水利樞紐工程主要技術(shù)研究的論文
摘要：邵武市東關(guān)水利樞紐工程是一座采用翻板門活動(dòng)壩進(jìn)行泄洪的工程，具有閘孔尺寸大、泄洪能力強(qiáng)、對(duì)城區(qū)防洪影響小的特點(diǎn)。該文介紹了泄水閘布置，壩體構(gòu)造、壩體斷面、翻板閘門等的有關(guān)設(shè)計(jì)內(nèi)容，以期為今后在城區(qū)建設(shè)具有發(fā)電、改善水環(huán)境、美化城市、促進(jìn)旅游等綜合效益的水利工程提供參考。
關(guān)鍵詞：水利樞紐溢流閘活動(dòng)壩翻板閘門
1工程基本情況
邵武市東關(guān)水利樞紐工程是一座集改善環(huán)境、蓄水發(fā)電、旅游開(kāi)發(fā)為一體的綜合利用水利工程，工程采用分期導(dǎo)流、分期施工方式；工程于1999年9月28日開(kāi)工，一期工程于2000年6月28日完成，二期工程于2004年10月10日完工；工程投入運(yùn)行以來(lái)已產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。
東關(guān)水利樞紐工程位于邵武市東關(guān)大橋下游180m處的富屯溪干流上。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(kù)正常蓄水位189.5m，校核洪水位193.41m，總庫(kù)容935萬(wàn)m3；電站裝機(jī)容量4.8MW，保證出力900kW，年利用4217h，多年平均發(fā)電量2024萬(wàn)kWh。電站接入福建省電網(wǎng)，主要向邵武地區(qū)供電，電站建成后進(jìn)一步促進(jìn)了地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展。工程為低水頭徑流式水電站，樞紐主要由活動(dòng)壩、河床式廠房、升壓站等組成。
樞紐工程位于城區(qū)，為降低邵武城關(guān)的防洪壓力，經(jīng)分析比較和論證，采用活動(dòng)壩為本工程的泄洪建筑物。活動(dòng)壩是采用一定開(kāi)度的翻板閘門作為主要擋水結(jié)構(gòu)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(shí)通過(guò)閘門不同開(kāi)度的控制來(lái)調(diào)節(jié)下泄流量，或保持上游庫(kù)水位在正常蓄水位189.50m；洪水時(shí)翻板閘門全部開(kāi)啟，近于消失（當(dāng)洪水大于設(shè)計(jì)洪水時(shí)活動(dòng)壩處于水下），保持了天然河道的過(guò)水?dāng)嗝�，使樞紐具有足夠的泄洪能力（壩址處20年一遇洪水位較天然狀態(tài)僅壅高0.23m），較有效的解決了城區(qū)樞紐工程擋水與防洪的矛盾。
工程的建成，美化了邵武市區(qū)，正常蓄水位189.5m時(shí)，相應(yīng)水庫(kù)面積1.2km2，枯水期回水長(zhǎng)度5.4km，市區(qū)河床裸露景象不復(fù)存在，形成一個(gè)寬闊優(yōu)美的人工湖。
2樞紐布置
根據(jù)東關(guān)水利樞紐工程所處地形、地質(zhì)、水流條件，施工條件以及運(yùn)行管理等因素，發(fā)電廠房布置在河床左岸，河床中部及右岸布置溢流閘（翻板門活動(dòng)壩），左、右岸采用混凝土擋墻與岸坡連接，壩頂全長(zhǎng)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(zhǎng)238.9m，分8孔，每孔凈寬25.0m，閘墩內(nèi)設(shè)兩個(gè)沖淤積導(dǎo)水孔；為使溢流堰不影響行洪，堰頂高程比下游河床略低，采用寬頂堰，高程確定為184.50m；下游消能采用跌流及底流消能，壩頂不設(shè)交通橋。
