分層水力自動閘門在河道取水中的應(yīng)用

摘要：為滿足分洪無壓洞在洪水期引水、枯水期關(guān)閉的需求，解決傳統(tǒng)水力自控閘門無法實現(xiàn)分層取水、漂浮物易卡塞、防洪風(fēng)險大、運行管理不便等問題，設(shè)計了一種分層水力自動閘門結(jié)構(gòu)，概述了該閘門結(jié)構(gòu)的運行方式，針對不同工況提出了優(yōu)化措施，進一步探討了該閘門結(jié)構(gòu)在雙層河道下層暗河進水口的應(yīng)用，并在石馬潭水庫工程磐石引水隧洞進行實踐，研究表明該結(jié)構(gòu)具有全自動啟閉、節(jié)約能源、保障防洪安全、改善景觀、運行可靠、安裝簡便等優(yōu)點，為河道節(jié)能取水閘結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了思路和經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：水力自動閘門； 雙層河道； 無壓隧洞； 引水渠

中圖法分類號：TV664文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.S2.008

文章編號：1006-0081（2024）S2-0025-04

0引言

水網(wǎng)工程是完善水資源優(yōu)化配置體系的重要手段，隨著水網(wǎng)工程的建設(shè)，采用無壓洞取水口引河道洪水至水庫集中調(diào)蓄，既可減輕山區(qū)河道洪澇災(zāi)害，又可將洪水集中存儲在一定庫容的水庫實現(xiàn)洪水資源化利用，無壓洞要求在豐水期引水，考慮下游河道的生態(tài)因素，在枯水期不引水，因此需要設(shè)置取水閘門。

傳統(tǒng)閘門需要人工開啟、自動化程度低、能耗大，不適用于自動取水口，考慮采用水力自動閘門解決以上問題。水力自動閘門是利用水力和重力作用，在一定的水位條件下，閘門隨流量變化實現(xiàn)自動啟閉［1］，具有造價低廉、運行可靠、管理簡單、節(jié)能等特點［2-3］。

目前，水力自動閘門的應(yīng)用非常廣泛，包括灌溉渠系、引水工程、景觀工程等。水力自動閘門按照閘門的形式和構(gòu)造可分為翻板閘門、弧形閘門、浮筒閘門、滾筒閘門等［4-5］。水力自動翻板閘門應(yīng)用在小水電、蓄水工程、水景觀工程中［6］，但不能滿足分層取水的需求，同時存在漂浮物卡塞的風(fēng)險，影響防洪安全。水力自動浮筒式閘門由一個錐形的浮筒閘體以及閘門孔板組成，閘門啟閉是利用浮筒浮力大小的改變，使閘門沿鉛直方向上升和下降，從而改變流量的大小［7］。這種閘門造價低、結(jié)構(gòu)簡單，適用于末級渠道［8］。隨著水利事業(yè)的發(fā)展和治水思路的改變，在水利工程實施過程中越來越重視綠色水利，水力自動閘門仍然有著非常廣泛的用途［9］。

以上閘門結(jié)構(gòu)未徹底解決洪水期自動取水，枯水期自動關(guān)閉的問題，本文提出的浮筒式分層取水閘結(jié)構(gòu)不僅滿足以上要求，同時具有安裝簡便、運行可靠、節(jié)約能源、景觀性好的優(yōu)點。

1工程概況

浙江省東陽市石馬潭水庫工程由石馬潭水庫西庫、石馬潭水庫東庫和連通工程等組成，連通工程包括磐溪堰壩、東方紅提水泵站、東潘引水隧洞、潘石引水隧洞、磐石引水隧洞、檢修交通洞、施工支洞等。引水隧洞線路總長22.43 km，通過磐石引水隧洞將磐溪支流洪水引入石馬潭水庫西庫，隧洞長6.18 km，城門洞型為無壓隧洞，襯后斷面為6.0 m×5.5 m（寬×高），設(shè)計過流能力30 m3/s。磐石引水隧洞進水口位于磐溪堰壩上游左岸約100 m處，取水口結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2無壓洞口取水閘設(shè)計

