CN2045759U - 活动杩杈闸坝 - Google Patents

Abstract

一种适应低水头水力资源开发的活动杩杈闸坝。其特点为：具挡水、控泄、排沙、消能、增稳等功能，可用预制构件装成，靠充排水操纵闸门启闭；基础工程及消能设施节省；可在水中施工，免除围堰与导流工程，洪枯水期均可施工，工程造价低；应用坝高可超过10米；适用任何地基与地震区；可顺利排除闸后淤积物与漂流物；使用寿命长，检修拆除易，构件可重复用于它处。除适用于作闸坝、围堰和溢洪道的闸门外，可发展成为一种应急水电站。

Description

活动杩杈闸坝是一种低水头水电站的挡水泄洪闸坝的新型结构。

挡水泄洪闸坝是低水头水电站的最主要组成部分。一般泄洪闸门的高度很少超过15米。现行的低水头挡水泄洪闸坝有普通闸坝（平板闸门或弧形闸门）、浮体闸、翻板闸和橡胶坝等。普通闸坝适用范围较广，但其结构较复杂（包括上游铺盖、闸室、下游消力池、护坦等部分；闸室由底板、闸墩、闸门、工作桥、启闭机等组成。）施工时还须建上、下游围堰与导流工程以露出河床，故工程造价高，工期长。浮体闸、翻板闸和橡胶坝等造价虽较省，但应用坝高不超过5米，施工时仍须建上、下游围堰与导流工程，且安全可靠性较差：如浮体闸有阻淤泥沙、漂流物与水力自锁问题，翻板闸易被淤积物与漂流物卡塞而难予及时排除，橡胶坝易被漂浮物划破而迅速塌平于水底难予及时修复，这些故障不但损失库容，还可能酿成上、下游人为洪灾；故这些闸坝一般仅能用于不重要的小型水利工程，未能适应各地低水头水电站开发要求。由于现行的低水头水电站的挡水泄洪闸坝造价高昂、工期长，使一般低水头水电站开发的技术经济指标差且有淹没问题，难予实现近期开发利用。为求促进开发遍布全国各地的低水头水力资源以解决各地缺电问题，必须大力研究应用新技术。低水头开发新技术包括经济快速的新型闸坝，整装贯流式机组或集装箱式机组、微型电算机控制运行等。目前，整装机组或集装箱式机组与微型电算机控制运行等新新技术已在国内外实用，急需研究解决经济快速的新型闸坝，使低水头水力资源开发达到经济快速能吸引集资实现。

本闸坝的目的是提供一种广泛适应各地低水头水力资源开发条件（应用坝高达10米以上，适应任何地基。）的最为经济快速的新型闸坝。结合应用整装机组等新技术，使中小河流的低水头水电站工程适价大幅度降低、工期显著缩短、减轻淹没问题，使其技术经济指标从原用一般技术显著不利变为有利，促进近期开发它们来解决各地电力不足问题。

现将本闸坝的技术内容说明如下：

（一）技术依据：

鉴于一般闸坝工程造价大致为闸体、基础（包括消能工）、施工（包括围堰与导流工程）各占1／3左右，为求大幅度降低工程造价、缩短工期，须力求：闸体能充分节省材料与设备，可用予制构件组装成；适用任何地基，基础与消能工程充分简省；可在水中施工，免除围堰与导流工程。为此，本实用新型综合借鉴下水工结构的技术优点：

1）驰名世界的始建于二千多年前的四川都江堰水利工程在已往岁修掏河时使用一种杩杈工程拦河挡水，杩杈工程是用三脚木架支撑稳定，可于水中施工，由于过于简陋，仅可用来暂时挡水，其挡水高度不超过三米，但它可使部分水压力转化为支撑压力有助于稳定、仅要求点基础稳固的优点值得借鉴。

2）闸坝泄洪消能是保证闸坝安全的关键之一，现行的各种低水头闸坝均用消力池与护坦消能，其工程造价较高。我国东北绥化地区曾于一些渠系水工建筑物上使用了一种空间结构形式的多级固定筛网式消能工程，将跌水分级打散并掺气达到消能，其工程造价较省，此原理亦值得借鉴。

