张幕衡--兴安盟中小型水利工程技术探索

1、 中央广播电视大学开放教育水利水电 专业本科毕业论文（设计）兴安盟中小型水利工程技术探索学校名称 兴安盟广播电视大学 姓 名 张幕衡 学 号 1115001252688 专 业 水利水电工程 教育层次 专升本 入学时间 2011年9月 指导教师 席青云 论文提纲一、兴安盟水利概况 二、兴安盟低水头引水枢纽型式的探讨（一）哈拉黑枢纽（二）国光哈达那拉枢纽 （三）小结三、拦河闸闸后消能研究四、经济效益简述五、绰勒水利枢纽工程技术研讨兴安盟中小型水利工程技术探索 【摘要】兴安盟位于内蒙古自治区东部，水土资源丰富，适宜发展灌溉事业由于全盟河谷平地均属薄土层强透水地区，地面取地形变化大；河谷较窄需多首制

2、取水；灌区内地面陂降较大，跌水节制建筑物数量较多，多年来灌溉事业发展受到制约为加快兴安盟灌溉事业的发展兴安盟水利局以科技为先导，进行了广泛探索，在引水枢纽及渠系建筑物工程型式等方面，取得一些成果，节约了大量资金。本文着重介绍探索过程及部份工程结构型式。 【关键词】引水枢纽；拦河闸；双悬臂；液压；启闭一、兴安盟水利概况兴安盟地处内蒙古自治区东部，大兴安岭中段南麓向东南松嫩平原延伸的过渡地带，其地理位置为北纬44014至47039，东经119028至123038之间，东与黑龙江省毗邻，南与吉林省及内蒙古哲里木盟交界，西依蒙古人民共和国及内蒙古锡林郭勒盟，北与呼伦贝尔盟接壤全盟总面积598万平方公里

3、，人口156万；其中蒙古族57万。 兴安盟有七条主要河流汇人嫩江，多年平均年径流量48亿立方米，沿河两岸有近300万亩河谷平地，适于发展自流引水灌溉岘（附图1兴安盟水系图)。 兴安盟属老、少，边，穷经济欠发达地区，全盟经济以农牧业为主。 兴安盟的水利建设起步很晚，五十年代开始兴建灌区。由于全盟河谷平地普遍是微地形起伏变差大；表面层薄；土层下强透性地层厚度大，灌区内土地不易平整，已建灌区长期不能发挥效益，全盟农业单产低而不稳。兴安盟发展灌溉事业的另一个制约因素是，河谷较窄难以开发规模较大的灌区，致使渠首枢纽数量过多；灌区内地面坡降较陡多为13001500之间，干灌跌水节制建筑物数量过多，灌区亩均

4、投资指标过高。 面对上述制约因素，我们确立了两项攻关任务：一是研究适合我盟土地平整及田面防渗的方法二是探索结构简单，运行可靠，造价低廉的轻型水工建筑物。 经过多年的探索，于八十年代中期成功的解决了薄土层强透水地区大面积平整土地及田面防渗技术，使我盟历来被视为不宜发展水稻田的地区，建成了标准较高的水稻田灌区，目前全盟水稻田面积已达40多万亩并以每年几万亩的速度在稳步增长。 渠首枢纽及渠系主要建筑物结构型式的探索，我们经历了卅余年的漫长过程。1966年引进广东湛江地区预制结构及大跨度双悬臂平板闸门等先进经验，八十年代又引进了橡胶坝，并全面的考察了辽宁、湖南等地自动翻板闸门技术。通过对外地先进技术的

