淺析史河總干渠兩座泄水閘金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計

曾 華1，羅朝傳，李冰源

(1.安徽省淠史杭灌區(qū)管理總局設(shè)計院，合肥，230088；2.四川大學(xué)水利信息化聯(lián)合實(shí)驗室，成都，610065)

1 工程概況

史河總干渠位于安徽省淠史杭灌區(qū)西北部，以梅山水庫為水源，從梅山水庫下游約9km的紅石嘴渠首引水，是以灌溉為主、結(jié)合發(fā)電和城鄉(xiāng)供水等綜合利用的大型水利工程?？偢汕L度42km，渠首進(jìn)水閘設(shè)計引水流量145m3/s。

洪河泄水閘位于史河總干渠左岸0+250處，建于1992年，1993年投入運(yùn)行。設(shè)計排洪流量為281m3/s，水閘上游為史河總干渠，下游為老史河，共計5孔，孔口凈寬4.8m，閘上設(shè)計水位64.30m(總干側(cè))，閘下水位64.00m(史河側(cè))。

胡莊泄水閘位于史河總干渠左岸5+800處，1961年9月建成并投入使用。設(shè)計排洪流量為185m3/s，水閘上游為史河總干渠，下游為老史河，共計5孔，孔口凈寬5.0m，閘上設(shè)計水位63.90m(總干側(cè))，閘下水位63.45m(史河側(cè))。

表1 史河總干渠洪河泄水閘、胡莊泄水閘工程特性

金寨縣境內(nèi)的洪家河從史河總干渠洪河及胡莊泄水閘泄入史河，故兩座泄水閘是金寨縣城洪澇防御體系的重要組成部分，共同承擔(dān)史河總干渠進(jìn)水閘至胡莊泄水閘區(qū)間68km2集水面積的泄洪任務(wù)，保護(hù)史河總干渠防洪安全。并可將總干渠水放空，以便渠道維修。

圖1 洪河及胡莊泄水閘泄水閘工程位置示意

2 更新改造緣由

洪河泄水閘與胡莊泄水閘均為鋼筋混凝土平面閘門、螺桿式啟閉機(jī)，投入運(yùn)行以來未進(jìn)行大的維修加固，老化嚴(yán)重。存在門體漏筋銹蝕；止水破壞、漏水嚴(yán)重；滾輪銹蝕嚴(yán)重，啟閉異常困難；閘門檢修條件惡劣，無法吊出檢修；啟閉設(shè)備老化，已超過折舊年限等諸多問題。存在重大的安全隱患，根據(jù)批復(fù)意見對兩座泄水閘閘門及啟閉機(jī)進(jìn)行更新改造。

3 閘門布置與設(shè)計

3.1 閘門總體布置和選型分析

總體布置是閘門設(shè)計中的關(guān)鍵性問題，既要因地制宜合理布局，又要滿足工程管理部門的使用要求，優(yōu)選經(jīng)濟(jì)合理的方案。洪河泄水閘為潛孔式，胡莊泄水閘為露頂式，本次更新改造均維持原有閘門型式。洪河泄水閘閘門布置在交通橋下游，維持原5孔，單孔凈寬4.8m的閘孔布置。胡莊泄水閘閘門布置在交通橋上游，經(jīng)方案比選后，由原7孔，單孔凈寬3.5m，選用為5孔，單孔凈寬5.0m。

根據(jù)兩座泄水閘運(yùn)行特點(diǎn)，閘門要具有承受各種靜、動載荷的能力；能在動水中啟閉；具備良好的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量性能。因此，選擇一種技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理、運(yùn)行時可靠的門型十分重要。在灌區(qū)中型水閘及城市防洪、景觀工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計中，平面鋼閘門運(yùn)用十分廣泛，克服了鋼筋混凝土閘門結(jié)構(gòu)笨重、安裝維修不便、止水效果不好、啟閉力大等缺點(diǎn)。紅石嘴水利樞紐為省級水利風(fēng)景區(qū)，史河總干渠右岸即為金寨縣城，樞紐及史河總干渠兩岸已成為群眾休閑、觀光的風(fēng)景帶。采用尺寸較大，結(jié)構(gòu)合理的鋼閘門，既與周邊景觀協(xié)調(diào)，也可利用水柱壓力閉門以減小門重，配置較小容量的啟閉機(jī)，減少運(yùn)行費(fèi)用，維護(hù)方便，因此，本次設(shè)計經(jīng)分析采用平面鋼閘門。