3）借鉴橡胶坝充水密封性好，可改变水压力传递方向、消失空间的优点。

4）借鉴浮体闸靠差压升降，翻板闸靠差压倾转，各跨可同步运用，免除隔墩，跨间侧封成功的原理、优点。

5）但鉴弧形闸门靠支臂转动使启闭力小的优点。

（二）基本构造

本闸坝的枢纽布置形式同一般闸坝（如图1所示）。活动闸体部分要适当分段，段间设隔墩；段又分几跨，跨间可不设隔墩。

基础工程为：对软基仅用钢筋混凝土围囹（填埋石砼，插基桩。）做基座，加基桩架安装V形固定筛栅并加折线形高压定向喷灌防渗墙（如图2、3所示）；对岩基可仅用锚筋混凝土基座与小支墩（如图4、5所示）。

各跨活动闸体用预制构件装配成。主要构件为：板块（可用上、下两根边梁加若干槽形条板拼装成，于边梁与条板肋梁的予留孔串插钢筋栓紧并可加予应力（如图8、9所示。）、支臂、连杆或牛腿（起连结与开口作用。）、筛梁（起分散水流与渗气消能作用。）、橡胶尼龙布（形成密封的充水室）、充排水系统设备（包括水泵机组设备、管路、阀掣、稳压装置等）。板块、支臂、牛腿、筛梁可用钢筋混凝土材料（可加予应力），连铰可用钢材或尼龙材料制成。

各跨活动闸体按升降型式分为充水升降与起吊升降两类。充水升降类闸体结构分为活动杩杈支架与充水体（连通充排水系统）两部份。充水体起挡水与操纵闸体升降运动作用，活动杩杈支架起加高挡水作用。活动杩杈支架由板块、支臂、连杆或牛腿、连铰组装成，按板块结构分为单板式、双板式、翻板式三类：单板式（如图22、23所示），于支臂上固装一板块（称上板）加连杆；双板式（如图24、25所示），除于支臂固装一上板外，还于上板下边铰装一活动板块（称中板）加牛腿；翻板式（如图26、27所示）用上板加装牛腿后铰连支臂。充水体结构有浮翻闸式与斜板橡胶坝式两种为：

1.于座底上铰连三板块（分别称翻板、下板、副板），加两侧端封片与板缝封片，做成密封的充水体，形成一种浮翻闸型（如图20、21）；

2.由副板与橡胶尼龙布（包括侧封布片及板缝封片）做成密封的斜板橡胶坝式充水体（如图18、19所示）。

各类充水体结合各杩杈支架构成如下系列：用浮翻闸式充水体加杩杈支架（通常用双板式）的称浮翻杩杈闸坝，宜用于十米以上坝高；用斜板橡胶坝式充水体加杩杈支架的称杩杈橡胶坝，其杩杈支架用双板式者称A型（图28、29），宜用于6－10米坝高），用翻板式者称B型（图30）（宜用于软基的6米以下坝高），用单板式者称C型（图31）（宜用于岩基的6米以下坝高）。坝系的杩杈支架与充水体藉牛腿或连杆连结成整体，但其上板或中板的底边仅与翻板或副板的顶边相贴而不相连，于闸体下降时逐渐分离，形成中口射流来排沙及与顶部溢流互击消能。若为软基，均于支臂上加装若干根筛梁做活动筛栅及于基桩架与支墩上安装筛梁做成V形固定筛栅来消能。

起吊升降类闸体结构分为杩杈式跨架与挡水板两部分。每个杩杈式跨架由一根立柱，一根斜撑、一根斜梁组装成，锚立于地基上或桩架上；挡水板装于跨架上，有固定板与活动闸门板两部分，活动闸门板为翻板式有上、下两页，藉连杆联动，装吊索与铰在来控制启闭，形成一种铪薄壁杩杈闸坝如图35、36所示。

