水电站水力自控翻板门坝设计与运行检验

xx翻板门坝设计与运行检验摘要：结合xx水电站xx坝设计，介绍了滚轮连杆式水力自控翻板门的工作特性及其选型要领。同时，根据翻板门结构与构造建议选配硬壳底堰以提高翻板门的经济性和适用性，进而介绍硬壳底堰的构造要求和设计方法。最后，分析了翻板门的补气机理，首次提出了水力自控翻板门门后通气孔的简易设计公式。关键词：水力自控翻板门；泄流曲线；硬壳底堰；门后补气；xx水电站1引言xx水电站坐落于xx省xx县境内，是xx河（属xx水系）主要支流段xx九级开发之第七级水力发电工程。该电站为一小型径流水电站，发电装机2520kw，设计发电水头8.3m,设计引用流44.0m3/s。xx流域位于东经117°58ˊ～118°09ˊ，北纬29°20ˊ～29°33ˊ，流域面积774.80km2,其内山多林密，植被良好，气候温和，雨量充沛，多年平均降雨量1923.23mm、蒸发量968mm，坝址处多年平均流量21.40m3/s，设计洪峰流量（P=3.33%）2015m3/s，校核洪峰流量（P=0.5%）2778m3/s。由于xx县近年被列入全国历史文化与生态旅游县，为保护自然景观和避免裁弯取直导致部分河段出现季节性干涸，xx水电站别无选择地采用河床式开发方案。2坝型的选择xx水电站坝址上游为县域经济发达区，沿河两岸村庄良田众多，且地势均不高，其中距坝最近的村庄（坝前上游800m处）高出天然水面亦不过10m，为实现正常高水位尽可能地高但不淹上游文物——平渡堰，洪水位又尽可能地低以不淹村庄和少淹土地之目的，设计中遴选出弧形闸门结合连拱坝和混凝土硬壳梯形底堰水力自控翻板门坝2个方案。经各技术经济指标比较表明，后者投资少、且淹没损失也不多，故xx水电站的坝型选定为混凝土硬壳梯形底堰水力自控（滚轮连杆式）翻板门坝。翻板门选配水力自控翻板门由厂家负责翻板门各部件的设计、制作与安装，因此，作为翻板门坝工设计实际上是进行翻板门的合理选配，同时完成其底座——底堰或底板及坝上下游护岸的结构设计。3.1翻板门总长度的确定在xx水电站大坝设计中，经分析得知翻板门价格几乎同门高的平方成正比，而且门高大于3.5m时门价增幅尤为明显。因此，长坝配矮门有时较短坝配高门方案来得经济，于是，在地质等到条件变化不大的情况下，翻板门坝可选建于河面较宽之地段，以增加翻板门的总长度。河床式水电站尤然如此，因其厂房已占据一定的河床宽，xx水电站据此原则选择坝址，最终确定大坝上布置翻板门的长度为104m。3.2翻板门高度的选择翻板门的高度要通过水力试算来确定。众所周知，水力自控翻板门是利用水力和自重的作用自动启闭，一般可按力矩平衡方程式计算。过去仅有单铰和多铰翻板门，而单铰翻板门按某一定水位设计，启动后突然翻倒，设计时除考虑闸门的防振措施外，而且闸下游消能防冲应按溃坝情况进行水力计算[1]；从图3不难看出，滚轮连杆式翻板门革命性地将门翻转轴在单个或有限多个铰支座(窝)（长条波浪形凹凸固定支铰[2]）间跳跃改成了连在翻板门上的轮轨碾压着安在支墩上的直径约400mm的滚轮圆周作连续不断的、平顺无突变的运动（滚动，在某种意义上来讲，是滚轮不动、轮轨移动的滚动，这样便形成了沿着滚轮圆周作线位移的活动“铰”），也正是滚轮连杆式（连杆是为保持上述运动不脱轨而增加其侧向稳定的导向或固定结构）翻板门翻转“铰”轴的这种连续不断的和平顺无突变的运动（移动），适应了河水位的无穷变化，从而保证了滚轮连杆式翻板门启闭成为一个渐变的、平稳的、此消彼长的动态平衡过程之实现。