分层水力自动闸门在河道取水中的应用

摘要：为满足分洪无压洞在洪水期引水、枯水期关闭的需求，解决传统水力自控闸门无法实现分层取水、漂浮物易卡塞、防洪风险大、运行管理不便等问题，设计了一种分层水力自动闸门结构，概述了该闸门结构的运行方式，针对不同工况提出了优化措施，进一步探讨了该闸门结构在双层河道下层暗河进水口的应用，并在石马潭水库工程磐石引水隧洞进行实践，研究表明该结构具有全自动启闭、节约能源、保障防洪安全、改善景观、运行可靠、安装简便等优点，为河道节能取水闸结构的设计提供了思路和经验。

关键词：水力自动闸门； 双层河道； 无压隧洞； 引水渠

中图法分类号：TV664文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.S2.008

文章编号：1006-0081（2024）S2-0025-04

0引言

水网工程是完善水资源优化配置体系的重要手段，随着水网工程的建设，采用无压洞取水口引河道洪水至水库集中调蓄，既可减轻山区河道洪涝灾害，又可将洪水集中存储在一定库容的水库实现洪水资源化利用，无压洞要求在丰水期引水，考虑下游河道的生态因素，在枯水期不引水，因此需要设置取水闸门。

传统闸门需要人工开启、自动化程度低、能耗大，不适用于自动取水口，考虑采用水力自动闸门解决以上问题。水力自动闸门是利用水力和重力作用，在一定的水位条件下，闸门随流量变化实现自动启闭［1］，具有造价低廉、运行可靠、管理简单、节能等特点［2-3］。

目前，水力自动闸门的应用非常广泛，包括灌溉渠系、引水工程、景观工程等。水力自动闸门按照闸门的形式和构造可分为翻板闸门、弧形闸门、浮筒闸门、滚筒闸门等［4-5］。水力自动翻板闸门应用在小水电、蓄水工程、水景观工程中［6］，但不能满足分层取水的需求，同时存在漂浮物卡塞的风险，影响防洪安全。水力自动浮筒式闸门由一个锥形的浮筒闸体以及闸门孔板组成，闸门启闭是利用浮筒浮力大小的改变，使闸门沿铅直方向上升和下降，从而改变流量的大小［7］。这种闸门造价低、结构简单，适用于末级渠道［8］。随着水利事业的发展和治水思路的改变，在水利工程实施过程中越来越重视绿色水利，水力自动闸门仍然有着非常广泛的用途［9］。

以上闸门结构未彻底解决洪水期自动取水，枯水期自动关闭的问题，本文提出的浮筒式分层取水闸结构不仅满足以上要求，同时具有安装简便、运行可靠、节约能源、景观性好的优点。

1工程概况

浙江省东阳市石马潭水库工程由石马潭水库西库、石马潭水库东库和连通工程等组成，连通工程包括磐溪堰坝、东方红提水泵站、东潘引水隧洞、潘石引水隧洞、磐石引水隧洞、检修交通洞、施工支洞等。引水隧洞线路总长22.43 km，通过磐石引水隧洞将磐溪支流洪水引入石马潭水库西库，隧洞长6.18 km，城门洞型为无压隧洞，衬后断面为6.0 m×5.5 m（宽×高），设计过流能力30 m3/s。磐石引水隧洞进水口位于磐溪堰坝上游左岸约100 m处，取水口结构如图1所示。

2无压洞口取水闸设计

2.1特性分析

磐石引水无压洞洞口所在区域交通条件差，巡视及管理难度较大，对无压洞首部取水口的闸门自动化运行提出了较高的要求。而山区新建控制闸的配套电力线路修建成本高、难度大，故有必要寻求能在无压洞首部无需配电即可自动运行的取水口结构。考虑首部进水口丰水期引水的同时，原河道仍要下泄一定的生态流量（占原河道流量的30%～40%），在枯水期不引水。因此需要研究一种启闭节能、运行可靠、安装简单的无压洞首部自动引水结构。

2.2设计思路

通过对取水口特性进行分析，考虑无压洞首部取水口结构用于山区冲沟或支流小河道，需要在上游河道某一位置布置引水渠，当上游河道水位超过引水渠底高程时，引水渠引水至水槽，水槽内的浮筒随槽内水位升降，带动分层设置的闸门同步升降，进一步细化取水闸结构，设置分层的底板、胸墙与隔板间的孔口实现水位上升超过（降落低于）设定高程时，闸门可自动全开（关）的功能。

2.3取水闸结构设计

如图2所示，水力自动启闭闸门包括引水渠和控制闸。引水渠位于所述控制闸同侧岸坡，引水渠入口位于河道上游，沿岸坡顺坡布置，末端连接控制闸；控制闸上游设有箱涵连接河道，控制闸位于箱涵和输水隧洞之间。输水隧洞为无压洞，采用城门洞型断面，与控制闸连接部位设渐变段。箱涵两侧与护岸挡墙连接，满足控制闸运行期交通要求。具体功能如下。

（1） 控制闸包括三联槽、浮筒、支架、闸门和压板。三联槽包括泄水道、水槽、胸墙、门槽、顶板、连通管和排水管等结构。

（2） 泄水道为三联槽的主体结构，是控制闸的过流通道，泄水道的底部为底板，两侧为墩墙，上游段为U形槽结构，下游段在U形槽中间设有水平隔板，上、下游分别连接上游河道和下游双层河道。

