曹娥江綜合治理工程水閘的金屬結構設計

呂少蒙

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

在水利工程設計中，水閘的設計極其重要。水閘是一種水利工程的擋水建筑物，主要功能是攔洪、擋潮、泄洪、排澇、沖沙、取水和根據(jù)下游情況需要調(diào)節(jié)流量。在水閘選址設計時，需要多次到現(xiàn)場進行實地考察，結合主要建筑物的布置進行多方案的比選，選擇適合水文地質(zhì)條件的、安全可靠的方案。而水閘閘門型式也是多種多樣的，在設計時要仔細思考，應有效控制水閘設計施工的質(zhì)量技術，確保水利工程安全運行。

1 曹娥江水利工程簡介

曹娥江綜合治理工程為浙江省紹興市“五水共治”項目下的重要工程，以水利、旅游、景觀、濱水文化為一體的綜合整治工程。水利工程為曹娥江綜合治理工程的龍頭項目，工作范圍包括修建兩道排洪擋潮閘，其中1座為新建水閘，另外1座為舊閘拆除重建。水閘一側為外江，另外一側為內(nèi)江。水閘的主要功能用于維持內(nèi)江常水位2.8 m，當內(nèi)江水位高于2.8 m并高于曹娥江水位時，開啟排洪閘工作閘門泄洪，開啟高度根據(jù)泄洪量確定。閘門還能起到引水作用，當內(nèi)江水位過低需要生態(tài)流量時，引曹娥江水入內(nèi)江。在汛期，當內(nèi)江水位低于曹娥江水位時，需關閉閘門擋潮，防止潮水倒灌；在必要時，還可以根據(jù)河道需要開啟閘門納潮。因此，閘門的設計需要考慮雙向水流的作用。

2 水閘設計

2.1 總體布置

水閘的總體布置需要滿足水利工程中的基礎要求，同時因為工程中的多種因素條件不同，需要進行合理布局，抓住關鍵點，優(yōu)選經(jīng)濟合理的方案。

本工程水閘樞紐建筑物垂直于現(xiàn)狀長堤，總長88 m，兩側泄流部分寬各9 m，中間過水部分寬9.9 m，設置2個寬4.5 m的閘孔，每個閘孔設置1扇工作閘門及2扇檢修閘門。由于本工程存在舊閘改造，新閘為了方便施工，考慮與舊水閘采用同一方案，閘頂高程比現(xiàn)狀堤頂高程9.57 m略高，閘頂設計高程為9.6 m。外江曹娥江側擋水水位為百年一遇洪水位7.35 m，最終選定工作閘門方案為潛孔式閘門，孔口尺寸為4.5 m×4.6 m(寬×高)。同時，在工作閘門前后設置檢修門槽(見圖1)。水閘上方建筑物比較集中，施工和管理上都能比較方便。

2.2 金屬結構設計

(1)閘門的設計工況

工作閘門的主要作用為調(diào)節(jié)內(nèi)河洪水水位及阻擋外江側潮水位。為了滿足泄洪和引水需要，閘門可以在動水條件下啟閉操作；同時閘門的啟閉操作必須依據(jù)潮汛、潮位預報系統(tǒng)和全流域的水文、水情預報系統(tǒng)所提供的實時水情信息進行。

工作閘門兩側擋水和啟閉工況組合如下：

①內(nèi)江側→外江側壓力方向最不利水位組合：內(nèi)江20年一遇設計洪水位4.13 m，外江最低水位3.0 m，閘門操作水位差1.13 m。

②外江側→內(nèi)江側壓力方向最不利水位組合：內(nèi)江側水位2.8 m，外江側水位取100年一遇高潮位7.35 m，設計擋水水位差4.55 m。

圖1閘門及啟閉機布置

根據(jù)水位工況分析得出當遇到暴雨發(fā)洪水時，內(nèi)江水位升高，同時外江側水位低于內(nèi)河水位時，需打開閘門放水；當外江最高引水水位超過3.9 m，或內(nèi)江水位低于2.8 m，水閘閘門動水開啟引水入內(nèi)江。為保證內(nèi)河水位，正常情況下，泄水閘閘門處于關閉狀態(tài)，需要泄洪時才開啟閘門泄洪。當泄洪或者引水完畢兩側水位高度大致相同時，閘門在動水中關閉，防止?jié)q潮時海水倒灌。

因此，工作閘門根據(jù)動水開啟設計，單側最大總水壓力為216.5 kN。閘門控制有現(xiàn)場手動控制及遠方自動控制兩種方式，設置有現(xiàn)場控制箱及遠方監(jiān)控中心。

(2)水閘閘底檻高程的確定

水閘的閘孔凈寬及底檻高程的確定主要應滿足水閘行洪、與周圍已有建筑物的匹配、景觀協(xié)調(diào)及內(nèi)河淤積的要求，水閘閘底檻高程確定為-0.4 m。

(3)閘門及啟閉機設計

工作閘門采用平面鋼閘門，由面板、主橫梁、水平次梁、縱向次梁、邊柱、吊耳以及支承滑塊、止水等組成，總重量約為9 t。閘門面板布置在外江側，以減少涌浪及泥沙淤積對閘門的影響。啟閉機容量選擇時考慮一定淤積對啟閉力的影響，初步采用250 kN卷揚式啟閉機操作。

工作閘門內(nèi)江側和外江側各設置1道檢修門槽，兩孔共用1套內(nèi)、外側檢修閘門，采用2×100 kN移動式雙聯(lián)電動葫蘆進行操作，水閘上方建筑物內(nèi)設有電動葫蘆軌道。檢修閘門平時停放在孔口上方啟閉機房內(nèi)。

本工程金屬結構設備使用環(huán)境較復雜，處于淡水、海水及海洋大氣中。因此，所采用的防腐方案十分重要，應能滿足使用環(huán)境，并盡量延長閘門及埋件的檢修周期。本工程初擬防腐方案為厚漿型環(huán)氧玻璃鱗片涂料。在下階段設計中，對防腐方案還將作進一步的研究，進行細化、完善和優(yōu)化。

3 相關事項淺析

在本工程設計過程中曾考慮將頂水封、側水封均設置雙P型水封，通過水封預壓縮量滿足雙向擋水要求，經(jīng)計算閘門此布置水封摩阻力較大。后根據(jù)水位組合分析，內(nèi)河設計水位低于胸墻底高程，因此內(nèi)河/外江方向不需要設置頂水封，最后選擇了普通的P型水封在外江側(擋內(nèi)河水)，底止水布置在外江側，側止水、頂止水布置在內(nèi)河測(擋外江水)。

工程設計中最初考慮檢修閘門使用臨時起吊設

備，在水閘左右兩岸各建1個平臺停放臨時起吊設備；后因考慮檢修的方便性和閘頂建筑的整體美觀性，采用了永久設備(電動葫蘆)作為檢修閘門起吊設備。

4 結 語

在曹娥江水利工程金屬結構設計過程中，因為整體水利環(huán)境、水體質(zhì)量和水位工況的特殊性，有關水閘閘門的選型、止水的選型、涂料的選擇、啟閉機的選型都跟傳統(tǒng)水電站閘門設計不同。因此，需要對水利工程的一些基礎特點進行研究，從而保證水閘金屬結構設計合理，滿足整體工程質(zhì)量要求，確保水利工程能安全穩(wěn)定的運行。