溢流閘采用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?jiǎn)㈤]機(jī)操作。工作門上游采用浮式閘門作為檢修設(shè)施。活動(dòng)壩閘墩內(nèi)導(dǎo)水孔閘門尺寸為1.2×1.2m，采用手電二用閘閥進(jìn)行動(dòng)水啟閉，導(dǎo)水孔進(jìn)口設(shè)攔污柵和檢修閘門。翻板閘門在門頂過(guò)流時(shí)，門頂后側(cè)掛有一道水簾，為使閘門與水簾之間的空間能夠補(bǔ)氣和排氣，在閘門上設(shè)有破水器，在閘墩邊墻設(shè)有通氣孔。
主廠房總長(zhǎng)46.0m，總寬度32.9m，主機(jī)段長(zhǎng)33.5m，裝配場(chǎng)段長(zhǎng)12.5m。廠房?jī)?nèi)安裝3臺(tái)豎井貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量1.6MW，機(jī)組間距11.0m。進(jìn)水口布置攔污柵、事故檢修閘門及進(jìn)人孔，每臺(tái)機(jī)組設(shè)2個(gè)進(jìn)水口，其中攔污柵一道，事故閘門兩扇，進(jìn)水口平臺(tái)高程190.0m，布置了起吊攔污柵和事故檢修閘門的電動(dòng)葫蘆門型構(gòu)架。
3工程主要技術(shù)及特點(diǎn)
3.1活動(dòng)壩
3.1.1壩體構(gòu)造
�。�1）壩頂高程：由于活動(dòng)壩壩頂可以過(guò)水和壩頂無(wú)交通橋布置要求，考慮在設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)下技術(shù)廊道內(nèi)不進(jìn)水，并減少行洪影響，壩頂高程以設(shè)計(jì)洪水位191.71m加一定超高確定，最終為191.80m。
（2）壩內(nèi)技術(shù)廊道：為解決技術(shù)廊道液壓?jiǎn)㈤]機(jī)油管布置、左右岸交通、檢修、通風(fēng)、排水等，在活動(dòng)壩底設(shè)技術(shù)廊道。技術(shù)廊道尺寸為2.0×2.7m（寬×高），位于中心樁號(hào)為壩下0+014.2m，底部高程181.0m，其下游側(cè)布置排水溝，集水井尺寸3.0×2.0m×1.95m（長(zhǎng)×寬×深）。水泵和通風(fēng)機(jī)室設(shè)在右岸，翻板閘門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的泵站設(shè)在左邊墩194.6m高程的平臺(tái)上。
�。�3）沖砂孔：由于溢流堰堰頂及閘門支鉸高程較低，堰后較易淤積，為便于翻板閘門開(kāi)啟，在每個(gè)活動(dòng)壩閘墩均設(shè)有沖砂孔（孔口尺寸1.2×1.2m），取壓力水通過(guò)沖砂孔將堰后底坎沉積淤積物沖掉。
（4）壩體分縫止水：考慮活動(dòng)壩壩體高度及底板厚度不大，基礎(chǔ)約束較弱，為降低閘門設(shè)計(jì)、制造安裝難度，降低止水要求和工程造價(jià)，借鑒有關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，在溢流閘八孔中部設(shè)一道伸縮縫，解決基礎(chǔ)不均勻沉降問(wèn)題。廠壩間、右邊墩與集水井之間結(jié)構(gòu)縫、壩體伸縮縫各設(shè)一道止水銅片和一道橡膠止水帶。
3.1.2壩體斷面設(shè)計(jì)
�。�1）壩體基本斷面：溢流閘活動(dòng)壩壩體斷面除滿足穩(wěn)定與應(yīng)力要求外，主要受金屬結(jié)構(gòu)布置控制。溢流閘共8孔，每孔凈寬25m，閘室底板長(zhǎng)26.5m，上下游側(cè)設(shè)防滲齒墻，左邊墩因啟閉機(jī)布置要求寬度為5.0m，中墩和右邊墩均為4.0m。
�。�2）溢流閘孔口確定：考慮本工程處于城區(qū)，洪峰流量大，庫(kù)區(qū)洪水位雍高受限的特點(diǎn)，根據(jù)洪水流量，河床地質(zhì)條件選定具有泄洪能力大的混凝土溢流閘（活動(dòng)壩、翻板閘門）為泄洪建筑物，洪水全部由溢流閘渲泄。由于本工程處于邵武市區(qū)，上游淹沒(méi)和市區(qū)防洪是確定閘孔總凈寬的主要影響因素，計(jì)算閘孔總凈寬時(shí)，上游淹沒(méi)要小，上、下游水位差一般在0.1～0.3m，同時(shí)兼顧允許過(guò)閘單寬流量、水工建筑物布置和工程造價(jià)。通過(guò)7種孔口方案的比較，最終選定大孔口方案，布置8孔溢流閘，每孔凈寬25m，堰頂高程184.5m（低于原河床高程），在下泄20年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)，上下游水位差為0.23m。
