新型液压驱动整体式溢流堰在河道整治中的应用.pdf

水利技术监督 2 0 1 3 年第 4 期 新型液压驱动整体 式溢流堰 在河道整治中的应用 樊仕 宝 深圳市广汇源水利勘测设计有限公司，广州省深圳市 5 1 8 0 2 0 【 摘要】 本文从结构特点、工作原理和使用条件入手，介绍了两种新型液压驱动整体式溢流堰，并和传统溢 流堰进行比较，分析其优缺点。同时结合使用经验，提出其在实际应用中需重点注意的几个问题。 最后介绍该新型溢流堰的使用前景，重点分析其可改进和升级的各方面。 【 关键词】 溢流堰；金属结构；液压驱动 I D O l 编码】 i 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 8 1 3 0 5 ． 2 0 1 3 ． 0 4 ． 0 2 2 【 中图分类号】 T V 8 5 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 8 1 3 0 5 2 0 1 3 0 4 0 0 6 7 0 3 溢流堰是一种最常用 的水工建筑物 ，通常建筑 于明渠河道 中，具有挡水、泄水功能，同时也会产 生阻水效应 ，影响河、渠的过流能力。堰体能使上 游水位壅高，同时其顶部可产生不受约束的开敞水 流，称之为堰流 。 堰 的种类较多，根据堰壁相对厚度 ／ 的大 小可分为薄壁堰 8 ／ 1 1 0 ． 6 7 、实用断面堰 0 ． 6 7 6 ／ H2 ． 5 和宽顶堰 2 ． 5 6 ／ Ht o ；根据 下 游水位的连接关系可分为 自由式堰和淹没式堰；根 据堰 口的形状可分为三角堰、矩形堰、梯形堰；根 据堰体是否具有可调节功能，可分为可调节溢流堰 和不可调节溢流堰等。 在河道整治工程中，最常见溢流堰有汀步、滚 水坝、翻板 闸、橡胶坝等 。前两者均属于不可调节 溢流堰 ，其产生堰流的边界条件是相对固定的，而 后两者会根据水力条件、自动控制或人为操作等情 况下，改变堰体结构，从而改变堰流条件，实现最 大过流 ，减小阻水影响。 在此介绍两种新型的可调节整体式溢流堰，均 为液压驱动，暂且根据其液压机构作用原理，分别 称为斜支顶升式和底轴翻转式溢流堰。 1 新型溢流堰介绍 斜支顶升式和底轴翻转式溢流堰示意详见图 I 所示。 两种新 型的可调节整体式溢流堰 的主要组成 部分包括基础底板、挡水结构、驱动装置和控制系 统 。工作原理均是通过控制系统输入的信号，驱动 液压动力系统，实现堰板的倒与立。两种堰的结构 和工作原理相同，其主要的不同点在于液压驱动装 置的作用方式不同。 斜支顶升式溢流堰 的液压杆件直接作用于堰 板上 ，通过液压杆 的活塞式运动带动堰板 的倒与 立 。而底轴翻转式溢流堰的液压装置是作用于堰 板 的底轴上 ， 通过底轴 的转动带动堰板 的倒与立 。 其液压作用方式 的不 同决定 了两种堰 的使用情况 也有所不 同。受液压杆件尺寸不宜过大 、工作压 力较小及多液压杆同步性差的影响，斜支顶升式 溢流堰的高度、跨度及工作水头均不如底轴翻转 式溢流堰大 。 根据厂家的经验，斜支顶升式溢流堰的挡水高 作者简介樊仕宝 1 9 8 0年一 ，男，工程师。 67 水利技术监督 2 0 1 3 年第 4 期 度不宜超过 2 ． 0 m ，跨度不宜超过 3 0 m ，其工作水头 宜控制在 3 ． 0 m 以下，而底轴翻转式溢流堰 的挡水 高度可达 4 ． 0 m ， 跨度可达 6 0 m ， 工作水头可达 6 ． 0 m 。 