各跨活动闸体的各板块两侧装止水橡胶防跨间漏水，各跨充水体分装事故隔离阀防止本跨充排水事故影响到邻跨。

为了检修各跨闸体，要设置一扇备用的折板式检修闸门（用三板块铰连，带调整定形钢索，加上、下游支臂扶持，加可充排水的浮箱，（如图32所示）。于检修某跨时，浮运到该跨，贴靠于检修跨的两邻跨的上游板面上封堵口门维持电站正常运行。

为了防止大体积源流物卡塞中口，要在库区适当断面设置拦河浮梗挂尼龙绳网阻截大体积漂浮物。

（三）工作原理

1.本系列活动闸体依靠各板块、支臂、橡胶尼龙布或铰车分别产生上升转矩功或下降转矩功总合形成升降，各转矩功及总合的计算可用普通力学方法。

2.活动闸体的铰车或充水室是升降动力主要源泉。充水室的经常工作压力为正常壅水位的水压力，变动充水室的充水量与压力便改变转矩功总合情况造成升降，可由充排水操作来控制水库水位与泄流量。

3.工程设计应力求正常壅水状态下，各上升转矩功的合值相当于（略大于）各下降转矩功的合值，使充水室的充排水变动有较高的升降灵敏度，或使铰车的启闭力最小。

4.在正常壅水高度状态，充水室的充水压力等于或小于正常壅水压力（必须大于临界值），各上升转矩功的合值略大于各下降转矩功的合值，即使有轻微漏水，用简单补水措施可保证维持正常壅水高度。

5.当充水室排水，降低充水压力小于临界值，使上升转矩功合值小于下降转矩功合值，则充水室下塌，并通过支腿或连杆拉下杩杈支架，产生顶部溢流与中口射流，直至闸体塌平为止。在塌平状态下，杩杈支架顶梁仍形成跌水产生一定的上升转矩功可抵消其自重的大部或全部，但充水室的下降转矩功足可保证杩杈支架塌平稳定；当此向充水室充水，可顶起充水室，并通过支腿或连杆顶起杩杈支架，直至正常壅水高度。

6.软基上的活动闸体下降时，顶部溢流大部从顶层筛栅上半部跌落，被分散掺气，再分出大部水流从底层固定筛栅上面流动，经顶层筛栅下半部出流形成水跃，少量水流在底层筛栅下跌，形成底部出流，此底流的流速较小，并有水垫作用，对河床软基的冲刷较小，可保证闸基防冲安全，又由于筛栅的梳顺水流作用，出流较快趋于平稳均匀；中口射流与溢流跌水互击，又有一定的消能作用，再被顶层筛栅阻挡，可避免产生远射冲刷软基；中口射流可以顺利排除闸后淤沙及漂流物保证杩杈支架塌平。

7.为了免除跨间的隔墩，全闸各跨活动闸体须同步运行。必要时允许各段分别运用泄洪。

（四）技术特性

1.活动闸体设计发扬了我国古代文化光辉－－都江堰杩杈的原理、并综合了当代较经济的水工结构－－浮体闸、翻板闸、橡胶坝、弧形闸门、筛网消能工等技术优点而避免了它们原有的缺点：

a），将部分水压力转化为支臂、下板或斜撑的轴向压力传于基础上造成支撑稳定如同都江堰杩杈；

b），用橡胶尼龙布造成密封的充水室、可消失空间，并改变水压力传递方向与产生升降力如同橡胶坝；

c），利用副板与下板的差压作用来升降闸体如同浮体闸；

d），利用翻板的差压转矩作用如同翻板闸；

e），杩杈支架的转动如同弧形闸门；

f），筛栅消能作用如同筛网消能工。

2.活动闸体兼具挡水、控泄、排淤、消能、增稳等多种功能，独特发挥以水力治水力。

3.结构简单，力系发挥折板与多支点作用，大大降低弯矩，用料甚省，可全用予制构件组装成，主要构件可用钢筋混凝土材料并加予应力，仍属轻型建筑，各构件尺寸与重量不大，容易运输、安装。

4.免除跨间的隔墩，基座宽度较小，基础工程简省。

5.靠充排水操纵闸体升降动用，免除昂贵的一般启闭设备。

6.软基上采用筛栅消能设施，可保证软基冲刷限度，挡水发电时允许单宽过流量达15秒立米以上（一般低水头水电站超过此值必全开塌平闸体停止发电，基本恢复原河床过水。），免除一般的消力池与护坦。