（3） 水槽是容纳浮筒的容器，浮筒为中空壳体，顶部与支架的连杆连接，可随水槽内的水位上下浮动，从而带动闸门升降。排水管埋置在水槽侧壁底部，放水至外部低洼地段。

（4） 在泄水道内布置多段胸墙，实现闸门分层布置，在泄水道两侧墩墙内布置门槽（空腔结构）。

（5） 顶板位于泄水道下游段，L形布置，水平方向起连接两侧墩墙和内置连通管的作用，竖直方向支撑山体边坡。

（6） 闸门位于泄水道孔口部位，多道设置，闸门关闭时可以封闭隔板以下各层孔口，开启时位于胸墙或隔板上游侧，避免影响孔口过流。在闸门运行过程中，采用压板限制各级闸门的上升高度。支架位于控制闸顶端，为连接浮筒和闸门的桁架结构，采用不锈钢制作。

2.4优化分析

根据取水闸在不同工况下的应用条件，对其结构及材料提出以下优化措施。

（1） 引水堰孔口上部可增设格栅，避免上游河道内杂物进入引水渠和水槽。

（2） 闸门可采用防腐钢闸门或不锈钢闸门，外包仿生薄壁防撞层，避免磕碰变形；闸门数量和高度可根据下游双层河道的下层暗河高度调整，当闸门自重较大时，相应增加水槽宽度和浮筒长度即可。

（3） 胸墙在与闸门连接的部位还可内置磁吸，减少闸门振动以及闸门与胸墙间的空隙，减少渗漏。

（4） 考虑到埋设的排水管直径较小，也可设置水龙头后在泄水道侧壁隔板以下开孔，水龙头平时常闭，在洪水过后再打开放水，相应地水力自动启闭闸门运行模式由自动开启、自动关闭变为自动开启、手动关闭，除影响上层明河过流的及时性外，仍然保障防洪安全。

3双层河道应用

3.1工作特性

如图3所示，双层河道结构是为解决穿越城区的山溪性河道水位暴涨暴落［10］，满足城区段河道的防洪安全、亲水性和景观需求而提出的［11］，下层暗河解决洪水期过流问题，上层明河满足枯水期游人亲水和河道生态需求，因此需要在下层暗河入口设置闸门，保证枯水期关闭、行洪时开启。

3.2取水闸结构设计

该取水闸结构与无压洞洞口取水闸结构类似，由引水渠和控制闸两部分组成，如图4所示。

引水渠位于控制闸的上游河道两侧护岸，包括引水堰和渠道，引水堰堰顶高程即设计闸门开启水位，连接引水堰与控制闸两侧的水槽。控制闸位于上游河道和下游双层河道之间，包括三联槽、浮筒、支架、闸门和压板，是该取水闸的主体结构。

三联槽为钢筋混凝土结构，同样包括泄水道、水槽、胸墙、门槽、顶板、连通管和排水管。泄水道下游段设置隔板，与下游双层河道的下层暗河顶板齐平，隔板上部与下游双层河道的上层明河无缝对接，在隔板内布置连通管，贯通泄水道两侧的水槽，用于平衡两侧水槽水位。

4结论

针对磐石引水无压洞洞口所在区域交通条件差，考虑丰水期引水、枯水期不引水的现实需求，本文提出了一种分层取水闸结构，该结构能够解决分层自动取水的问题，并且能够应用于双层河道暗河入口，该结构具有以下优点。

（1） 全自动启闭节能。闸门通过水槽内的浮筒带动，水位超过设定高程时闸门可自动全开、水位低于设定高程时闸门可自动全关，自动运行无需液压启闭能耗，是一种非常节能的结构。

（2） 运行可靠。取水口河段水位变化浮动大，本设计引水渠自河道上游断面引水，避免取水口河段直接引水导致闸门频繁升降问题。带动闸门升降的浮筒位于两侧水槽内，水槽不参与行洪，避免了动力机构被漂浮物卡塞影响防洪安全的问题；孔口多层设置，个别孔口闸门如被漂浮物卡塞也不致影响下层暗河过流，分段设置的闸门自重变小，还有利于减少浮筒体积。

（3） 安装简便。控制闸基本与地坪齐平，无上部建筑，边坡开挖高度低且与周边环境融合，无大型闸门或启闭机，结构小巧，降低了施工及安装难度，从而降低了对山区新建交通道路标准的要求。在城市河段，有利于改善城市景观。

（4） 应用前景广阔，尤其适用于山塘改造。山塘数量多、管理难度大，为确保防洪安全，大多采用无人值守、不设闸门的开敞式溢洪道结构。该取水闸结构用于山塘可改善溢洪道泄洪条件，在同样坝顶高程和溢洪道宽度条件下，因可变的泄流能力加大，从而为山塘提升正常蓄水位创造技术条件。

本文主要研究分层取水闸的结构设计，有必要进一步对该结构进行计算，开展水动力特性数值模拟、力学性能数值模拟等研究，以对其细部结构进行优化设计。参考文献：

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［8］韩宇，忻佳丽，孙小雨，等.浮筒式升降闸门水力性能数值模拟［J］.节水灌溉，2020（3）：21-26，32.

［9］许韬.水力自动滚筒闸门的水力特性研究［D］.杨凌：西北农林科技大学，2015.

［10］涂华伟，彭涛，彭虹，等.基于洪水过程的山区小流域洪水预警研究——以四川省白沙河流域为例［J］.人民长江，2020，51（6）：11-16.

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（编辑：江焘，舒忠磊）