辫镧 一 ～ } 潍铡 辩支 Mi q - 滋滚鬈 所 以选择上述两种溢流堰时，应根据挡水高度、地 基情况、河道宽度、两岸用地和管理条件等因素综 合考虑。 } 游榭 ～ 分 一 盖 潞侧 图 1 新型溢流堰示意图 2 与传统溢流堰比较 新型溢流堰和传统的翻板闸与橡胶坝相比， 主要优点有 。 除上述优点外，其还有景观效果佳、操控扩展性好 甘 等。其主要缺点是抵抗基础变形能力差、施工安 装难度大、管理维护要求高。 2 ． 1 水力条件较好 由于采用整体钢板式堰体 ，省却了翻板闸的中 墩 ，并克服了橡胶坝袋体容易变形的问题，其整体 过流条件更好。 根据厂家试验成果， 在 同等工况下， 整体式钢板堰的流量系数不小于 0 ． 4 0 3 ，而橡胶坝 的流量系数不大于 0 ． 3 8 5 ，翻板闸的流量系数则更 小 ，如果考虑侧收缩，其过流能力将更小。综上所 述 ，整体式钢板堰的过流能力较好。 2 ． 2运行操作更可靠 各溢流堰的控制方式均差不多，除翻板闸可实 现水力 自控外，其余的堰体均可实现液位控制和手 动操控，但其运行的灵活、可靠性却不尽相 同。翻 板 闸受支墩、导轨、滚轮在水中运行的影响，容易 被异物卡阻而影响其运行的可靠性。橡胶坝每次充 放气或水需要 2 ～3 h才能完成，时间较长，影 响其运行的灵活性 。 整体钢板式堰体， 省却了支墩， 且倒堰后 ，可平躺河底，减小了堰体受淤积和卡阻 的影响。通过液压驱动，每次立、倒堰的时间 5 ～ 1 5 m i n ，大大提高了其运行效率，可提高河道遭遇 突发洪水时的行洪安全度 。 2 ． 3造价更经济合理 以2 ． O m高、 2 0 m宽的溢流堰为例， 采用橡胶坝 的造价约 1 6 0 万元，采用水力自 控翻板闸的造价约 2 8 0 万元，液压驱动整体钢板式堰的造价约 3 7 0万 元 。虽然液压驱动整体式钢板堰的投资最高，但其 使用寿命是橡胶坝的 2 倍以上，维护成本是橡胶坝 和翻板闸的 1 ／ 2 ～2 ／ 3 ，所 以其综合成本较低 。 6 8 3 实际使用中需注意的问题 3 ． 1布置 溢流堰的功能类似于可过水的露顶式闸门，完 全可 以遵循水闸的有关要求来布置，其选址布置应 综合考虑地形、地质、水流、施工、管理及周围环 境等因素 。其布置 自上游至下游可分为三部分，分 别为沉砂池 、基础底板和消能防冲 详见图 2 。上 游设置沉砂池，主要是为了减小泥沙、杂物对溢流 堰运行的影响，同时沉砂池也取到了防渗铺盖的作 用，但分缝处需止水连接。基础底板主要作用是安 装、固定溢流堰 ，并提供一个堰体运行的平台，应 考虑其稳定、沉降和结构安全 。可根据 闸室稳定计 算的有关方法计算其基底应力、不均匀系数、抗滑 稳定和抗浮稳定系数。溢流堰的下游是消能防冲设 旋，主要由消力池和海漫组成，当水头低于 3 ． 0 m 时可不设消力池 。具体消能防冲设施可根据有关底 流式消能防冲计算来设计。 3 ． 2基础底板 溢流堰选址时，应选择地基承载力高 、抗剪能 力强、渗透性小的堰基。本文介绍的新型溢流堰属 整体结构，其对基础的要求更高。 底轴翻转式溢流堰通过底轴控制堰板的转动， 受底轴整体性的影响，其对基础底板的变形要求极 为苛刻。底轴一般要求 5 1 0 m设置一道支座，理 论上讲相邻两支座 间不允许变位 。根据厂家 的经 验，当相邻支座间距 7 m ，变位 2 m m时，底轴剪力达 水利技术监督 2 0 1 3 年第4 期 3 0 t ，而对于土建工程 ，相邻支座间不均匀沉降控 制在 2 m m以内是相当困难 的，从而大大提高了土建 基础处理费用。 