7.应用坝高可超过十米。

8.适用任何地基条件，特宜软基与地震区。

9.可在水中施工（钢筋混凝土围囹基座可浮运定位沉放，基桩可水中打下：锚筋混凝土基座与支墩可用围囹浇筑。），免除施工围堰与导流工程。

10.施工简易快速，全工期仅数月，洪、枯水期均可施工。

11.工程造价仅为现行闸坝的1／5－1／2。

12.运行可人工控制，灵活可靠，可顺利排除闸后淤积物与漂流物。

13.安全性高于现行闸坝：

a，遇小洪水使运行水头大于机组最小水头时，便全开活动闸体而塌平于水底，任何大洪水均基本恢复原河床过水，避免了任何大洪水对闸坝安全及上游迥水淹没的影响。

b，任何地质隐患、不均匀沉陷、地震等地质问题对闸体安全的影响较小。

c，采用较高的设计安全系数，可应付设计未料情况。

d，橡胶尼龙布经常高出下游水面，局部事故破裂容易及时修复。

e，单跨事故可及时使用检修备用闸门维持发电运行。

f，防空条件特优，空袭时隐藏于水下，炸毁局部不致酿成下游人为洪灾。容易修复使用。

14.检修容易，检修时仍可维持电站运行。

15.钢筋混凝土构件寿命不低于25年，橡胶尼龙布寿命不低于15年。

16.闸体拆除亦易，可重复用于它处。

（五）适用范围

1，可做中小河流水利水电工程的低水头拦河闸坝。

2，据适用软基、可水中施工、易装易拆的特性，可做大江河水利水电工程的施工围堰与反调节水库的闸坝。

3，据底宽小、支臂与下板的轴向压力有助坝体的稳定的特性，可做各种坝体的溢洪道闸门。

4，可以结合现有的平板闸门或弧形闸门的技改工程提高水库正常蓄水位与水头。

（六）经济效果与社会效果

1，本坝系结合应用整装机组与微型电算机控制运行等新技术，可使中小河流的低水头水电站工程造价大幅度降低，工期显著缩短，减轻淹没问题，使其技术经济指标从原用一般技术显著不利变为有利，促进近期开发它们来解决各地电力不足问题。

2，可为急需用电地区提供一舯应急水电站，即在其附近河段不管该处原来的梯级开发规划方案如何，先用本坝系予制构件与集装箱式机组快速组装成一座低水头水电站供电（全工期仅数月，如有淹地问题按长期租用处理。），待以后该处要正规开发时进行拆除移用它处，相当于列车式火电站作用。