水力自控翻板门有其独特的运行特性（见图1）：a.当河水位高于门顶高程0.1－0.3m时，翻板门开始翻启泄流；b.在翻板门达成全开前，门顶和门底同时泄流，且二者势均力敌，不可偏废；c.翻板门全开后已成近乎平悬在河中的一楔块（与水平夹角最小仅为10°），由于翻板门厚仅0.2～0.3m，对闸坝泄流阻碍不大，过闸水流已完全变成堰流。因此，翻板门全开前后要分别按不同的流量公式计算其下泄流量。即：翻板门全开前，因门顶为薄壁堰溢流[3]、门底为闸孔出流，故闸坝泄量为二者之和[4]，可表示为Q=Q堰＋Q孔Q堰＝σsmbHv3/2Q孔＝μbe翻板门全开后的泄量计算公式[5]为Q＝ησsmbH3/2上述公式中：σs为淹没系数，可根据翻板门底堰的水流淹没程度在0.4～1.00间取值；m流量系数，当门未全开时可按薄壁堰形、通过巴生公式或雷克公式计取，而在门全后若翻板门设底堰且截面为梯形时则按其形状与尺寸查直线形实用断面堰的流量系数表格可取m＝0.33～0.40(xx翻板门坝取m＝0.35)；μ为底孔流量系数；b为门扇宽；Hv为门顶过水深；e为门底出流孔口高度；η为考虑翻板门全开时其近乎平悬在水流中对泄流有影响之折减系数（包括侧收缩系数ε），原则上由水工模型实验确定，无实验资料时一般可取0.93－0.95（门高时取大值，门矮时取小值）;H为堰上水头，g为重力加速度。由于翻板门全前后分别按不同流量公式计算其下泄量，即翻板门全开前，其下泄流量不仅是门前水位的函数而且还与翻板门开度成正比，为了直观起见，现列出厂家提供的门高h＝3.5m，宽b＝8m规格的运行特征值如表1，以显示翻板门该运行特性之变化趋势；翻板门全开后，其下泄流量仅随门前水位的变化而变化。涨水时当河水位高于门顶高程0.1－0.3m时，翻板门开始翻启泄流，但门前水位随着河道中来水流量的不断增大而升高，反过来，翻板门的下泄流量又随着门前水位的上涨而增大，这是一动态平衡，而且门开度增加总滞后于河水来量表1计算运行特征值表Table1:Calculatedcharacteristicvalueofoperation门扇尺寸：h×b＝3.5×8m开度开度a特征值类别051530456080H3.503.784.014.224.304.20Hv0.000.1470.1810.2730.4350.590e0.000.1240.3830.7911.2131.6432.226的增加。因此，翻板门门前水位～下泄流量曲线在河道开始涨水时呈上升趋势，当翻板门与水平夹角等于45○时，翻板门门前水位～下泄量曲线开始转为下降，这是因为从此开始，翻板门挡水功能开始逐渐退出，其泄流能力因过坝（堰）水流流态逐渐向全堰流转变而陡增所致的暂时现象。翻板全开后，随着来水流量的继续增大，下泄流量也将随之增大，则该曲线开始龙抬头地单调上升而不再反复。退水期，当下泄流量较大门全开状态即不存在开度变化时，随着来水减少门前水位单调下降即沿涨水曲线回复，但当河水流量小到其需下泄流量不足门全开时最小下泄量后，又因翻板门开度减少滞后于河水来水减少，而造成某河水位下翻板门实际泄量大于变小了河道中需下泄之流量，所以这时翻板门门前水位随着河水来量的减少而降低，而翻板门也将随着门前水位的降低而开始关闭，但该退水曲线可就不重蹈涨水曲线而另辟蹊径了。随着翻板门的逐渐关闭并至一定开度后，其挡水效应也随之显著加强，门前水位便将逐渐壅高。