退水閘功能變更安全影響分析

李嶠

摘要：退水閘功能為總干渠事故、檢修時(shí)退水，當(dāng)利用退水閘向鄰近河道進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水時(shí)，其功能和運(yùn)行工況發(fā)生了變化。本文以QL退水閘為例，就其功能變更對(duì)工程安全和供水安全進(jìn)行影響分析，對(duì)類似工程具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：退水閘 ?生態(tài)補(bǔ)水 ?小開(kāi)度 ?空蝕 ?閘門振動(dòng)

某大型引調(diào)水工程沿總干渠設(shè)有退水閘，其原功能為總干渠事故、檢修時(shí)退水。為了充分發(fā)揮工程效益，適應(yīng)沿線地方用水需求的變化，擬利用退水閘向鄰近河道生態(tài)補(bǔ)水，以改善沿線用水區(qū)的居民生活用水條件、補(bǔ)充地下水源，增加用水儲(chǔ)備。

退水閘原功能為總干渠事故、檢修時(shí)退水，其設(shè)計(jì)工況為閘門全開(kāi)或全關(guān)，對(duì)閘門控制精度要求很低，同時(shí)退水閘長(zhǎng)期小開(kāi)度運(yùn)行，可能存在高速水流引起空蝕、閘門振動(dòng)等問(wèn)題，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。為保障工程安全和供水安全，須對(duì)變更功能的退水閘進(jìn)行安全影響分析。下面以總干渠QL退水閘為例進(jìn)行分析。

1.工程概況

QL退水閘設(shè)計(jì)退水流量115m3/s，由進(jìn)口連接段、閘室、消力池、退水渠等組成，全長(zhǎng)683m。

退水閘共1孔，閘室長(zhǎng)15m，孔寬5.5m，底板高程為79.387m，閘頂高程86.737m。閘室為開(kāi)敞式鋼筋混凝土整體結(jié)構(gòu)，閘室上下游均布置圓弧翼墻。

閘下消力池長(zhǎng)30m，深1.6m，采用矩形槽鋼筋混凝土整體結(jié)構(gòu)，由斜坡段和水平段組成。斜坡段水平投影長(zhǎng)8m，底寬5.5m～7.5m，縱坡1：5，底板高程79.387m～77.787m;水平段長(zhǎng)22m，底寬7.5m，底板高程為77.787m。

退水明渠為梯形斷面，底寬7.5m，邊坡1：2.5，縱坡i=0～1/1000，采用漿砌石襯砌。

退水閘設(shè)置工作閘門和檢修閘門各1扇。工作閘門為露頂平面鋼閘門，設(shè)計(jì)水頭6.324m，動(dòng)水啟閉，啟閉設(shè)備為雙吊點(diǎn)固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)。檢修閘門布置在工作閘門的上游，閘門結(jié)構(gòu)同工作閘門，操作方式為動(dòng)水閉靜水啟。

2.水工結(jié)構(gòu)安全影響分析

2.1門槽處空蝕計(jì)算

QL退水閘為平底板閘，閘門小開(kāi)度運(yùn)行時(shí)，閘門槽前參考斷面平均流速較大，易發(fā)生空蝕。根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》SL253-2018計(jì)算閘門不同開(kāi)度的水流空化數(shù)及初生空化數(shù)，初生空化數(shù)按閘門槽尺寸計(jì)算并內(nèi)插得。

式中：σ—水流空化數(shù);

ha—建筑物所在地區(qū)的大氣壓力水柱（m）;

v0—來(lái)流參考斷面平均流速（m/s）;

h0—來(lái)流參考斷面時(shí)均壓力水頭（m）;

hv—水的氣化壓力水柱（m），取25度水溫對(duì)應(yīng)的壓力水柱0.32m;

?—當(dāng)?shù)睾０胃叨龋╩），取80m。

退水閘小開(kāi)度運(yùn)行過(guò)閘流量采用《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)》中的平板閘門閘孔出流流量公式計(jì)算：

式中：Q—過(guò)閘流量（m3/s）;

σ—淹沒(méi)系數(shù);

μ—閘孔自由出流流量系數(shù)，按南京水利科學(xué)研究所的經(jīng)驗(yàn)公式：

b—閘孔寬度（m）;

e—閘孔開(kāi)度（m）;

H0—總水頭（m）。

閘前總水頭6.324m，孔口寬5.5m，閘門槽空蝕計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

通過(guò)計(jì)算可知，總干渠加大水位下，退水閘閘門在0.05m～2.00m小開(kāi)度運(yùn)行時(shí)，閘門槽前參考斷面水流空化數(shù)為4.41～6.37，閘門槽處的初生空化數(shù)為0.709，最小水流空化數(shù)大于初生空化數(shù)，因此，閘門槽處不產(chǎn)生空化水流，不會(huì)產(chǎn)生空蝕。