�。�3）壩后消能防沖：由于翻板閘門的運(yùn)行特點(diǎn)，活動(dòng)壩泄洪時(shí)，下游流態(tài)變化形式與一般閘門不同，且更為復(fù)雜；參照國(guó)內(nèi)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，按翻板閘門不同開(kāi)度，下游流態(tài)由按跌流與底流相互演變進(jìn)行消能設(shè)計(jì)，消力池長(zhǎng)15.4m，底板高程180.68m；在跌流不同開(kāi)度工況下，計(jì)算沖坑深度均小于消力池水深，不會(huì)影響溢流壩安全。閘門泄水運(yùn)行中采取合理的調(diào)度方式，保證在任何情況下水跌發(fā)生在消力池內(nèi)。
3.1.3閘墩拉錨筋
活動(dòng)壩中水荷載通過(guò)翻板閘門傳至閘墩上，受力點(diǎn)為油缸支座、鎖定梁處，而閘門檢修時(shí)需固定浮動(dòng)門，此時(shí)荷載主要受力點(diǎn)為閘墩上游兩側(cè)面的浮動(dòng)門吊耳，這些部位由于承受荷載較大，在閘門全開(kāi)時(shí)，油缸支座拉力達(dá)2130kN，因此上述閘墩局部受拉區(qū)須配置扇形受拉鋼筋（拉錨鋼筋）。
3.1.4閘墩側(cè)面翻板門扇形運(yùn)行區(qū)處理
翻板門底鉸在底坎上，閘門從關(guān)閉至臥倒全開(kāi)的運(yùn)行軌跡在閘墩側(cè)面形成一扇形區(qū)。為了使閘門在不同開(kāi)度情況下均能正常工作，并保證閘門兩側(cè)水封能緊密與閘墩表面接觸，以達(dá)到止水效果，此扇形區(qū)進(jìn)行一定處理；扇形區(qū)閘墩表面要求光滑垂直，表面磨光，噴涂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(chǔ)處理及防滲型式
東關(guān)水利樞紐壩高較低、水頭較小，建基面基巖為強(qiáng)風(fēng)化頂板，壩基穩(wěn)定與應(yīng)力小滿足規(guī)范要求，壩基設(shè)置上下游齒墻后，壩基抗?jié)B也滿足要求，壩基不進(jìn)行固結(jié)、帷幕灌漿處理，僅在上下游壩腳處拋填大塊石保護(hù)，防止水流沖刷和掏空。
右壩頭采用連續(xù)防滲墻防滲，墻頂高程193.47m，延伸長(zhǎng)度9.51m；同時(shí)在右壩頭開(kāi)挖后，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(jìn)一步防止繞壩滲流危及下游防洪堤基礎(chǔ)，在東關(guān)大橋至壩址段布置防滲孔，加強(qiáng)防滲處理措施。
3.2活動(dòng)壩段金屬結(jié)構(gòu)
（1）擋水閘門及啟閉
擋水閘門布置：活動(dòng)壩擋水閘門為翻板平面鋼閘門，采用向下游傾斜55°角布置方式，為使正常蓄水位時(shí)，閘門操作設(shè)備不浸水，其操作用的2支液壓缸中心線成水平布置在高程190.0m孔口兩側(cè)閘墩上，閘門寬度方向兩端上游側(cè)設(shè)置了兩個(gè)垂直于面板的三角形支臂，閘門即通過(guò)該支臂與液壓缸相連接。液壓?jiǎn)㈤]機(jī)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(shè)機(jī)械鎖定裝置，該鎖定裝置的爪式鎖定塊通過(guò)在閘門三角形支臂上端的一個(gè)鎖定擋頭對(duì)閘門進(jìn)行鎖定�；顒�(dòng)壩上游采用浮式閘門作為檢修設(shè)施，其支承跨度25.75m。