斜支顶升式溢流堰采用分体式堰板组合，每块 堰板宽约 5 ～6 m ，堰板之间通过止水带柔性连接， 其适应基础底板 的变形能力较底轴翻转式溢流堰 强 。其基础底板可按 1 ～2倍的堰板宽度来分缝， 可参照 闸室底板不均匀沉降的允许值来控制其底 板变形要求 ，一般来说 ，天然地基上底板最大沉降 量不宜超过 l O m m 。 图2溢流堰纵剖视图 3 ． 3同步性 新型溢流堰，均采用液压驱动。在多缸液压系 统中，往往由于液压缸负载 、摩擦阻力、泄漏、制 造精度、结构变形以及油液中的含气量等因素的差 异而不能使各液压缸保持 同步，从而使堰板或底轴 受扭 ，影响溢流堰的安全运行，严重时会损毁整座 溢流堰，所 以应尽量保持液压系统的同步，提高其 同步精度 。 根据两种堰的结构特点和驱动方式，其要求 同 步的精度也不一样。斜支顶升式溢流堰的堰板分块 柔性拼接 ，而底轴翻转式溢流堰的堰板和底轴整体 连接 ，所 以前者适应堰板变形能力较后者强，前者 液压系统的同步精度控制在 1 ％ 以内， 而后者的同步 精度应控制在 0 ． 1 ％ 以内。 常见的几种液压同步控制回路有。 1 采用同步阀。 2 采用液压同步马达。 3 采用伺服油缸和 比例 阀。 4 采用带液压伺服补偿的等流量双泵 ，具 体采用哪种同步方式要根据堰体 的高度、跨度和 同 步精度要求来确定。 对于斜支顶升式溢流堰 ，两侧堰板直接和边墙 接触 ，其摩擦阻力较 中间堰板大，其两端受力不均 衡 ，造成堰板受扭，从而影响整个堰体 的运行，严 重 时会破坏整个堰体。为克服堰体受力不平衡而造 成 的不利影 响，除采用 同步 回路控制液压系统外， 增加弹簧杆件来平衡堰体两端 的受力差 。 3 ． 4防腐 在水利工程 中，金属结构 的防腐是重点和难 点。本文介绍的溢流堰的堰板、底轴和液压杆件等 附属设施均为金属结构 ，且长期在水中运行，其表 面 防腐 可 以按 照 水工 金 属 结构 防腐 蚀规 范 S L 1 0 5 - 2 0 0 7 执行。 除表面防腐处理外， 对液压和弹簧杆件、 底轴 、 侧止水等支承、受力和易磨损的部件 ，要求采用防 腐性能好的材料，可参照海上石油钻井平台有关防 腐的要求执行 ，埋件采用 S T N i C r合金铸铁和不锈 钢材料，液压杆件可采用 4 2 C r M o材料，活塞外镀 高分子陶瓷材料。要根据规模、投资及使用环境等 选择防腐措施 。 3 ． 5止水 堰板的止水应根据水力特性和 门叶旋转特点， 一 般侧止水采用 “ P ”型，底止水为刀型。挡墙和 底板预埋底槛与侧止水座，其预埋件可和限位块一 体化制作与安装。为防止预埋件变形和磨损止水橡 皮，宜采用防腐防锈合金或不锈钢材料，止水座板 一 般凸出混凝土面 5 l O m m 。 除上述 需注意的问题外，还需注意施工安装、 控制运行、管理维护等方面 的问题，主要原则是根 据溢流堰的特性来做相应设计，做到精确安装、合 理运行和科学管理，保证溢流堰的正常运行，延长 其使用寿命 ，发挥其工程效益。 6 9‘ 水利技术监督 2 0 1 3 年第4期 4 使用和发展前景 新型溢流堰，有着水力条件好、操作运行可靠 和综合成本经济的优点，其在城市中、小型河流整 治中，有着广阔的运用前景 ，但仍有一些改进升级 的空间，主要有以下几点。 1 受液压驱动的同步性、液压力和水中液压 杆件防腐密封难的影响，可考虑采用电磁动力驱 动，其驱动力更大、控制更加精确、同步性更好， 尤其适应底轴翻转式溢流堰。 