5、消化筛选，结合我盟的实际进行改进，创新，确立我们的模式。在探索中我们始终遵循小平同志“科学技术是第一生产力”的教导与松辽委水科院、天津大学水利系和机械系等科研院校紧密合作，通过大量的试验研究，不断改进、创新，建设了一批投资少，运行可靠的引水枢纽及渠系建筑物，节约了数以千万元计算的工程投资，促进了我盟灌溉事业的快速发展，在此对他们给予我们的大力支持与帮助，表示由衷的感谢。二、兴安盟盟低水头引水枢纽型式的探讨 我盟的河流均为推移质河流，几十年的实践已证明采用拦河坝式引水枢纽，主槽经常改道，故决定采用拦河闸式引水枢纽。 由于我盟多数灌区建于河谷两岸平地上，河谷较窄，地形的限制只能采用多首制取水，而我

6、盟各条河流洪峰流量又都很大，全盟各灌区普遍存在“头大身子小”的致命弱点，拦河闸的投资在枢纽工程投资中所占比重过大，能否简化拦河闸工程结构，大幅度降低工程造价，已成为制约我盟灌溉事业发展的又一关键而我盟的河流均为宽浅式河槽，要求主槽挡水高度仅20米左右，这又为简化拦河闸工程结构，提供了极为有利的条件。 为了探索简化的拦河闸结构，卅多年来不断考察，引进外地先进经验1966年引进了广东省湛江地区总江口拦河闸建设经验，并于当年建成一座三孔跨度为68米双悬臂平板闸门渠系分水枢纽(-见附图2)，节约了大量投资，运行也很正常。1983年为摸索橡胶坝在我盟拦河建筑物上应用的可行性，在一座中型水库溢洪道上修建一

7、座橡胶挡水坝与此同时还几次考察了辽宁，山东、湖南等地的自动翻板闸门和浙江义乌自动翻板闸门加液压减震系统的经验。通过实践，由于我盟气温低橡胶坝空气中的冷凝水集于输气管内，影响正常工作，冬季还经常冻裂管道和阀门，为此首先放弃了橡胶坝方案。鉴于我盟宽浅河槽的特点，拦河闸的总体构思是：大跨度闸门；轻型短闸室结构，由于双悬臂平板闸门具有结构简单，受力条件好(其最大弯矩值为147qI2，仅为同跨度简支闸门最大弯矩的I6)等优点，我盟拦河闸基本模式为大跨度双悬臂平板闸门配合轻型短闸室方案。总方案确定后，闸门的启闭方式又成为制约工程造价的主要因素。采用卷扬机起吊闸门，闸室上部结构比较复杂，工程造价过高(见附图

8、2)。采用自动翻板闸省去闸室上部结构及卷扬设备，工程造价最低，但闸门在一定开启角度时震动问题至今尚未完全解决，而且人为无法控制其开启为了做到即造价低又运行可靠，从而蒙发采用液压启闭翻板闸门的想法。（一） 哈拉黑枢纽1984年开始设计第一座双悬臂液压翻板门拦河闸，经不断改进，1988年我盟第一座拦河闸式引水枢纽一哈拉黑枢纽动工兴建，为六孔净跨八米的拦河闸，全部采用了双悬臂液压翻板闸门，1989年建成，1990年经受了特大洪水的考验。哈拉黑枢纽为一座中型引水枢纽，建于归流河上，设计洪峰流量510秒立米。其中拦河闸泄流为433秒立米，进水闸两孔；设计引水流量810秒立米，灌区净灌溉面积233万亩枢纽

9、总造价194万元，折算拦河闸每个流量工程平均造价为045万元秒立米，枢纽每个流量工程平均造价为038万元秒立米。哈拉黑枢纽建成后，受到了各方的赞许通过运行我们发现如下问题有待改进 （1）液压油缸置于水下维护，维修不便。 (2)为防止油缸与闸门连接处出现死点，闸门最大开度为800左右，水流条件不太理想(见附图3)。 (3)液压输油管道长期置于水下，油管腐蚀严重经与天津大学机械系共同研究，研制了肘杆式液压翻板门启闭系统(见附图4)。油缸和肘杆置于两侧闸墩上，正常运行时肘杆及油缸全部位于水面以上，1994年对哈拉黑枢纽拦河闸液压启闭系统进行改造，改造后前述存在问题得以解决，但由于新系统油缸出力要经过