2.1特性分析

磐石引水無壓洞洞口所在區(qū)域交通條件差，巡視及管理難度較大，對無壓洞首部取水口的閘門自動化運行提出了較高的要求。而山區(qū)新建控制閘的配套電力線路修建成本高、難度大，故有必要尋求能在無壓洞首部無需配電即可自動運行的取水口結(jié)構(gòu)?？紤]首部進水口豐水期引水的同時，原河道仍要下泄一定的生態(tài)流量（占原河道流量的30%～40%），在枯水期不引水。因此需要研究一種啟閉節(jié)能、運行可靠、安裝簡單的無壓洞首部自動引水結(jié)構(gòu)。

2.2設(shè)計思路

通過對取水口特性進行分析，考慮無壓洞首部取水口結(jié)構(gòu)用于山區(qū)沖溝或支流小河道，需要在上游河道某一位置布置引水渠，當(dāng)上游河道水位超過引水渠底高程時，引水渠引水至水槽，水槽內(nèi)的浮筒隨槽內(nèi)水位升降，帶動分層設(shè)置的閘門同步升降，進一步細化取水閘結(jié)構(gòu)，設(shè)置分層的底板、胸墻與隔板間的孔口實現(xiàn)水位上升超過（降落低于）設(shè)定高程時，閘門可自動全開（關(guān)）的功能。

2.3取水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖2所示，水力自動啟閉閘門包括引水渠和控制閘。引水渠位于所述控制閘同側(cè)岸坡，引水渠入口位于河道上游，沿岸坡順坡布置，末端連接控制閘；控制閘上游設(shè)有箱涵連接河道，控制閘位于箱涵和輸水隧洞之間。輸水隧洞為無壓洞，采用城門洞型斷面，與控制閘連接部位設(shè)漸變段。箱涵兩側(cè)與護岸擋墻連接，滿足控制閘運行期交通要求。具體功能如下。

（1） 控制閘包括三聯(lián)槽、浮筒、支架、閘門和壓板。三聯(lián)槽包括泄水道、水槽、胸墻、門槽、頂板、連通管和排水管等結(jié)構(gòu)。

（2） 泄水道為三聯(lián)槽的主體結(jié)構(gòu)，是控制閘的過流通道，泄水道的底部為底板，兩側(cè)為墩墻，上游段為U形槽結(jié)構(gòu)，下游段在U形槽中間設(shè)有水平隔板，上、下游分別連接上游河道和下游雙層河道。

（3） 水槽是容納浮筒的容器，浮筒為中空殼體，頂部與支架的連桿連接，可隨水槽內(nèi)的水位上下浮動，從而帶動閘門升降。排水管埋置在水槽側(cè)壁底部，放水至外部低洼地段。

（4） 在泄水道內(nèi)布置多段胸墻，實現(xiàn)閘門分層布置，在泄水道兩側(cè)墩墻內(nèi)布置門槽（空腔結(jié)構(gòu)）。

（5） 頂板位于泄水道下游段，L形布置，水平方向起連接兩側(cè)墩墻和內(nèi)置連通管的作用，豎直方向支撐山體邊坡。

（6） 閘門位于泄水道孔口部位，多道設(shè)置，閘門關(guān)閉時可以封閉隔板以下各層孔口，開啟時位于胸墻或隔板上游側(cè)，避免影響孔口過流。在閘門運行過程中，采用壓板限制各級閘門的上升高度。支架位于控制閘頂端，為連接浮筒和閘門的桁架結(jié)構(gòu)，采用不銹鋼制作。

2.4優(yōu)化分析

根據(jù)取水閘在不同工況下的應(yīng)用條件，對其結(jié)構(gòu)及材料提出以下優(yōu)化措施。

（1） 引水堰孔口上部可增設(shè)格柵，避免上游河道內(nèi)雜物進入引水渠和水槽。

（2） 閘門可采用防腐鋼閘門或不銹鋼閘門，外包仿生薄壁防撞層，避免磕碰變形；閘門數(shù)量和高度可根據(jù)下游雙層河道的下層暗河高度調(diào)整，當(dāng)閘門自重較大時，相應(yīng)增加水槽寬度和浮筒長度即可。

