水利樞紐工程主要技術研究的論文
水利樞紐工程主要技術研究的論文
摘要：邵武市東關水利樞紐工程是一座採用翻板門活動壩進行洩洪的工程，具有閘孔尺寸大、洩洪能力強、對城區防洪影響小的特點。該文介紹了洩水閘佈置，壩體構造、壩體斷面、翻板閘門等的有關設計內容，以期為今後在城區建設具有發電、改善水環境、美化城市、促進旅遊等綜合效益的水利工程提供參考。
關鍵詞：水利樞紐溢流閘活動壩翻板閘門
1工程基本情況
邵武市東關水利樞紐工程是一座集改善環境、蓄水發電、旅遊開發為一體的綜合利用水利工程，工程採用分期導流、分期施工方式；工程於1999年9月28日開工，一期工程於2000年6月28日完成，二期工程於2004年10月10日完工；工程投入執行以來已產生了良好的經濟、社會和環境效益。
東關水利樞紐工程位於邵武市東關大橋下游180m處的富屯溪幹流上。壩址以上流域面積2748km2，多年平均流量106m3/s,多年平均年徑流量33.4億m3；水庫正常蓄水位189.5m，校核洪水位193.41m，總庫容935萬m3；電站裝機容量4.8MW，保證出力900kW，年利用4217h，多年平均發電量2024萬kWh。電站接入福建省電網，主要向邵武地區供電，電站建成後進一步促進了地方經濟發展。工程為低水頭徑流式水電站，樞紐主要由活動壩、河床式廠房、升壓站等組成。
樞紐工程位於城區，為降低邵武城關的防洪壓力，經分析比較和論證，採用活動壩為本工程的洩洪建築物。活動壩是採用一定開度的翻板閘門作為主要擋水結構的一種壩型，共有8孔，安裝8扇尺寸為25×5.0m（閘門寬度×擋水高度）的翻板閘門，平時透過閘門不同開度的控制來調節下洩流量，或保持上游庫水位在正常蓄水位189.50m；洪水時翻板閘門全部開啟，近於消失（當洪水大於設計洪水時活動壩處於水下），保持了天然河道的過水斷面，使樞紐具有足夠的洩洪能力（壩址處20年一遇洪水位較天然狀態僅壅高0.23m），較有效的解決了城區樞紐工程擋水與防洪的矛盾。
工程的建成，美化了邵武市區，正常蓄水位189.5m時，相應水庫面積1.2km2，枯水期回水長度5.4km，市區河床裸露景象不復存在，形成一個寬闊優美的人工湖。
2樞紐佈置
根據東關水利樞紐工程所處地形、地質、水流條件，施工條件以及執行管理等因素，發電廠房佈置在河床左岸，河床中部及右岸佈置溢流閘（翻板門活動壩），左、右岸採用混凝土擋牆與岸坡連線，壩頂全長284.9m。
攔河壩為低堰溢流閘，壩頂高程191.80m，壩高12.80m，溢流閘全長238.9m，分8孔，每孔淨寬25.0m，閘墩內設兩個衝淤積導水孔；為使溢流堰不影響行洪，堰頂高程比下游河床略低，採用寬頂堰，高程確定為184.50m；下游消能採用跌流及底流消能，壩頂不設交通橋。
溢流閘採用8孔平板翻板工作閘門擋水，翻板工作閘門尺寸25.0×7.07m（寬×高），每扇翻板閘門用2×2000kN液壓啟閉機操作。工作門上游採用浮式閘門作為檢修設施。活動壩閘墩內導水孔閘門尺寸為1.2×1.2m，採用手電二用閘閥進行動水啟閉，導水孔進口設攔汙柵和檢修閘門。翻板閘門在門頂過流時，門頂後側掛有一道水簾，為使閘門與水簾之間的空間能夠補氣和排氣，在閘門上設有破水器，在閘墩邊牆設有通氣孔。
主廠房總長46.0m，總寬度32.9m，主機段長33.5m，裝配場段長12.5m。廠房內安裝3臺豎井貫流式水輪發電機組，單機容量1.6MW，機組間距11.0m。進水口布置攔汙柵、事故檢修閘門及進人孔，每臺機組設2個進水口，其中攔汙柵一道，事故閘門兩扇，進水口平臺高程190.0m，佈置了起吊攔汙柵和事故檢修閘門的電動葫蘆門型構架。