10、肘杆传导作用于闸门，肘杆系统的出力系数又呈近似正弦曲线式分布，结果在闸门开启超过800闸门板上水深较大时，闸门不能顺利提起使我们认识到自动翻板闸门在有启闭系统控制后，由于人为的改变了闸门的正常运动状态，自动翻板闸门同样是不同工况要求不同的启闭力，而且数值可能很大由于至今尚无这方面研究成果可以借鉴，只好再进行翻板闸门不同工况的启门力试验，试验结果是：哈拉黑枢纽采用的肘杆启闭系统，正巧是闸门启闭力最大与肘杆最小出力系数两种不利工况相遇通过这次反复我们有两点深刻体会一是科学来不得半点马虎，我们就是由于错误地认为自动翻板闸门在无外力作用下还能翻动，稍加外力即可满足要求，致使闸门一定工况时无法关闭，二是

11、即然是搞创新，就应突破原有框框比如自动翻板闸门由于要求自动翻转支铰高度必须为H3而液压启闭翻板闸门的支铰高度就不应该也必须是H3。结合试验结果进行分析研究，适当提高了闸门支铰和肘杆与闸门联结点高度，适当改进了肘杆结构，最终取得了满意结果。1995年新建的察尔森水库下游灌区乌兰哈达枢纽拦河闸采用改进后的肘杆系统，运行状况很好(见附图5)。（二）国光哈达那拉枢纽 在建设液压翻板式拦河闸的同时，我们也兴建了一座液压提升式拦河闸察尔森水库下游灌区国光哈达那拉枢纽。整个枢纽由左、右岸两座分枢纽及中间长360米的溢流堰组成，右岸为国光灌域，其引水枢纽为三孔进水闸，四孔拦河闸；左岸为哈达那拉灌域，其引水枢纽

12、为五孔进水闸、六孔拦河闸十孔拦河闸，全都采用跨度为8米的双悬臂液压提升式平板闸门。1991年初开工兴建，当年建成投入运行，至今运行状态良好。当闸门挡水高度相同时，双悬臂闸门跨度为8米时，其主梁最大弯矩值与跨度为33米简支闸门主粱最大弯矩值相同。采用双悬臂结构闸门主粱断面可大大缩小，闸门造价将大幅度降低同时由于双悬臂闸门由两个支承墩支承，两侧闸墩不需要再设闸门槽，闸墩厚度也可以适当减小如采用翻板式双悬臂闸门闸墩高度还可以降低。这切都为简化闸室结构提供了条件加之，我盟各拦河闸挡水高度较低，基础又均为砂砾石层，允许渗透比降较大闸室长度可以大大缩短为此，我们将闸室长度(顺水流方向)缩短至6米以下，闸墩

13、厚度采用08-10米。大跨度双悬臂闸门的采用，闸室结构的简化拦河闸工程造价成倍数降低据统计，我盟已建的三座引水枢纽，相应设计洪水每秒立米流量工程造价为05-075万元秒立米，较常规拦河枢纽造价低一倍以上。 （三）小结回顾我们走过的路程，对拦河闸结构的简化，有如下几点看法。 1、拦河闸闸门跨度较大，宜采用双悬臂结构其原因是：(a)双悬臂在均匀荷载作用下可将两个支点及跨中三点弯短调整为同一数值(147q12)，仅为同跨简支结构最大弯矩的I6；主梁截面尺寸可以减少很多，跨度为8米时主梁可采用标准型钢，加工极为简便(b)闸门重量较同跨度简支闸门轻几倍，大大减少闸门启闭力，可大幅度降低闸门及启闭设备的工