3，可促进现有下游航运限制的水电站解决下游反调节问题实现充分调峰，提高调峰有效容量。

4，可促进现有的自由溢流式溢洪道增装闸门，及现有的平板闸门或弧形闸门进行技改，提高水库正常蓄水位增大有效库容及水头。

5.做施工围堰的好处为：

a，组装快速，缩短工期；

b，底宽小，缩短导流长度；

c，合龙容易；

d，遇超标准洪水可过水避免毁坏围堰与基坑。

e，完工后易拆除，可重复用于它处；

f，易利用围堰发电，做施工电源或提前发电生产。

本坝系与现行闸坝相比，有下列突出优越性：

1，应用坝高与普遍闸相当，比浮体闸、翻板闸、橡胶坝高得多。

2，结构简单，力系优越，独特发挥以水力治水力，充分发挥折板与多支点作用，材料设备特省，可用予制构件组装成。

3，可在水中施工，免去围堰与导流工程，施工简易，工期仅几个月，比现行闸坝工期（2～5年）短得多。

4，工程造价特别低廉，仅为现行闸坝的1／5～1／2。

5，闸体兼有多种功能，运行灵活可靠，安全性高于现行闸坝（不怕特大洪水，不怕不利地质问题，不怕淤塞，可应付设计未料情况，防空条件特好。）

6，适用范围更广泛，适应各地低水头开发条件，可做拦河闸坝、溢洪道闸门、施工围堰等，更宜做应急水电站。

下面结合对附图的说明给出实施例：

图1        闸坝枢纽平面布置图

图2        钢筋混凝土围囹平面图

图3        钢筋混凝土围囹剖面图

图4        锚筋混凝土基座平面图

图5        锚筋混凝土基座剖面图

图6        钢筋混凝土支臂平面图

图7        钢筋混凝土支臂剖面图

图8        拼装钢筋混凝土板块平面图

图9        拼装钢筋混凝土板块剖面图

图10        条形钢筋混凝土槽板平面图

图11        条形钢筋混凝土槽板剖面图

图12        边梁平面图

图13        边梁剖面图

图14        筛梁平面图

图15        筛梁剖面图

图16        牛腿平面图

图17        牛腿剖面图

图18        斜板橡胶坝充水体剖面图

图19        斜板橡胶坝充水体立面图

图20        浮翻闸式充水体剖面图

图21        浮翻闸式充水体立面图

图22        单板式杩杈支架侧面图

图23        单板式杩杈支架立面图

图24        双板式杩杈支架侧面图

图25        双板式杩杈支架立面图

图26        翻板式杩杈支架侧面图

图27        翻板式杩杈支架平面图

图28        杩杈橡胶坝A型侧面图（虚线为塌平位置）

图29        杩杈橡胶坝A型平面图

图30        杩杈橡胶坝B型侧面图

图31        杩杈橡胶坝C型侧面图

图32        浮翻杩杈坝侧面图（虚线为坝平位置）

图33        浮翻杩杈坝立面图

图34        折板式检修闸门侧面图

图35        簿壁杩杈闸坝侧面图

图36        簿壁杩杈闸坝立面图

（1）    活动闸体

（2）    支墩

（3）    隔墩

（4）    消能筛栅

（5）    水泵站

（6）    船闸室

（7）    集装箱式机组

（8）    岸墙

（9）    导墙

（10）    钢筋混凝土围囹壳体

（11）    后墙

（12）    插桩孔

（13）    充填埋石混凝土

（14）    折线形高压喷顶防渗墙

（15）    混凝土基座

（16）    锚筋

（17）    钢筋混凝土支臂

（18）    预留孔

（19）    条形钢筋混凝土槽板

（20）    边梁

（21）    插筋

（22）    牛腿

（23）    筛梁

（24）    翻板

（25）    下板

（26）    副板

（27）    橡胶尼龙布充水袋

（28）    充排水管路

（29）    上板

（30）    连杆

（31）    中板

（32）    基桩

（33）    基桩横梁

（34）    支墩横梁

（35）    支墩铰座

（36）    支臂连铰

（37）    牛腿铰座

（38）    牛腿连铰

（39）    中板连铰

（40）    连杆连铰

（41）    副板铰座

（42）    副板连铰

（43）    支臂横梁

（44）    支臂筛梁

（45）    水平筛梁

（46）    斜向筛梁

（47）    拉索

（48）    斜撑梁

（49）    立柱

（50）    底板

（51）    板桩墙

（52）    桥面

（53）    起吊装置（卷扬机）

实施例1：

杩杈橡胶坝A型（图28、29）。在底座（10）与支墩（2）上，分别安装底座座铰座（41）和支墩铰座（35）后，装上副板（26），接着将橡胶尼龙布充水袋（27）锚固于副板（26）与底座（10）上，并安装充排水管路（28）。

将上板（29）、中板（31）、至少两个牛腿（22）、至少二条支臂（17），至少二个支臂连铰（36）组装成双板式杩杈支架，吊装于支墩（2）的支墩铰座（35）上，再将牛腿连铰（38）连接于副板（26）的牛腿铰座（37）上，便成一跨活动闸体，相邻活动闸体间安装止水橡胶（54）。

