凌源市虎頭石攔河閘除險加固設(shè)計

田　凱，修德祿，史曉東，馬王禹澤

（1．營口市水利勘測建筑設(shè)計院，遼寧營口115000；2．中水東北勘測設(shè)計研究有限責任公司，吉林長春130021）

凌源市虎頭石攔河閘除險加固設(shè)計

田凱1，修德祿1，史曉東2，馬王禹澤2

（1．營口市水利勘測建筑設(shè)計院，遼寧營口115000；2．中水東北勘測設(shè)計研究有限責任公司，吉林長春130021）

為了確保凌源市虎頭石攔河閘的安全穩(wěn)定運行，經(jīng)過安全鑒定需要對其進行除險加固設(shè)計。加固后的虎頭石攔河閘由水力自動翻板閘、沖砂閘和引水閘等建筑物組成，針對攔河閘淤泥問題加固設(shè)計增設(shè)了水力自動翻板閘輔助沖砂系統(tǒng)，可以有效地解決攔河閘上下游河道淤積問題，處理好排砂和引水的矛盾。該設(shè)計具有一定創(chuàng)新性，對同類攔河閘工程具有相當借鑒意義。

除險加固；水力自動翻板閘；輔助沖砂系統(tǒng)；虎頭石攔河閘

1　工程概況

虎頭石攔河閘位于凌源市叨爾登鎮(zhèn)虎頭石村，攔河閘位于青龍河流域干流上，該工程始建于1993年，并于當年交付使用，在2000年進行了除險加固，該攔河閘主要功能為灌溉和引水發(fā)電?，F(xiàn)狀工程由3孔引水閘、1孔沖砂閘和23孔水力自動翻板閘組成。水力自動翻板閘單孔凈寬為7m，總長為162.32m；發(fā)電廠房位于攔河閘下游約2.5km處，電站進口與廠房由暗渠連接，電站總裝機容量1600kW，多年平均發(fā)電量593萬kW·h；工程灌溉面積為12hm2。

虎頭石攔河閘位于凌源市叨爾登鎮(zhèn)虎頭石村，青龍河流域干流，屬東亞季風氣候，多年平均降水量為461.3mm，多年平均氣溫為8.3℃，極端最高氣溫為43.3℃，極端最低氣溫-29.5℃。多年平均風速2.5m/s，歷年最大凍土深139 cm。閘址多年平均懸移質(zhì)輸沙量為364×104t，多年平均推移輸沙量為72.8×104t，閘址多年平均來沙量為437×104t。

虎頭石攔河閘建在青龍河上游河段，屬遼西中低山區(qū)，山頂呈長梁狀，巖石裸露，植被不發(fā)育。河谷寬闊，河床較窄，河流蜿蜒曲折。兩岸為一級階，一級階地較發(fā)育，階地較平坦，高出河床1～3m，河床寬150～180m，階地后緣為中低山地形。地層巖性覆蓋層為第四系全新統(tǒng)沖洪積層粉土、砂、圓礫等，閘址區(qū)基巖為燕山早期二長花崗巖。工程區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度，地震動峰值加速度為0.10g。地質(zhì)構(gòu)造受區(qū)域性斷裂控制，鉆孔巖芯未見構(gòu)造跡象。現(xiàn)狀攔河閘為毛石混凝土基礎(chǔ)，厚6.0～9.0m，建基在強風化二長花崗巖上，強度均可滿足要求。閘基基本無滲漏及穩(wěn)定等工程地質(zhì)問題。

2　建設(shè)的必要性

工程經(jīng)過多年的運行，由于觀測及維修資金未及時到位，工程主體出現(xiàn)不同程度的破損，目前已經(jīng)嚴重影響了攔河閘的正常使用功能。2009年4月凌源市水利局組織對該水閘進行安全鑒定工作，發(fā)現(xiàn)工程存在的主要問題如下：

1）水力自動翻板閘上、下游河道淤積嚴重，其中左側(cè)10扇水力自動翻板閘底板高程低，其上游淤積情況相對較輕，但中部6扇和右側(cè)7扇水力自動翻板閘上游淤積較為較重。由于水力自動翻板閘下游無消能設(shè)施，下游河道淤積嚴重，現(xiàn)階段下游河段部分河道已被淤泥覆蓋，其中左10孔水力自動翻板閘底板下游30～50m范圍內(nèi)河床下切，形成沖坑，沖坑下游產(chǎn)生淤積，最大淤土高度近乎與水力自動翻板閘頂齊平，中部6扇和右側(cè)7扇水力自動翻板閘下游淤積尤為嚴重，淤積土體已發(fā)展至閘后。