14、程造价。2、液压启闭系统优点较多应广泛采用。 (a)采用液压启闭系统可简化闸室上部结构节约工程投资。 (b)液压启闭运行方便，宜实现集中操作。 (c)液压启闭需用动力较小，便于设置自备电源。(d)液压启闭可以实现其它启闭方式难以完成的动作。3、翻板式与提升式闸门各有优势，宜根据各自工程条件选用 (a)翻板闸门最适合最高水位与正常挡水位相差较大的拦河闸，其最大优点是工程造价最低，缺点是维修不便，过闸水流流量较提升式约减小10左右。(b)提升式闸门适宜水位变化不大的渠系工程(见附图6)。提升闸门的优点是水流条件好，维修方便，缺点是增加两个支承墩，闸墩高度及油缸长度均视水位变幅大小而定水位变幅较大时

15、，工程造价较高。三、拦河闸闸后消能研究 随着闸门和闸室工程的简化，闸后消能工程投资比重增大，优化闸后消能成为进一步降低拦河闸造价的重点为此，我们通过一系列试验，探索即经济又安全可靠的闸后消能方式。 低佛氏数的消能、消能效果均不理想，但是，轻易放弃消能方案而寻求其它方式，尚觉依据不足。为此，决定选用8种经初选认为消能效果较好的型式，进行系统试验、比较、筛选。试验的结果是，最好的型式消能率也仅为30左右。 由于闸后消能未能找到理想的方式，又一度忽视了三元水流的影响，因而将梳齿裙板作为我盟拦河闸闸后的主要消能防护模式，哈拉黑及国光一哈达那拉两座枢纽拦河闸闸后均采用梳齿裙板。实施过程中为了双保险，闸室

16、后建较深齿墙，裙板下部又增设长5-20米厚10-15米的抛石防护，1990年哈拉黑枢纽通过超标准洪水，闸后未出现什么问题一时间使我们误认为梳齿裙板是低水头拦河闸闸后理想的消能防护方式，为了进步探索缩短裙板长度的可能性，再次进行了系统的试验一是分四组(裙板长度25米，35米、45米，55米)二十个工况进行断面动床模型试验。二是结合我盟一拟建枢纽进行整体动床模型试验。试验结果是：二元水流梳齿板各种长度，闸后防护效果均很好；而三元水流时，当试验的枢纽9孔闸门部分闸门开启部分闸门关闭时，闸室后出现严重贴壁冲刷，最大冲深超过4米。后在3-4孔及6-7孔之间加两道长9米的导墙，冲刷依然很严重导墙增至20米

17、，导墙两侧及闸室后贴壁冲刷仍很严重。 经过对试验成果及已建枢纽实际运行情况的分析与研究，使我们认识到梳齿裙板做为拦河闸闸后消能防护措施是不适宜的，三元水流条件下有梳齿板还不如没有梳齿板。哈拉黑枢纽经受超标准洪水考验没出现问题，主要是裙板下部抛石起了决定性作用因此，决定对闸后抛石防护方案再进行全面试验，结果是：当抛石粒径D5025厘米，抛石长度18米，厚度12米时，各种工况均可获得较好的防护效果据此，1995年兴建的察尔森水库下游灌区乌兰哈达引水枢纽拦河闸后，即采用上述抛石防护方案，为双保险，闸室未端仍作深齿墙，抛石层下设土工织物反滤层保护(见附图5) 由于我们学识水平的限制，在闸后消能的探索过

18、程中走了一段弯路目前采用的抛石防护方案在佛氏数较低时可能是一种即节约又效果比较理想的方式，对简化我盟各拦河闸结构作出贡献但是，是否具有普遍性，有待专家评述。四、经济效益简述 以列入国家基建计划的察尔森水库下游灌区为例。 兴安盟察尔森水库下游灌区，总灌溉面积为2054万亩(净)，其中水稻田面积1512万亩；旱田井灌面积542万亩批准的初设概算投资为19亿元，其中国家投资124亿元目前灌区水稻田面积已达10万亩，已建枢纽工程两座，灌区内建筑物已完成约65的工作量，实际完成总投资额038亿元，以30的投资完成60的工程量。乌兰哈达灌域东干渠五座跌水节制闸，采用移动式液压启闭提升式双悬臂平板闸门(见附