同时，翻板门随着河水来量的进一步减少而继续关闭，于是，门前水位也将逐渐升高直至正常高水位，至此，翻板门完全关闭，开始正常挡水。经计算,xx水电站翻板门的门前水位与下泄流量关系曲线见图2。可见其并非是一条单调的连续曲线，而是由前后两段（严格地讲，是三段，即还应包括翻板门开启前仅门顶溢流之极短一小段，因绘出图来都很难辩分，故不单列）不同的曲线所组成，而且在翻板门全开点前的关系曲线为不可逆，涨水曲线和退水曲线形成闭合回路形式。从图2不难看出,门前水位有一先高后低然后又重新涨高起来之变化过程，同时它还有两个显著特点，其一是该xx先高之峰值泄流量一般不大；其二是翻板门越高其xx先高之峰值越大。由于工程核准淹没土地标准的洪水流量一般较大，大坝宣泄该频率来水之需下泄流量（可通过调洪计算求得，若门不高且水库为滞洪能力极小的纯河槽时,为简化计算亦可偏安全地直接用洪峰流量代之）时翻板门已全开，应使按全开状况计算出其相应的门前水位不低于上述先高峰值，否则，门高还可选择小者，因为此时确定土地淹没与否的最高水位不是宣泄核准淹没土地标准相应需下泄流量而是通过较小流量时门前水位（即上述先高峰值），这样所选的翻板门其泄流量限水位的能力未充分挖掘出来。当然，若按上述原则合理选定门高后的翻板门坝宣泄核淹人口标准洪水(之相应需下泄流量)时其坝上游回水位高于设计限制水位时的，却又当别论了。xx大坝在已确定的正常高水位90.60m（该水位一般由上下梯级衔接等水能计算拟定）及坝址河谷宽度的情况下，根据翻板门全开前坝上游最高水位等于核准淹没土地水位及当来水为核准淹没人口频率洪水时其坝上游水位又不高于不淹或限淹村庄高程等边界条件,经多方比较反复试算后综合选定该坝的翻板门为13扇，每扇门宽8.0m，门高3.5m，大坝全长104m。4底堰设计水力自控翻板门一则由于其“活动”性而具有较同高固定堰更高的造价；二则因其定型产品门高一般不大于5m。因此，大多数水力自控翻板门坝均设有底堰。4.1底堰的截面形状由于水力自控翻板门是通过2个长条形的支墩支承在底堰上的。因此，水力自控翻板门底堰其不仅要满足抗滑稳定之需要，而且还应保证其顶宽不小于厂家所提出的最小尺寸，以满足水力自控翻板门安装与运行之要求。譬如浙江衢州河江水力自控翻板门制造厂要求：当翻板门高2.5m时其底堰顶宽不小于4.5m，而当翻板门高4.5m时底堰顶宽却应不小于6.4m。这就决定了水力自控翻板门的底堰不可能设计成驼峰堰或曲线形实用堰，故而一般均采用梯形截面。4.2底堰的结构及其构造由于翻板门底堰一般采用梯形截面，且有用于满足安门要求之宽堰顶，另外，坝体抗滑稳定和坝面泄流顺畅等又要求底堰有一定的下游边坡（1:0.6～1.0）和反弧鼻坎（若选择面流或挑流消能方式）。因此，水力自控翻板门底堰截面将比较大，若将其作成混凝土或圬工实心坝会因其内应力极小（翻板门底堰坝高一般较小），而使坝体材料强度得不到充分发挥，这无疑是不合理不经济的。为既保障水力自控翻板门之构造要求，又充分节省工程量，其底堰可采用混凝土硬壳或圬工硬壳（即壳内填筑砂砾或碎石）。因为，水力自控翻板门每扇宽度一般为6～9m，而且每扇门有两个支墩，为了支承和锚固其支墩，自然应按每扇门支墩的位置修筑隔墙(该隔墙与硬壳坝倾于设隔墙，且其间距宜采用6m以下[6]之发展方向相吻合)，因此这样隔墙间距一般不大。为此，水力自控翻板门底堰完全还可做成空腹式，即壳内干脆不填料。这种硬壳底堰由于外荷内应力极小一般可不配受力筋.