3.2 閘門設(shè)計參數(shù)

泄水閘閘門設(shè)計基本參數(shù)見表2。

表2 史河總干渠洪河泄水閘、胡莊泄水閘設(shè)計參數(shù)

3.3 閘門設(shè)計

3.3.1 面板設(shè)計

根據(jù)《水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范》(SL 74-2013)關(guān)于面板的計算，先估算面板厚度，在主梁截面選擇之后再驗算面板的局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應(yīng)力。

根據(jù)下式估算面板厚度：

表3 史河總干渠洪河泄洪閘、胡莊泄洪閘設(shè)計參數(shù)

3.3.2 主梁設(shè)計

因面板布置在上游，主梁除承受均布荷載外，還承受側(cè)向水壓力作用在邊柱腹板上引起的軸向力，主梁按簡支梁計算。

主梁為等荷載布置，其線荷載為：q=P總/n/L1(kN)(n為主梁根數(shù)，L1為止水寬度)。

q作用下的最大彎矩、剪力：Mmax(kN·m)=0.5qL1(0.5L+0.25L1)，RA=RB=0.5qL。

表4 主梁荷載及內(nèi)力成果

表5 面板參與梁計算寬度

3.3.3 面板折算應(yīng)力

當(dāng)面板的邊長比b/a>1.5，且長邊布置在沿主梁軸線方向時，只需驗算面板A點(diǎn)的折算應(yīng)力：

表6 折算應(yīng)力成果

經(jīng)計算，區(qū)格長邊中點(diǎn)的折算應(yīng)力σzh<1.1a[σ]，滿足強(qiáng)度要求。

3.3.4 閘門零部件計算

(1)滾輪：圓柱形滾輪與平面軌道，接觸情況是線接觸，其接觸應(yīng)力可按下式驗算：

表7 滾輪接觸應(yīng)力成果

表8 容許局部緊接承壓力和孔壁抗拉應(yīng)力成果

(3)止水：洪河泄水閘為潛孔式，采用雙向止水；胡莊泄水閘為露頂式，采用單向止水。

表9 止水成果

(4)門槽：洪河泄水閘門槽尺寸0.61m×0.32m(寬×深)，W/D=1.91；胡莊泄水閘門槽尺寸0.41m×0.30m(寬×深)，W/D=1.37，滿足設(shè)計規(guī)范中的合宜寬深比要求。

(5)埋件：閘門埋件露出混凝土表面部分采用以材質(zhì)Q235為基材的復(fù)合不銹鋼板，軌道、門楣、底檻均為焊接構(gòu)件，所有埋件均采用C30二期混凝土預(yù)埋，以確保其安裝精度。

4 啟閉機(jī)選型

啟閉機(jī)選型布置應(yīng)符合水工布置、門型、孔數(shù)及操作運(yùn)行、時間要求，還必須滿足技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、操作可靠、安全運(yùn)行、維修方便等要求，并盡量發(fā)揮啟閉機(jī)在工程中的最大效益。經(jīng)比較，兩座泄水閘設(shè)計選用固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)，其具有結(jié)構(gòu)緊湊、承載力大、運(yùn)行平穩(wěn)可靠、安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，而且在啟閉力和揚(yáng)程方面有寬廣的適應(yīng)范圍。

平板閘門啟閉力計算：

(1)閉門力計算采用公式：Fw=nT(Tzd+Tzs)-nGG+Pt

洪河泄水閘和胡莊泄水閘啟門力、閉門力及啟閉機(jī)選型見表10。

表10 泄水閘啟閉機(jī)容量計算

5 結(jié)語

根據(jù)《金寨縣城市防洪規(guī)劃》，史河總干渠洪河泄水閘、胡莊泄水閘是縣城洪澇防御體系的重要組成部分。兩座泄水閘于2011年完成更新改造，消除了史河總干渠安全隱患。工程完工以來，閘門及啟閉機(jī)操作方便、運(yùn)行良好，經(jīng)受住2016年洪水考驗，極大地緩解了城市防洪壓力。洪河泄水閘、胡莊泄水閘的閘門設(shè)計和啟閉機(jī)選型設(shè)計，為今后灌區(qū)中型水閘金屬結(jié)構(gòu)更新改造設(shè)計提供有益的借鑒。