在岸边建造水泵站（5），与充排水管路（28）连接成充排水系统。

在支臂（17）的下半部，安装至少二根支臂横梁（43），在支臂横梁（43）上，竖装至少二根支臂筛梁（44），做成活动筛栅。在支墩（2）前，垂直打下至少二根基桩（32），在基桩（32）上，安装至少二根基桩横梁（33），然后在底座（10）与基桩横梁（33）之间，安装至少二根水平筛梁（45），在水平筛梁（45）上，安装一根水平筛梁横梁（33），在支墩（2）上，安装一根支墩横梁（34），在（33）（34）之间，安装至少二根斜向筛梁（46），做成V形固定筛栅。由活动筛栅与V形固定筛栅合成消能筛栅（4）。

实施例2：

杩杈橡胶坝C型（图31）。其活动杩杈支架采用单板式，由上板（29）、支臂（17）、支臂连铰（36）、连杆（30）、连杆连铰（40）组成，其余同实施例1。

实施例3：

杩杈橡胶坝B型（图30）。其活动杩杈支架采用翻板式，由上板（29）、支臂（17）、支臂连铰（36）、牛腿（22）、牛腿连铰（38）组成，其余同实施例1。

实施例4：

浮翻杩杈坝（图32、33）。充水室由副板（26）、翻板（24）、下板（25）、侧封布（45）、板缝封片（46）组成以代替橡胶尼龙布充水袋。其余同实施例1。

实施例5：

铪簿臂杩杈闸坝（图35、36）。在每跨位置的河床上锚立一根立柱（49）、一根斜撑（17），在（49）（17）上架斜梁（48）做成杩杈式跨架。在相邻跨架间装固定板块（50），在中部位置铰装两块翻板式板块（31）（26），并加连杆（30），做成可启闭的活动闸门，在下闸板（26）顶端装吊索连铰车来控制启闭，以便来洪水时打开口门过流。若为软基，其消能装置同实施例1。

Claims (9)

1、活动杩杈闸坝，由底座(10或15)、支墩(2)、消能筛栅(4)、防渗墙(14)、活动闸体(1)组成，其特征在于：活动闸体由活动杩杈支架和充水室构成，或由杩杈式跨架与挡水板加起吊装置构成，消能筛栅由活动筛栅与“V”形固定筛栅构成，活动杩杈支架由板块(29)(31)、至少二条支臂(17)、至少二条牛腿(22)、至少二个支臂连铰(36)构成，充水室由副板(26)、翻板(24)、下板(25)、侧封片(45)、板缝封片(46)组装而成；消能筛栅(4)由安装于支臂(17)上和活动筛栅和安装于支墩(2)和基桩(33)上的“V”形固定筛栅构成；杩杈式跨架由立柱(29)、斜撑(17)、斜梁(48)组成；挡水板可固定或活动安装如(50)(31)(26)，为检修各跨活动闸体，另设置一扇折板式检修备用闸门。

2、根据权利要求1所述的闸坝，其特征在于充水室可以用锚固于副板（26）与底座（10或15）上的橡胶尼龙布充水袋（28）来代替翻板（24）、下板（25）、侧封片（45）和板缝封片（46）。

3、根据权利要求1或2所述的闸坝，其特征在于活动杩权支架为单板式，仅由上板（29）、支臂（17）、连杆（30）、支臂连铰（36）组成。

4、根据权利要求1或2所述的闸坝，其特征在于活动杩杈支架采用翻板式，仅由上板（29）、支臂（17）、支臂连铰（36）、牛腿连铰（37）组成。

5、根据权利要求1所述的闸坝，其特征在于仅用副板（26）、翻板（24）、下板（25）、侧封片（45）、板缝封片（46）组成。

6、根据权利要求1所述的闸坝，其特征在于采用固定的杩杈式跨架与挡水板及两片活动翻板（31，26）组成。

7、根据权利要求1所述的折板式检修备用闸门，其特征在于用三板块（29）（31）（26）铰连，与调整定形钢索（47），加上、下游支撑（48）（49）扶持。

8、根据权利要求1、2、3、4、5、6、7、所述的闸坝，其特征在于各板块可用至少二条槽形条板（19）和二根边梁（20）拼装串插钢筋栓紧而成。

9、根据权利要求8所述的板块，其特征在于边梁的钢筋与板块串插钢筋可加予应力。

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