但为适应残存温度应力，防止硬壳开裂,可沿硬壳外表面选配Φ8～Φ12@250×250mm的钢筋网，这同时也有利于提高底堰表面的防冲刷。另外，翻板门支墩预留槽下游侧硬壳混凝土中应布置数根Φ20～25的弯起钢筋，以增强该预留槽后混凝土硬壳的抗剪强度和抗冲出能力。由于水力自控翻板门硬壳底堰渗径短，若建造软基上需设置铺盖或其它防渗设施；若建造在岩基上，不仅可不设上游铺盖，还可不设底板。但上游面坝踵应伸齿墙入基岩，其深度也应使水流渗过该齿墙的水力梯度不大于所在基岩的允许渗透坡降，一般不小于1.00m；下游坝址也应嵌入岩基至少0.5m。这样，建造于岩基上不设底板的翻板门硬壳底堰有如下优点：a、底堰扬压力很小（因排水顺畅），抗滑稳定性好；b、因其纵向抗滑稳定无需巨大的自重，同时还可根据受力状况调整其结构形状（如做成微拱内缘等），因此可充分利用和发挥堰体材料的强度；b、硬壳堰原本就是一空间、超静定结构，外加隔墙的间距较小，所以，其侧向稳定性好。4.3底堰结构简化计算方法因翻板门的硬壳底堰是一空间结构，严格地讲要进行有限元分析，但这很繁复，本文考虑到翻板门硬壳底堰一般不高，可根据理论力学、常用材料力学、水工钢筋混凝土和钢筋混凝土结构学的基本原理，作些假设提出简易的计算方法以满足工程设计的实用需要[7]。4.3.1整体稳定分析有底板的硬壳底堰，其整体稳定分析与实体堰方法无异，只是在具体的计（验）算中因空腹排水的顺畅（底板设排水孔通入坝体空腔中），其基底的扬压力取值将大为降低。对于建在基岩上无底板硬壳堰，进行稳定分析时要考察沿隔墙和堰趾的底面并切割堰趾踵齿墙滑动的组合面，这时腹中填料对堰体抗滑稳定的作用主要是它们对上下游硬壳内缘面的主动压力差（因上游硬壳内缘高大于下游者），另外空腹可以很好做排水，而使堰体扬压力很小。xx水电站翻板门坝的扬压力参考宽缝重力坝扬压分布图取值，即在实际计算坝体渗透压力时，上游面为ν水△H，坝踵齿墙后侧处为αν水△H，在坝趾处为0，其中渗透压力系数取α=0.4；ν水为水的容重；△H为坝上下游位差值。并选隔墙建基面（偏安全地不计坝趾踵齿墙后岩体被剪切之抗力）按斜面摩擦公式计出坝体抗滑稳定安全系数为：基本组合K=1.09;特殊组合K=1.02(考虑空腹排出水管堵塞的可能,即不计空腹排水减压作用)，满足规范之安全要求。4.3.2结构强度简化计（验）算水力自控翻板门硬壳底堰为一箱型结构，为简化计算，可将硬壳近似地看作曲折成梯形的上底和两腰三组平面(见图3),而且可认为横隔墙在其自身平面内刚度极大，因此,隔墙在其自身平面内不发生变形和位移[8]（在垂直于隔墙的平面内，因为其墙厚较大且没有垂直于墙面之不平衡荷载作用也不会发生变形），因而连结在横隔墙上的该三组硬壳（板）自然不会在其自身平面内（其刚度同样也可认为极大）发生变形与位移。这样就可将硬壳底堰结构分析这空间问题转化成平面问题，即仅考虑硬壳在内外水压力、泥砂或内填料的侧压力等荷载直接作用下的局部弯曲（垂直于其自身平面）便可。因此，硬壳板的结构强度计算方法便极为相似于工民建中的楼盖了。硬壳板段左右支承在横隔墙上，除边跨第一支座作简支外其余均可按固端处理，前后（上下）支座在坝基上或硬壳板段互为支座，故均可按固端考虑。若底堰设有底板的，则该底板如倒置的楼盖或片筏基础一样承受基底反力的作用进而计算之。结构计算出内力数值后，再按混凝土或少筋混凝土结构验算其安全度或配筋，受力筋还可与前述的温度筋一并配置。