3工程主要技術及特點
3.1活動壩
3.1.1壩體構造
（1）壩頂高程：由於活動壩壩頂可以過水和壩頂無交通橋佈置要求，考慮在設計洪水標準下技術廊道內不進水，並減少行洪影響，壩頂高程以設計洪水位191.71m加一定超高確定，最終為191.80m。
（2）壩內技術廊道：為解決技術廊道液壓啟閉機油管佈置、左右岸交通、檢修、通風、排水等，在活動壩底設技術廊道。技術廊道尺寸為2.0×2.7m（寬×高），位於中心樁號為壩下0+014.2m，底部高程181.0m，其下游側佈置排水溝，集水井尺寸3.0×2.0m×1.95m（長×寬×深）。水泵和通風機室設在右岸，翻板閘門液壓啟閉機的泵站設在左邊墩194.6m高程的平臺上。
（3）衝砂孔：由於溢流堰堰頂及閘門支鉸高程較低，堰後較易淤積，為便於翻板閘門開啟，在每個活動壩閘墩均設有衝砂孔（孔口尺寸1.2×1.2m），取壓力水通過沖砂孔將堰後底坎沉積淤積物沖掉。
（4）壩體分縫止水：考慮活動壩壩體高度及底板厚度不大，基礎約束較弱，為降低閘門設計、製造安裝難度，降低止水要求和工程造價，借鑑有關工程經驗，在溢流閘八孔中部設一道伸縮縫，解決基礎不均勻沉降問題。廠壩間、右邊墩與集水井之間結構縫、壩體伸縮縫各設一道止水銅片和一道橡膠止水帶。
3.1.2壩體斷面設計
（1）壩體基本斷面：溢流閘活動壩壩體斷面除滿足穩定與應力要求外，主要受金屬結構佈置控制。溢流閘共8孔，每孔淨寬25m，閘室底板長26.5m，上下游側設防滲齒牆，左邊墩因啟閉機佈置要求寬度為5.0m，中墩和右邊墩均為4.0m。
（2）溢流閘孔口確定：考慮本工程處於城區，洪峰流量大，庫區洪水位雍高受限的特點，根據洪水流量，河床地質條件選定具有洩洪能力大的混凝土溢流閘（活動壩、翻板閘門）為洩洪建築物，洪水全部由溢流閘渲洩。由於本工程處於邵武市區，上游淹沒和市區防洪是確定閘孔總淨寬的主要影響因素，計算閘孔總淨寬時，上游淹沒要小，上、下游水位差一般在0.1～0.3m，同時兼顧允許過閘單寬流量、水工建築物佈置和工程造價。透過7種孔口方案的比較，最終選定大孔口方案，佈置8孔溢流閘，每孔淨寬25m，堰頂高程184.5m（低於原河床高程），在下洩20年一遇設計洪水時，上下游水位差為0.23m。
（3）壩後消能防衝：由於翻板閘門的執行特點，活動壩洩洪時，下游流態變化形式與一般閘門不同，且更為複雜；參照國內相關工程經驗，按翻板閘門不同開度，下游流態由按跌流與底流相互演變進行消能設計，消力池長15.4m，底板高程180.68m；在跌流不同開度工況下，計算衝坑深度均小於消力池水深，不會影響溢流壩安全。閘門洩水執行中採取合理的排程方式，保證在任何情況下水跌發生在消力池內。
3.1.3閘墩拉錨筋
活動壩中水荷載透過翻板閘門傳至閘墩上，受力點為油缸支座、鎖定梁處，而閘門檢修時需固定浮動門，此時荷載主要受力點為閘墩上游兩側面的浮動門吊耳，這些部位由於承受荷載較大，在閘門全開時，油缸支座拉力達2130kN，因此上述閘墩區域性受拉區須配置扇形受拉鋼筋（拉錨鋼筋）。
3.1.4閘墩側面翻板門扇形執行區處理
翻板門底鉸在底坎上，閘門從關閉至臥倒全開的執行軌跡在閘墩側面形成一扇形區。為了使閘門在不同開度情況下均能正常工作，並保證閘門兩側水封能緊密與閘墩表面接觸，以達到止水效果，此扇形區進行一定處理；扇形區閘墩表面要求光滑垂直，表面磨光，噴塗903聚合物改性水泥砂漿，垂直度2/1000，平整度3mm/m，粗糙度2μm。3.1.5基礎處理及防滲型式