2.2閘門小開(kāi)度運(yùn)行消能防沖驗(yàn)算

消力池深度及長(zhǎng)度《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》SL265-2016附錄推薦公式進(jìn)行計(jì)算。閘前總水頭6.324m，孔口寬5.5m，閘門小開(kāi)度運(yùn)行時(shí)閘下消力池消能計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

通過(guò)計(jì)算可知，總干渠加大水位下，退水閘閘門在0.05m～2.00m小開(kāi)度運(yùn)行時(shí)，閘下消力池計(jì)算深度1.46m，水平段計(jì)算長(zhǎng)度18.67m，現(xiàn)狀閘下消力池深1.6m，水平段長(zhǎng)22m，實(shí)際工程消力池深度及長(zhǎng)度均大于計(jì)算所需數(shù)值。因此，在上述各小開(kāi)度運(yùn)行時(shí)，消力池能夠滿足要求。

3.金屬結(jié)構(gòu)安全影響分析

退水閘工作閘門采用平面定輪鋼閘門及固定卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)操作。因退水閘僅增加局部開(kāi)啟功能，沒(méi)有提高閘門的擋水高度，因此現(xiàn)有門體主要結(jié)構(gòu)及零部件的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性均滿足規(guī)范和工程運(yùn)行的要求。

現(xiàn)有閘門對(duì)于滿足原退水工況是合適的，但如果閘門局部開(kāi)啟時(shí)，本門型可能會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。振動(dòng)分為兩種，破壞性振動(dòng)和一般性振動(dòng)。對(duì)于本工程閘門，設(shè)計(jì)水頭均不大，閘門開(kāi)度較小，閘門自重較大，經(jīng)過(guò)分析認(rèn)為不會(huì)出現(xiàn)破壞性振動(dòng)，但一般性振動(dòng)可能會(huì)出現(xiàn)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)查勘和征詢運(yùn)行單位意見(jiàn)，退水閘工作閘門小開(kāi)度試運(yùn)行進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水期間，沒(méi)有出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。為了滿足生態(tài)供水時(shí)退水閘工作閘門各種運(yùn)行工況，閘門不同開(kāi)度也可能出現(xiàn)的振動(dòng)問(wèn)題，因此，建議在該閘門設(shè)置應(yīng)力、變形和振動(dòng)等在線監(jiān)測(cè)裝置，對(duì)閘門進(jìn)行原型試驗(yàn)，檢驗(yàn)在開(kāi)度范圍是否存在振動(dòng)現(xiàn)象，如有振動(dòng)采取措施進(jìn)行消除。

4.結(jié)語(yǔ)

經(jīng)復(fù)核，從退水閘結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、過(guò)流能力、閘門及啟閉設(shè)備等各方面綜合分析，現(xiàn)狀退水閘基本能夠滿足長(zhǎng)期保持小開(kāi)度供水的要求，但考慮工程運(yùn)行中存在的安全隱患及對(duì)總干渠的最不利影響，調(diào)度過(guò)程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1）功能變更后，退水閘工作閘門擋水、退水條件及其操作運(yùn)行要求與原設(shè)計(jì)方案一致。功能變更后，退水閘主要運(yùn)行方式為局部開(kāi)啟進(jìn)行生態(tài)供水。但長(zhǎng)期保持小開(kāi)度過(guò)流，會(huì)加速啟閉設(shè)備零部件的老化，同時(shí)容易造成底止水橡皮及底側(cè)止水橡皮破壞;長(zhǎng)時(shí)間的高速過(guò)流亦會(huì)對(duì)閘室底板結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，存在一定的安全隱患，建議定期對(duì)退水閘進(jìn)行檢查和維護(hù)，及時(shí)排除隱患，確保退水功能及退水安全。

2）退水閘開(kāi)度過(guò)大會(huì)造成總干渠水位突降，造成襯砌破壞，所以允許閘門開(kāi)度不宜超過(guò)引起總干渠水位突降限值的最大開(kāi)度，同時(shí)密切觀察上游總干渠水位變化情況，一旦短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)較大水位變動(dòng)應(yīng)立即采取處理措施，避免對(duì)總干渠造成破壞。

3）QL退水閘小開(kāi)度試運(yùn)行生態(tài)補(bǔ)水期間未發(fā)現(xiàn)閘門振動(dòng)的情況，建議在今后的運(yùn)行中加強(qiáng)觀測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)振動(dòng)時(shí)，要及時(shí)調(diào)整開(kāi)度，避免閘門長(zhǎng)期處于振動(dòng)區(qū)。

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