19、图6)，实际投资额为批准初设概算的448，引水枢纽工程，我盟察尔森灌区已建的两座枢纽，有公路通过的枢纽，平均每秒立米(相应设计洪水)工程造价为0754万元，无公路通过的枢纽平均每秒立米工程造价为059万元。而毗邻地区在同一条河下游的一座枢纽，平均每秒立米工程造价为2万元。五、绰勒水利枢纽工程技术研讨绰尔河是我盟第一大河，流域面积173万平方公里，多年平均年径流量213亿立米，实测最大洪峰流量3280秒立米，最小流量为29：秒立米，沿河两岸有宜灌面积120余万亩。绰尔河发源于呼伦贝尔盟牙克石市境内大兴安岭的吉尔达山，流经呼盟扎兰屯市、兴安盟扎赉特旗，黑龙江省龙江县，于黑龙江省泰赉县江桥镇附近汇入

20、嫩江，河流全长502公里，其中扎旗境内河流长度方400公里绰尔河自扎赉特旗后音德尔山口以下为与松嫩平原相接的下游平原区，该河适宜灌溉的土地主要集中在这一地区。早在日伪时期即开发利用该地区的水利资源，四十年代初修建绰尔河防洪堤，并在下游扎旗保安沼和黑龙江泰赉县六里五地区开发灌区种植水稻。目前，该地区已建4座中型灌区，灌区总控制面积近60万亩，但每年实际灌溉面积仅20万余亩，由于春季枯水期水源严重短缺，该地区历史上经常发生用水纠纷。1952年中央水利部在解决该地区一次严重用水纠纷后，责成建立扎、泰、龙联合水管会，并确定扎旗为58、泰赉县为24、龙江县为18的枯水期用水量分配比例，至今联合水管会已存

21、在千51年。 由于绰尔河枯水期水量主要满足最下游扎、泰、龙五十年代前即已形成的三个灌区用水，五十年代中期开发的总面积294万亩的扎赉特旗五道河子灌区，因无水源保证已闲置近40年。扎赉特旗是国家级贫困县，绰尔河下游是该旗的主要产粮区，开发利用绰尔河水利资源已成为扎赉特旗脱盆致富的关键。依据绰尔河流域规划，绰尔河第一期开发工程为文得根水库及绰勒水利枢纽工程，两项工程建成后下游可发展水稻田约70万亩。目前绰勒枢纽可行性报告已完成；文得根水库可研报告也将于近期完成。绰勒水利枢纽工程位于绰尔河中下游111国道绰勒大桥处(见附图7)。距上游的文得根水库约90公里，是一座以灌溉为主结合防洪、发电的综合性水利

22、枢纽，同时又是文得根水库的反调节工程，该枢纽坝轴线与111国道斜交，枢纽建成后111国道将从坝顶通过，因此该枢纽还将是一处极好的旅游景点。 绰勒枢纽为级建筑物，100年洪水设计，500年洪水校核，总库容177亿立方米，新增灌溉效益206万亩，年发电1700万千瓦时，枢纽工程由三大部份组成。(1)土坝： 坝长1650米，最大坝高128米。 (2)溢洪道：建于左岸山脚下，为9孔， 每孔净跨12米的砼溢流坝，基础为风化岩溢流堰顶高程为22253米，堰顶设弧形闸门。水库正常挡水位2305米，溢洪道最大泄流量5440秒立米(500年一遇洪水)，采用消力池消能。 (3)电站： 建于右岸山脚下，装机4台总容量5000千瓦水轮机为轴流定桨式。 绰勒枢纽是一座季调节蓄水工程，它的最大作用是利用其177亿库容的蓄水，补充绰尔河每年56月天然来水的不足，发展下游的水稻田经