由于硬壳厚度按整体稳定和前述构造要求确定，一般较大，因此，硬壳作为板，均能满足斜截面抗剪强度要求，设计时可不进行抗剪验算[9]，但在堰体与河床交界面（即图3中A-A截面）等特征截面上与隔墙一道进行抗剪验算除外。而横隔墙仅作局部受压和抗剪验算即可。如验算水力翻板门支墩基座面（底面和后侧面）的受压和支墩基座后侧横隔墙体楔块被冲出的抗剪强度等。当然，为精确起见，还可像工民建中的剪力墙一样按等效抗剪刚度理论计（验）算横隔墙在水平水压力作用下的内力与位移，但横隔墙一般无需整体配筋。4.4xx水电站翻板门底堰结构按上述原则确定xx翻板门底堰为梯形截面，其顶宽8.0m，底宽13.42m。堰体为C15混凝土多隔墙式硬壳坝结构，在翻板门墩下设1.2m宽的隔墙，间距为4.4m和3.6m相间,而硬壳上游段（上游坝面）坡比1：0，下游段坡比1：1，末端设挑流鼻坎，面流消能，鼻坎倾角q=0o,鼻坎高h=2.1m。硬壳厚1.0m，且硬壳内侧成微弯拱状，以改善其受力状况，为了抗剪切、抗温度应力或防冲，上游段硬壳内外表层各设Ф12@200(竖)和Ф8@200(横)的钢筋网,其余部分仅外表层设竖横Ф8@200钢筋网。另翻板门每座支墩预留槽下游侧硬壳混凝土中均配了4Φ20的抗剪抗冲出的弯起钢筋。堰踵深入弱风化岩基2.0m，堰址切入1.0m,隔墙建基面前接堰踵底后齐堰址底，设计成4.26o的倒坡，但实际施工中改为与堰址底齐平的平坡，以保护堰踵作为截取水齿墙的完整性。硬壳腹腔内填筑级配良好的大径砂砾,其干容重νd≥19KN/M3，详见图3。为了冲砂和放空，xx大坝设了两孔底孔闸，安于紧挨厂房两扇翻板门下，利用每扇翻板门支墩下隔墙间空腹作泄孔，其孔口尺寸为3.2×4.1（宽×高），为了弥补因空洞所减轻的重量而保证有足够的抗滑稳定能力，将底闸两侧隔墙连同底板向上游延伸2.0m，正好安设检修闸门并做锥形导水墩。同时，为了避免其闸门后出现负压，设计中布置了许多补气孔和补水孔。5门后补气设计从图1中不难看出，翻板门翻启泄流时其背后存在着一三角空间，其内空气将被上下相夹的两股快速水流挟带而去，因此形成真空，这势必会使门叶受力剧增、泄水流态紊乱，进而成翻板门的振动和空蚀破坏。因此翻板门存在着门后需补气的问题，由于众多的翻板门是一字排列的，故翻板门泄流时门顶、底两股水流在门背后所形成的三角空穴区沿坝轴线方向实际上贯通的，天然地成为了补气的通道，尽管其中支墩林立但仍不能将其隔断。因为支墩不仅短小未封闭该三角断面，而且支墩和门肋上还存在着许多为方便旋转螺帽(用以固定滚动转轮，如图3所示)而设的孔洞（当然也可在支墩上专设通气孔洞），此外，由于滚动转轮的缘故，支墩与门叶间存在着巨大的空隙。因此，每座水力自控翻板门坝仅在两端岸墙上各设置1通气孔弯出岸墙侧面通向翻板门后三角空穴区（通气孔弯出口应注意高出底堰顶面一定高度并调准位置以免被底孔出流淹没而失效）即可。通气孔设计应按门后三角区完全被淹没前最不利状况考虑，通气孔截面大小则决定通气量和允许风速,参考泄水隧洞中的工作闸门和事故门后通气孔设计的经验公式[10]，可引伸出水力自控翻板门通气孔通气量的计算公式为：Ｑa翻＝0.045Q全开，a≥Qa翻／[Va]式中:Ｑa翻为翻板门坝单侧通气的通气量；Ｑ全开为翻板门全开时整个翻板门坝的泄水流量（此为需补气的最大流量，因为翻板门全开启后，门后空穴区消失，补气问题将不再存在）；[Va]为通气孔的允许风速，一般不超过40～45m/s；a为通气孔的断面