2）水力自動翻板閘底板、支墩、翼墻等構(gòu)造物破損嚴重，無法正常運用；水力自動翻板閘閘門板破裂；直臂、支座銹蝕嚴重，不能翻轉(zhuǎn)；面板間接縫處及面板底部止水不嚴，現(xiàn)有多處發(fā)生嚴重滲漏；面板接縫砂漿抹縫局部脫落，面板接縫處現(xiàn)已出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。

3）沖砂閘和引水閘底板均被沖淘的卵石掩埋，導(dǎo)致閘門底部止水不嚴。沖砂閘及引水閘均采用平板鋼閘門擋水。面板梁系構(gòu)體防護涂層基本完整，局部出現(xiàn)銹蝕起皮。橡膠止水老化，龜裂、局部變形，損壞。閘門槽埋件銹蝕嚴重。

經(jīng)過鑒定，目前虎頭石攔河閘過流能力、閘室滲透穩(wěn)定、下游消能防沖以及主體建筑物強度和耐久性均不能滿足要求，鑒定虎頭石攔河閘安全類別評定為三類閘。目前攔河閘存在嚴重安全問題，對其周邊及下游地區(qū)的防洪也存在較大的安全隱患，因此亟需對攔河閘進行除險加固設(shè)計。

3　攔河閘加固設(shè)計

依據(jù)虎頭石攔河閘安全鑒定的結(jié)論，對虎頭石攔河閘工程進行除險加固設(shè)計，加固后的攔河閘需在滿足規(guī)范要求的泄洪能力的前提下，解決好攔河閘上、下游河道淤積問題，盡量處理好排砂和引水的矛盾，使其提升原設(shè)計的使用功能，讓其穩(wěn)定長久的發(fā)揮效益?；㈩^石攔河閘加固設(shè)計將原水力自動翻板閘閘門拆除，更換為新型水力自動翻板閘，并增設(shè)水力自動翻板閘輔助沖砂系統(tǒng)，閘室底板拆除1～2m，底板以下毛石混凝土基礎(chǔ)保留，新增下游消力池及海漫；沖砂閘底板拆除1.0m，底板以下毛石混凝土基礎(chǔ)保留，上部結(jié)構(gòu)全部拆除重建，新增下游消力池及海漫；引水閘底板拆除1.0m，上部結(jié)構(gòu)全部拆除重建。

鑒于虎頭石攔河閘工程下游居民及耕地稀少，防護對象的重要性為一般，經(jīng)綜合分析確定該工程等別為Ⅱ等，工程規(guī)模為大（2）型，主要建筑物級別為3級，次要建筑物為4級。

3.1水力自動翻板閘

加固后攔河閘主體仍為水力自動翻板閘，軸線長162.60m，共布置20孔水力自動翻板閘，單孔凈寬8.0m，閘高2.5m。閘室前設(shè)置3.0m長塊石護腳。閘室順水流方向長10.0m，閘底板高程為287.61m，堰高0.31m，底板厚1.7m，中墩厚1.0m，上下游墩頭為半圓弧形。在攔河閘下游布置工作橋，橋?qū)?.6m。示意圖見圖1。

由于該地區(qū)水土流失嚴重，加之閘門擋水攔蓄，閘前水位增高，流速降低，極易在閘前形成泥砂淤積，連續(xù)幾個枯水年之后，閘前容易造成泥砂淤積較多而造成翻板閘轉(zhuǎn)動不靈，洪水期不能翻轉(zhuǎn)影響行洪，因此工程設(shè)計中針對攔河閘泥砂淤積問題增加了水力自動翻板閘輔助沖砂系統(tǒng)。原攔河閘當閘前淤積一定厚度的泥砂之后，泥砂壓力的重心低于轉(zhuǎn)軸，形成被動力矩，而使水壓力主動力矩小于自重被動力矩與泥砂被動力矩之和，閘門便翻轉(zhuǎn)失靈。為解決上述問題，在閘門肋板頂端施加拉力，形成主動力矩，克服泥砂壓力形成的被動力矩，便可使翻板板門重新翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)后閘門泄水帶走泥砂，翻板閘運行恢復(fù)正常。

該工程自動閘門寬8.0m，閘門設(shè)兩道豎向混凝土肋板，肋板間距4.4m，為閘門面板的支撐梁。輔助拉力施加在肋板的頂端，采用鋼絲纜繩順河道方向拉動。由于閘門翻轉(zhuǎn)后過流，下游側(cè)直接操作易受水流沖刷，工作條件危險，因此閘下游增設(shè)滑輪組，利用滑輪組改變拉力方向，使拉力垂直河道而更易于在岸邊操作。下游增設(shè)工作橋，便于工作人員進行鋼絲纜繩連接與松綁、檢修、維護，輔助沖砂系統(tǒng)如圖一所示。左岸沖砂閘閘墩頂平臺布置一臺6t的卷揚啟閉機，進行拉動閘門與放松閘門。