2 堰板除采用金属材料外，可考虑采用 H D P E 材料，其防腐性能更好。为增加其结构强度 ，可在 堰板中增加钢带。 3 堰板卧倒时，堰板下容易形成负压 ，造成 堰板振动，从而影响溢流堰的正常安全运行。为解 决此问题，一是要合理调度运行，控制开启速度， 同时尽量减少部分开启工况的发生。二是采取通气 措施，可沿底板、底轴和堰板等设置通气孔。 4 可通过 改造，在堰体 中增加导水管、水泵 和灯光等，作成声光水景喷泉，成为城市河道 中一 道亮丽风景线。 5 为解决新型溢流堰的有关水力计算 问题 ， 应建立通用 的水力模型，在现有堰流公式的基础 上，对其过流参数进行研究。 参考文献 [ 1 ]宋宝生， 武爱玲． 河道景观橡胶坝和钢坝的优选． 水利科学与工 程技术 ． 2 O l O年第 3期 [ 2 ]刘晓庆， 李克锋， 等． 水力翻板闸门流量系数的探讨． 水电能源 科学． 2 O l 1 ． 1 1 [ 3 ]刘细龙， 陈福荣． 闸门与启闭设备． 中国水利水 电出版社， 2 0 0 3 [ 4 ]陈宝华， 张世儒． 水闸． 中国水利水电出版社， 2 0 0 3 [ 5 ]水闸设计规范 S L 2 6 5 2 0 0 1 ． 中华人 民共和 国水利部 [ 6 ]王仁福． 几种典型液压同步系统探讨． 四川冶金， 第 2 9卷第 3 期， 2 0 0 7 ． 0 6 ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ 上 接 第 6 6页 固前，保持对保护管采取固定措施，待水泥浆凝固 后 ，拆除固定保护管的钻机。用水泥浆或水泥砂浆 将连接倒垂线体下端的锚块固定在保护管底部最 佳位置 。 4 浮体组安装 待倒垂线体下端固定锚块埋设 5 - - 7天后，按设 计位置及方向安装浮筒及支架并仔细调整浮筒位置， 使其中心对准有效孔径中心。 将铟钢丝与浮筒内浮子 连接，拉紧后固定，灌入变压器油使浮子浮动起来， 将浮体组的浮力调整到设计浮力， 保持浮子水平、 连 杆垂直，浮子要在浮桶中心，并处于 自由状态。 5 垂线坐标仪及垂线瞄准仪安装 整套倒垂装 置采 用南京南瑞大坝监测公司生 产的 D C - 4 0型 ，前期暂采用垂线瞄准仪进行人工观 测。倒垂线观测墩制作时，定位一定要准确，观测 墩与倒垂线有严密的相对位置关系，观测墩的尺寸 和位置根据设计图纸及现场具体情况综合考虑，以 垂线的最终位置确定观测墩、垂线坐标仪及垂线瞄 准仪底座 的位置 ，并使墩边线平行于位移坐标轴 7 0 线。安装时，先安装测线，再安装垂线坐标仪及垂 线瞄准仪底盘。根据量程、大坝变化范围及方向， 确定底盘 的具体安装位置。保持仪器导轨平行于监 测方向，垂线坐标仪及垂线瞄准仪底盘调整水平后 用螺丝固定。然后复查垂线瞄准仪游标卡尺在主尺 上能否灵活移动，瞄准针尖部无变形、无污物后盖 上保护帽。 6 倒垂线观测 倒垂线观测前，首先要检查钢丝是否有足够的 张力，是否处于稳定状态，浮体在浮筒 内是否成 自 由漂浮状态，然后打开瞄准针保护帽检查瞄准针 的 完好性。用垂线坐标仪对钢丝精确观测两个测回， 每次观测步骤一致 。详细记录左右标尺 的刻度，以 便于进行资料计算及整理 。 7 结 语 老挝N a m N g u m 5 水 电站工程倒垂线 已全部施工 完成并已进入观测期，运行正常，监测资料齐全 ， 监测数据真实可靠 。该工程表面变形监测点与垂线 两种不同监测方法所测得的坝体变形规律和数值 均吻合 ，满足安全运行要求 。