④閘門開啟數(shù)量確定：每年11月15日～3月14日，13孔全關(guān)，開啟1孔大閘門調(diào)節(jié)，特殊情況可根據(jù)入庫流量增開閘門數(shù)量。

4.4 閘門與門槽間結(jié)冰處理

采用便攜式熱鼓風(fēng)機，通過高耐熱軟管和噴頭，直接對準(zhǔn)結(jié)冰部位進行熱風(fēng)融冰，工作面溫度應(yīng)在60℃度左右為宜，其次根據(jù)水情調(diào)度指令，提前預(yù)熱，為了降低運行成本可采用即停即開的辦法。

5 泄水方式的次生影響

由于門槽底坎為混凝土水平堰，增設(shè)的鋼疊梁溢流堰，改變了泄水方式，形成了堰流，以平拋方式落入底坎上，日積月累的不停沖刷，勢必破壞附近底坎混凝土并對工作門底坎產(chǎn)生不利影響。

根據(jù)生態(tài)水位46.2m要求，冬季溢流采用2節(jié)2.45m高的疊梁，落差為4.9m，另外依據(jù)冬季現(xiàn)場觀測，水流速度0.3m/s。 根 據(jù) 平 拋 公 式 ：Vt2=V02+（gt）2，h=1/2gt2，t==1s，落入底坎的水流即時速度Vt≈10m/s。在即時沖量的作用下，底坎混凝土即將產(chǎn)生橫向溝壑，導(dǎo)致原混凝土保護層受到破壞，露出鋼筋并受腐蝕，使得該處混凝土強度逐漸降低，并將產(chǎn)生裂縫。為此每年閘門起落前需定期檢測底坎混凝表面磨損程度及裂縫走向、深度等數(shù)據(jù)，為日后底坎修補提供科學(xué)依據(jù)。

6 結(jié)語

通過近幾年的冬季運行檢驗，利用3扇檢修閘門的疊梁組成的三孔疊梁堰，在水庫蓄水位滿足46.2m的要求下，水庫最常來水時（20 m3/s左右），通過疊梁堰和大閘門聯(lián)合控制，基本解決了大閘門頂止水冒水結(jié)冰的卡阻現(xiàn)象，操作簡單，運行管理方便，保證了水庫植物越冬和水庫度汛的安全。應(yīng)加強門槽底坎的破損觀測，特別是水流沖刷及氣蝕的影響，為日后修補加固提供科學(xué)依據(jù)；根據(jù)現(xiàn)場情況，可在水流跌入底坎處增設(shè)鋼底板或耐沖刷的混凝土措施，另外為了保證堰流穩(wěn)定且自由出流，應(yīng)注意：堰上水頭應(yīng)大于2.5cm，避免水舌貼壁溢流，其次為了避免水舌下面形成局部真空，需在閘墩側(cè)壁設(shè)置通氣孔。同時，要注意觀測檢修門（溢流堰）前泥沙淤積情況，不斷完善該運行方案。陜西水利