退水閘功能變更安全影響分析

李嶠

摘要：退水閘功能為總干渠事故、檢修時退水，當利用退水閘向鄰近河道進行生態補水時，其功能和運行工況發生了變化。本文以QL退水閘為例，就其功能變更對工程安全和供水安全進行影響分析，對類似工程具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：退水閘? 生態補水? 小開度? 空蝕? 閘門振動

某大型引調水工程沿總干渠設有退水閘，其原功能為總干渠事故、檢修時退水。為了充分發揮工程效益，適應沿線地方用水需求的變化，擬利用退水閘向鄰近河道生態補水，以改善沿線用水區的居民生活用水條件、補充地下水源，增加用水儲備。

退水閘原功能為總干渠事故、檢修時退水，其設計工況為閘門全開或全關，對閘門控制精度要求很低，同時退水閘長期小開度運行，可能存在高速水流引起空蝕、閘門振動等問題，存在一定的安全風險。為保障工程安全和供水安全，須對變更功能的退水閘進行安全影響分析。下面以總干渠QL退水閘為例進行分析。

1.工程概況

QL退水閘設計退水流量115m3/s，由進口連接段、閘室、消力池、退水渠等組成，全長683m。

退水閘共1孔，閘室長15m，孔寬5.5m，底板高程為79.387m，閘頂高程86.737m。閘室為開敞式鋼筋混凝土整體結構，閘室上下游均布置圓弧翼墻。

閘下消力池長30m，深1.6m，采用矩形槽鋼筋混凝土整體結構，由斜坡段和水平段組成。斜坡段水平投影長8m，底寬5.5m～7.5m，縱坡1：5，底板高程79.387m～77.787m;水平段長22m，底寬7.5m，底板高程為77.787m。

退水明渠為梯形斷面，底寬7.5m，邊坡1：2.5，縱坡i=0～1/1000，采用漿砌石襯砌。

退水閘設置工作閘門和檢修閘門各1扇。工作閘門為露頂平面鋼閘門，設計水頭6.324m，動水啟閉，啟閉設備為雙吊點固定卷揚式啟閉機。檢修閘門布置在工作閘門的上游，閘門結構同工作閘門，操作方式為動水閉靜水啟。

2.水工結構安全影響分析

2.1門槽處空蝕計算

QL退水閘為平底板閘，閘門小開度運行時，閘門槽前參考斷面平均流速較大，易發生空蝕。根據《溢洪道設計規范》SL253-2018計算閘門不同開度的水流空化數及初生空化數，初生空化數按閘門槽尺寸計算并內插得。

式中：σ—水流空化數;

ha—建筑物所在地區的大氣壓力水柱（m）;

v0—來流參考斷面平均流速（m/s）;

h0—來流參考斷面時均壓力水頭（m）;

hv—水的氣化壓力水柱（m），取25度水溫對應的壓力水柱0.32m;

?—當地海拔高度（m），取80m。

退水閘小開度運行過閘流量采用《水工設計手冊》中的平板閘門閘孔出流流量公式計算：

式中：Q—過閘流量（m3/s）;

σ—淹沒系數;

μ—閘孔自由出流流量系數，按南京水利科學研究所的經驗公式：

b—閘孔寬度（m）;

e—閘孔開度（m）;

H0—總水頭（m）。

閘前總水頭6.324m，孔口寬5.5m，閘門槽空蝕計算結果見表1。

通過計算可知，總干渠加大水位下，退水閘閘門在0.05m～2.00m小開度運行時，閘門槽前參考斷面水流空化數為4.41～6.37，閘門槽處的初生空化數為0.709，最小水流空化數大于初生空化數，因此，閘門槽處不產生空化水流，不會產生空蝕。

2.2閘門小開度運行消能防沖驗算

消力池深度及長度《水閘設計規范》SL265-2016附錄推薦公式進行計算。閘前總水頭6.324m，孔口寬5.5m，閘門小開度運行時閘下消力池消能計算結果見表2。

通過計算可知，總干渠加大水位下，退水閘閘門在0.05m～2.00m小開度運行時，閘下消力池計算深度1.46m，水平段計算長度18.67m，現狀閘下消力池深1.6m，水平段長22m，實際工程消力池深度及長度均大于計算所需數值。因此，在上述各小開度運行時，消力池能夠滿足要求。

3.金屬結構安全影響分析

退水閘工作閘門采用平面定輪鋼閘門及固定卷揚啟閉機操作。因退水閘僅增加局部開啟功能，沒有提高閘門的擋水高度，因此現有門體主要結構及零部件的強度、剛度及穩定性均滿足規范和工程運行的要求。

現有閘門對于滿足原退水工況是合適的，但如果閘門局部開啟時，本門型可能會出現振動現象。振動分為兩種，破壞性振動和一般性振動。對于本工程閘門，設計水頭均不大，閘門開度較小，閘門自重較大，經過分析認為不會出現破壞性振動，但一般性振動可能會出現。經過現場查勘和征詢運行單位意見，退水閘工作閘門小開度試運行進行生態補水期間，沒有出現振動現象。為了滿足生態供水時退水閘工作閘門各種運行工況，閘門不同開度也可能出現的振動問題，因此，建議在該閘門設置應力、變形和振動等在線監測裝置，對閘門進行原型試驗，檢驗在開度范圍是否存在振動現象，如有振動采取措施進行消除。

4.結語

經復核，從退水閘結構穩定、過流能力、閘門及啟閉設備等各方面綜合分析，現狀退水閘基本能夠滿足長期保持小開度供水的要求，但考慮工程運行中存在的安全隱患及對總干渠的最不利影響，調度過程中應注意以下幾點：

1）功能變更后，退水閘工作閘門擋水、退水條件及其操作運行要求與原設計方案一致。功能變更后，退水閘主要運行方式為局部開啟進行生態供水。但長期保持小開度過流，會加速啟閉設備零部件的老化，同時容易造成底止水橡皮及底側止水橡皮破壞;長時間的高速過流亦會對閘室底板結構產生破壞，存在一定的安全隱患，建議定期對退水閘進行檢查和維護，及時排除隱患，確保退水功能及退水安全。

2）退水閘開度過大會造成總干渠水位突降，造成襯砌破壞，所以允許閘門開度不宜超過引起總干渠水位突降限值的最大開度，同時密切觀察上游總干渠水位變化情況，一旦短時間內出現較大水位變動應立即采取處理措施，避免對總干渠造成破壞。

3）QL退水閘小開度試運行生態補水期間未發現閘門振動的情況，建議在今后的運行中加強觀測，當出現振動時，要及時調整開度，避免閘門長期處于振動區。

參考文獻

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[2] 吳持恭 . 水力學（第四版）[M] . 北京：高等教育出版社，2008

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[4] 中華人民共和國水利部 . SL265-2016 . 水閘設計規范 [S]