翻板閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：閘門孔口凈寬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(diǎn)。為保證閘門整體變形小，運(yùn)行安全可靠，設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮底部支承和閘門啟閉時(shí)兩吊點(diǎn)啟閉力差異等情況。每孔閘門底部采用多鉸支承布置，共設(shè)5個(gè)圓柱鉸；對(duì)閘門進(jìn)行抗扭計(jì)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(kāi)啟依靠水壓力和閘門重產(chǎn)生的傾倒力矩，此時(shí)液壓缸只用于持住閘門，泵站的輸出壓力僅用于開(kāi)啟液壓鎖定閥，閘門的開(kāi)啟速度采用調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的調(diào)速閥來(lái)控制。閘門關(guān)閉采用啟動(dòng)液壓泵站，通過(guò)液壓缸提起閘門，關(guān)閉孔口，一般情況下分兩批交替關(guān)門。
液壓系統(tǒng)的布置：除液壓缸為露天布置外，液壓泵站和電氣設(shè)備均設(shè)在大壩1#閘墩194.6m高程的啟閉房?jī)?nèi)，油管從泵站經(jīng)豎井和活動(dòng)壩底板下的技術(shù)廊道通向各液壓油缸。
�。�2）導(dǎo)水孔閘門：每個(gè)活動(dòng)壩閘墩均設(shè)有沖淤積導(dǎo)水孔，導(dǎo)水孔的進(jìn)口處設(shè)置了一道固定式攔污柵，孔口尺寸為1.9×1.9m，設(shè)計(jì)水頭3m，攔污柵重量約0.4t。導(dǎo)水孔設(shè)一道檢修門，孔口尺寸為1.2×1.2m；導(dǎo)水孔工作閘門為手電兩用蝶閥，直徑Ф1.2m，開(kāi)啟壓力0.6MPa，重量約3.25t，該蝶閥可進(jìn)行動(dòng)水啟閉。一般情況下，在開(kāi)啟活動(dòng)壩翻板閘門時(shí)，均應(yīng)先開(kāi)啟導(dǎo)水孔閥門進(jìn)行沖淤，以利于翻板閘門的正常運(yùn)行。
3.3水輪發(fā)電機(jī)組
電站為低水頭徑流式水電站，水頭范圍為2.1～5.6m，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，此水頭段宜采用貫流式水輪機(jī)，通過(guò)燈泡貫流式、軸伸貫流式和豎井貫流式3種機(jī)型的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，最終選用利于樞紐布置、運(yùn)行檢修、經(jīng)濟(jì)合理的豎井貫流式機(jī)組，型號(hào)為GZSK114-WS-290。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑2.9m，額定水頭4.1m，額定轉(zhuǎn)速125rpm，額定出力1737kW，額定點(diǎn)效率87%；機(jī)組安裝高程181.3m，吸出高度-2.8m。
發(fā)電機(jī)與水輪機(jī)同軸，型號(hào)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(jié)語(yǔ)
邵武東關(guān)水利樞紐工程是福建省內(nèi)第一座采用翻板活動(dòng)壩進(jìn)行泄洪的工程，泄水閘采用低坎大孔口布置，具有底坎高程低（略低于下游河床），閘孔尺寸大（寬25m），泄洪能力強(qiáng)，泄洪時(shí)上下游水位差小的特點(diǎn)；工程較有效地解決了城區(qū)擋水與防洪的矛盾，為城區(qū)建設(shè)綜合利用的水利樞紐工程提供了可行的方案；庫(kù)區(qū)形成人工湖后，可進(jìn)一步改善邵武市區(qū)的水環(huán)境，構(gòu)筑城市的親水性，促進(jìn)水利旅游業(yè)的發(fā)展。
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