（3） 胸墻在與閘門連接的部位還可內(nèi)置磁吸，減少閘門振動以及閘門與胸墻間的空隙，減少滲漏。

（4） 考慮到埋設(shè)的排水管直徑較小，也可設(shè)置水龍頭后在泄水道側(cè)壁隔板以下開孔，水龍頭平時常閉，在洪水過后再打開放水，相應(yīng)地水力自動啟閉閘門運行模式由自動開啟、自動關(guān)閉變?yōu)樽詣娱_啟、手動關(guān)閉，除影響上層明河過流的及時性外，仍然保障防洪安全。

3雙層河道應(yīng)用

3.1工作特性

如圖3所示，雙層河道結(jié)構(gòu)是為解決穿越城區(qū)的山溪性河道水位暴漲暴落［10］，滿足城區(qū)段河道的防洪安全、親水性和景觀需求而提出的［11］，下層暗河解決洪水期過流問題，上層明河滿足枯水期游人親水和河道生態(tài)需求，因此需要在下層暗河入口設(shè)置閘門，保證枯水期關(guān)閉、行洪時開啟。

3.2取水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計

該取水閘結(jié)構(gòu)與無壓洞洞口取水閘結(jié)構(gòu)類似，由引水渠和控制閘兩部分組成，如圖4所示。

引水渠位于控制閘的上游河道兩側(cè)護岸，包括引水堰和渠道，引水堰堰頂高程即設(shè)計閘門開啟水位，連接引水堰與控制閘兩側(cè)的水槽?？刂崎l位于上游河道和下游雙層河道之間，包括三聯(lián)槽、浮筒、支架、閘門和壓板，是該取水閘的主體結(jié)構(gòu)。

三聯(lián)槽為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，同樣包括泄水道、水槽、胸墻、門槽、頂板、連通管和排水管。泄水道下游段設(shè)置隔板，與下游雙層河道的下層暗河頂板齊平，隔板上部與下游雙層河道的上層明河無縫對接，在隔板內(nèi)布置連通管，貫通泄水道兩側(cè)的水槽，用于平衡兩側(cè)水槽水位。

4結(jié)論

針對磐石引水無壓洞洞口所在區(qū)域交通條件差，考慮豐水期引水、枯水期不引水的現(xiàn)實需求，本文提出了一種分層取水閘結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠解決分層自動取水的問題，并且能夠應(yīng)用于雙層河道暗河入口，該結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點。

（1） 全自動啟閉節(jié)能。閘門通過水槽內(nèi)的浮筒帶動，水位超過設(shè)定高程時閘門可自動全開、水位低于設(shè)定高程時閘門可自動全關(guān)，自動運行無需液壓啟閉能耗，是一種非常節(jié)能的結(jié)構(gòu)。

（2） 運行可靠。取水口河段水位變化浮動大，本設(shè)計引水渠自河道上游斷面引水，避免取水口河段直接引水導(dǎo)致閘門頻繁升降問題。帶動閘門升降的浮筒位于兩側(cè)水槽內(nèi)，水槽不參與行洪，避免了動力機構(gòu)被漂浮物卡塞影響防洪安全的問題；孔口多層設(shè)置，個別孔口閘門如被漂浮物卡塞也不致影響下層暗河過流，分段設(shè)置的閘門自重變小，還有利于減少浮筒體積。

（3） 安裝簡便?？刂崎l基本與地坪齊平，無上部建筑，邊坡開挖高度低且與周邊環(huán)境融合，無大型閘門或啟閉機，結(jié)構(gòu)小巧，降低了施工及安裝難度，從而降低了對山區(qū)新建交通道路標準的要求。在城市河段，有利于改善城市景觀。

（4） 應(yīng)用前景廣闊，尤其適用于山塘改造。山塘數(shù)量多、管理難度大，為確保防洪安全，大多采用無人值守、不設(shè)閘門的開敞式溢洪道結(jié)構(gòu)。該取水閘結(jié)構(gòu)用于山塘可改善溢洪道泄洪條件，在同樣壩頂高程和溢洪道寬度條件下，因可變的泄流能力加大，從而為山塘提升正常蓄水位創(chuàng)造技術(shù)條件。

本文主要研究分層取水閘的結(jié)構(gòu)設(shè)計，有必要進一步對該結(jié)構(gòu)進行計算，開展水動力特性數(shù)值模擬、力學(xué)性能數(shù)值模擬等研究，以對其細部結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。參考文獻：

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（編輯：江燾，舒忠磊）