輔助沖砂系統(tǒng)的工作拉力計算，翻板閘閘門高2.5m，為計算閘門輔助拉力，可先假定泥砂淤積厚度為0.5m進行分析，確定合適的閘門拉力。計算時假定閘門拉動沖砂時的水位為河道正常蓄水位，如果洪水期拉動閘門，則所需的拉力更小。根據(jù)力矩平衡原則計算，主動力矩與被動力矩和為零時，閘門開始轉(zhuǎn)動。當閘前淤積高度為0.5m時，單根鋼絲纜繩的拉力為2.64t。此次設(shè)計選用滑輪組的規(guī)格為5t，卷揚啟閉機6t。在實際運行過程中，應(yīng)密切觀察閘前淤積情況，及時開閘沖砂，確保閘前淤積高度不大于0.5m。正常蓄水位情況下，0.5m深泥砂，輔助沖砂系統(tǒng)的工作拉力計算結(jié)果：水影響，水深2.50m，閘前水壓力25.00t，力臂0.39，水翻動力矩9.75t·m；泥砂水平分力影響，泥砂淤積深0.5m，閘前泥砂壓力0.159t，力臂-0.28，水翻動力矩-0.04t·m；泥砂垂直沿斜面壓力影響，閘前泥砂壓力0.6t，力臂-1.49，水翻動力矩-0.89t·m；閘門阻力矩-19.25t·m；卷揚拉力，單根鋼絲纜繩拉力2.64t，卷揚力矩10.4t·m，合力矩為0.0。

圖1　水力自動翻板閘示意圖

通過過流能力計算，當水力自動翻板閘全部開啟，遭遇20年一遇洪水時，上游水位293.32m，相應(yīng)下泄洪峰流量3417m3/s，設(shè)計流量為3410m3/s。當遭遇50年一遇校核洪水時，右岸灘地過流，上游水位295.84m，相應(yīng)下泄洪峰流量6089m3/s，校核流量為6080m3/s，水力自動翻板閘過流能力滿足要求。

通過消能防沖計算，在水力自動翻板閘下游設(shè)置長20.26m、深1.0m、底板厚1.0m的消力池，以及長33.0 m、厚0.5m的格賓石籠海漫，用以控制閘后水流，改善水流條件。

3.2沖砂閘

加固后的沖砂閘閘孔尺寸與原閘相同，為3.0m×3.8沖砂閘下游采用底流消能，經(jīng)消能防沖計算，消力池長18.26m，底板厚1.0m，底板頂高程285.92m；格賓石籠海漫長33.0m，厚0.5m，頂高程286.92m。

m（寬×高），閘墩厚0.80m，閘室前設(shè)置3.0m長塊石護腳。閘室順水流方向長10.0m，閘底板高程286.92m，底板厚1.0m，上、下游墩頭為半圓弧形。在296.94m高程布置管理房及檢修平臺，平臺寬4.5m。在檢修平臺上布置混凝土排架，排架頂部301.44m高程布置工作平臺。

3.3引水閘

加固后的引水閘閘孔尺寸與原閘相同，共布置3孔，單孔尺寸為2.5m×2.8m（寬×高）。閘室前設(shè)置3.0m長塊石護腳。閘室順水流方向長10.0m，閘底板高程287.92m，底板厚1.0m，邊墩厚0.8m，中墩厚0.8m，上下游墩頭半圓弧形。在296.94m高程布置管理房及檢修平臺，平臺寬4.5m。在檢修平臺上布置混凝土排架，排架頂部300.44m高程布置工作平臺。引水閘閘前設(shè)置攔污柵。

在引水閘下游設(shè)置混凝土連接段與下游原輸水涵洞相接。接段總長10.75m，寬度由10.7m漸變至8.2m，過水斷面由9.5m漸變至4.6m。

沖砂閘和引水閘均采用手電兩用螺桿式啟閉機操縱閘門。

4　結(jié)　語

除險加固后的虎頭石攔河閘由水力自動翻板閘、沖砂閘和引水閘等建筑物組成，同時在水力自動翻板閘中增設(shè)輔助沖砂系統(tǒng)，可以有效解決攔河閘上、下游河道淤積問題，處理好排砂和引水的矛盾；同時經(jīng)過消能防沖設(shè)計，在攔河閘下游設(shè)置消力池和海漫，用以控制閘后水流，改善水流條件，以上設(shè)計能大大提升攔河閘的使用功能，穩(wěn)定長久的發(fā)揮攔河閘效益。本文對凌源市虎頭石攔河閘除險加固設(shè)計除滿足灌溉和發(fā)電的主要功能外，兼具了解決閘址上下游淤積問題，該工程的建設(shè)將對同類攔河閘工程具有相當借鑒意義。

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