苏丹麦洛维灌溉工程渠道自控闸门研究与探讨
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麦洛维灌溉项目位于苏丹北部,大约在喀土穆以南300km至400km,尼罗河第三和第四瀑布之间。工程主要内容包括:3条输水主渠及支渠、渠道水工建筑物、路桥及抽水和增压泵站等。其中渠道水工建筑物主要包括弧形闸门、自控闸门、叠梁门、拦污栅、针形门等附件及配套设施,而其中自控闸门在国内工程中应用较少,国外工程相对应用较多,如法国EYRTEC生产的AVIO/AVIS型自控闸门[1]。
苏丹麦洛维灌溉项目自控闸门根据过流方式,分为淹没出流式(AVIO)和自由水面出流式(AVIS),其中AVIO式11种规格,共80套;AVIS式6种规格,共18套。
1自控闸门设计原理和结构形式
1.1 自控闸门设计原理[2]
自控闸门结构由弧形面板、支臂、配重箱、浮箱、支撑轴、浮箱套等配件组成,面板和浮箱前后侧板均是圆弧型,其圆心和转动轴的轴心重合,浮箱底部的切线方向亦通过圆心,转动轴的轴心高程设置为下游常水位(设计水位),在静水压力和动水压力两者情况下,要使闸门处于动态平衡,就需要使作用在闸门上的力矩合应等于零。由于真正对闸门产生力矩只有面板、配重箱等的重力和浮箱的浮力,均处于铅直方向(即相互平衡),所以支臂的转动对力矩平衡没影响,故只需调整闸门重力和重心位置,使其满足MF+MG=0,就能确保无论下游水位升高或降低,闸门均能开启到相应位置,实现动态平衡,控制下游水位。
1.2 自控闸门结构形式
(1)弧形面板为上宽下窄的梯形结构,剖面形式为弧型,与主纵梁进行焊接连接,为满足侧部过水流畅,减少非恒定流过流对闸门稳定的影响,在主纵梁上需要开孔;为防止挡水弧形面板过流时产生震动,以及减少上游水体对弧形面板的冲击作用及漩涡的产生,对于无胸墙低水头自控闸门(AVIS)应设置缓冲箱,缓冲箱为焊接在弧形面板上的箱体,箱体底部有漏水孔。
(2)支臂结构前端部采用螺栓连接在主纵梁上,后端部和浮箱也是采用螺栓连接的形式。支臂上焊有临时的吊耳,为安装和检修及起吊时用。
(3)配重箱:配重箱和支承轴上的钢板采用螺栓连接。配重箱和支臂上的钢板采用焊接连接,支臂和支承轴上的钢板采用螺栓连接。
(4)浮箱:内部是密封的空间,不可漏水,浸水。浮箱上有一开口,用于添加配重之用,开口上用螺栓连接盖板。浮箱和转动轴上的连接钢板焊接连接。
(5)支承轴:支承轴分为大小轴,小轴支撑在左右混凝土门槽上;为减少阻力,大轴和小轴的连接方式采用滚动轴承连接,大轴和支臂浮箱焊接连接。
(6)浮箱套:用于盛放浮箱之用,浮箱的浮力是依靠浮箱套内的水产生的。浮箱套后端部和后面的铁梯螺栓连接,浮箱套与闸门结构无固定连接,浮箱套前端通过滚轮支撑和转动轴接触。浮箱套上预留与PVC管相配的孔,连接到下游明渠,避开水跃影响。
2自控闸门安装及调试
2.1 自控闸门安装
采用25t汽车吊进行闸门的吊装和安装调整。闸室内搭设钢支架,支架的搭设高度要满足铰链轴线、门叶几何中心线、浮箱装置几何中心与自控闸门下游设计平衡水位保持一致。面板与浮箱、支承轴及平衡锤整体吊入闸室,面板、支铰轴入槽到位。平衡锤固定在支架上,以便活动部件的重心位于闸门保持平衡的位置上。确保面板和浮箱的前后侧板的圆弧圆心和转动轴轴心重合,浮箱底部的切线方向也通过轴心。
2.2 自控闸门试验与调试[3]
(1)模型设计与制作。
模型均采用1∶1的原型试验,闸门采用钢结构制作。
(2)测试所需条件。
试验中渠道尾水流入蓄水池,再由水泵自蓄水池抽到渠道进口。在渠道进口设置矩形薄壁堰,流量的控制采用分水器来控制,下游水位的调节采用尾水闸门来控制。
(3)水力自动控制闸门的试验部分。
试验闸门运行水位流量关系,以验证闸门流量计算公式及其参数;对于下游常水位闸门,浮箱套底缝的大小将直接影响浮箱套的阻尼大小与滤波的效果,并对闸门运行的平稳性起重要作用。因此对不同大小的缝均应进行相关试验,同时对高水头带胸墙的自动闸门,还需检验连通浮箱套与水位滤波井之间的连通管的阻尼与滤波效果;对无胸墙的低水头闸门进行上游面设置缓冲箱的试验。最后将获得的水力自动闸门动态运行的试验数据,与所编制的水力自动闸门仿真软件的计算数据进行对比,以验证模型的正确性并修正计算模型的相关参数。
(4)工地现场试验与调试。
工地现场组装整体构件,支臂端部和面板上的主纵梁连接,连接形式为螺栓连接;组装后,把左右支铰临时固定于相应门槽内。对闸门进行全行程试验,检查闸门面板与梯形门槽有无卡阻现象;闸门在全关位置时,确保弧形面板与左右两侧门槽有少量空隙,底部面板与门槽底槛接触良好。支铰转动中心高程与下游控制常水位相齐平。
自控闸门现场试验与调试,分无水状态和有水状态。
当闸门在自由水面中运行时,精确调整配重箱内和浮箱内的配重,使闸门整体重心和平衡,保证闸门处于全关状态(有微小开度)时,重心位于支铰轴中心上方。
当闸门在动水中运行时,对连通浮箱套与水位滤波井之间通水管的阻尼与滤波效果进行试验。通过操作滤波井与浮箱套之间连通管上的蝶阀进行调试调节,直至自控闸门平稳运行,最终确定蝶阀开度,并检测下游控制水位位置是否与闸门设计水位一致。
3结语
常水位自控闸门是苏丹麦洛维灌溉项目金结产品设计施工的重点和难点,其设计运行的原则在于不依靠闸门启闭装置的条件下,自控闸门能够在无压流和有压流两种情况下,均能进行精确、稳定、安全的操作,并确保下游水位始终与设计水位保持一致。鉴于AVIS常水位自控闸门具有设计简化、自动控制、管理简单等优点,其已在马里索科洛灌区推广应用,效果良好,本文通过分析研究其设计原理,阐明其结构设计和安装调试过程,对苏丹麦洛维灌溉项目金结部分的顺利实施有良好的借鉴和参考价值。
参考文献
[1] 欧阳增发,陈峰,等.AVIS水力自控闸门性能研究及应用[J].西部探矿工程,2010(1).
[2] 王长德,张礼卫.下游常水位水力自控控制渠道运行状态过程[J].水利学报,1997(11).
[3] 刘艳林.新型水力自控闸门动水压力的研究[D].内蒙古农业大学,2008.