東關水利樞紐壩高較低、水頭較小，建基面基岩為強風化頂板，壩基穩定與應力小滿足規範要求，壩基設定上下游齒牆後，壩基抗滲也滿足要求，壩基不進行固結、帷幕灌漿處理，僅在上下游壩腳處拋填大塊石保護，防止水流沖刷和掏空。
右壩頭採用連續防滲牆防滲，牆頂高程193.47m，延伸長度9.51m；同時在右壩頭開挖後，回填一定比例的粘性土以增加壩頭的防滲能力。2003年為了進一步防止繞壩滲流危及下游防洪堤基礎，在東關大橋至壩址段佈置防滲孔，加強防滲處理措施。
3.2活動壩段金屬結構
（1）擋水閘門及啟閉
擋水閘門佈置：活動壩擋水閘門為翻板平面鋼閘門，採用向下遊傾斜55°角佈置方式，為使正常蓄水位時，閘門操作裝置不浸水，其操作用的2支液壓缸中心線成水平佈置在高程190.0m孔口兩側閘墩上，閘門寬度方向兩端上游側設定了兩個垂直於面板的三角形支臂，閘門即透過該支臂與液壓缸相連線。液壓啟閉機最大啟閉力2×2000kN，最大持住力2×1300kN，工作行程6.3m。每扇翻板閘門均在閘墩上設機械鎖定裝置，該鎖定裝置的爪式鎖定塊透過在閘門三角形支臂上端的一個鎖定擋頭對閘門進行鎖定。活動壩上游採用浮式閘門作為檢修設施，其支承跨度25.75m。
翻板閘門結構設計：閘門孔口淨寬25m，具有閘門跨度大、啟閉力大，底部支承和變形控制要求高的特點。為保證閘門整體變形小，執行安全可靠，設計時充分考慮底部支承和閘門啟閉時兩吊點啟閉力差異等情況。每孔閘門底部採用多鉸支承佈置，共設5個圓柱鉸；對閘門進行抗扭計算，使閘門整體具有足夠的抗扭剛度。
翻板閘門的'啟閉：閘門開啟依靠水壓力和閘門重產生的傾倒力矩，此時液壓缸只用於持住閘門，泵站的輸出壓力僅用於開啟液壓鎖定閥，閘門的開啟速度採用調節液壓系統的調速閥來控制。閘門關閉採用啟動液壓泵站，透過液壓缸提起閘門，關閉孔口，一般情況下分兩批交替關門。
液壓系統的佈置：除液壓缸為露天佈置外，液壓泵站和電氣裝置均設在大壩1#閘墩194.6m高程的啟閉房內，油管從泵站經豎井和活動壩底板下的技術廊道通向各液壓油缸。
（2）導水孔閘門：每個活動壩閘墩均設有衝淤積導水孔，導水孔的進口處設定了一道固定式攔汙柵，孔口尺寸為1.9×1.9m，設計水頭3m，攔汙柵重量約0.4t。導水孔設一道檢修門，孔口尺寸為1.2×1.2m；導水孔工作閘門為手電兩用蝶閥，直徑Ф1.2m，開啟壓力0.6MPa，重量約3.25t，該蝶閥可進行動水啟閉。一般情況下，在開啟活動壩翻板閘門時，均應先開啟導水孔閥門進行衝淤，以利於翻板閘門的正常執行。
3.3水輪發電機組
電站為低水頭徑流式水電站，水頭範圍為2.1～5.6m，根據工程經驗，此水頭段宜採用貫流式水輪機，透過燈泡貫流式、軸伸貫流式和豎井貫流式3種機型的技術經濟比較，最終選用利於樞紐佈置、執行檢修、經濟合理的豎井貫流式機組，型號為GZSK114-WS-290。水輪機轉輪直徑2.9m，額定水頭4.1m，額定轉速125rpm，額定出力1737kW，額定點效率87%；機組安裝高程181.3m，吸出高度-2.8m。
發電機與水輪機同軸，型號為SFW1600-8/1480，額定容量為1.6MW，額定電壓6.3kV，額定電流183A，額定功率因素0.8。
4結語
邵武東關水利樞紐工程是福建省內第一座採用翻板活動壩進行洩洪的工程，洩水閘採用低坎大孔口布置，具有底坎高程低（略低於下游河床），閘孔尺寸大（寬25m），洩洪能力強，洩洪時上下游水位差小的特點；工程較有效地解決了城區擋水與防洪的矛盾，為城區建設綜合利用的水利樞紐工程提供了可行的方案；庫區形成人工湖後，可進一步改善邵武市區的水環境，構築城市的親水性，促進水利旅遊業的發展。