水力自控翻板闸门技术的特点以及应用中存在的问题和主要对策

水力自控翻板闸门技术的特点以及应用中存在的问题和主要对策仁化县小水电资源丰富,其中大部分中、高水头的小水电资源已被开发利用,进入二十一世纪后,我县低水头电站开发已进入了高峰期。

由于水力自控翻板闸门能在汛期水位高时,自动开启泄洪;洪水过后水位下降时,闸门及时自动复归关闭,较大程度地抬高上游水位,提高水资源的利用率;并还具有淹地少、投资省、工期短、见效快、效益高等优点。

因此,不但新建的水电站广泛使用水力自控翻板闸门技术,而且在对早期兴建的低水头水电站进行增容改造时,也普遍采用水力自控翻板闸门技术。

为了更好地应用水力自控翻板闸门技术,下面笔者就目前水力自控翻板闸门技术的特点和设计理论,以及我县在水力自控翻板闸门技术应用中存在的问题和主要对策谈一谈自己粗浅的见解。

1水力自控翻板闸门的特点水力自控翻板闸门利用水力和闸门重量平衡的原理,增设阴尼反馈系统,达到随着上游水位升高自动逐渐开启闸门泄流、上游水位下降自动逐渐关闭闸门蓄水的目的,使上游水位始终保持在要求的范围内。

水力自控翻板闸门主要有以下的特点:1.1结构简单,操作方便。

水力自控翻板闸门与一般钢平板闸门相比,无需机电设备及专人操纵泄流,且泄洪准确及时,能节省人力、物力;借助水位的升高,水压力的增大,逐渐自行开启闸门过流,保持蓄水位不变;当闸门全部打开时,河床泄流状况与天然河床相差无几,当水位降低时,闸门逐渐关闭蓄水,因此使用更方便。

1.2运行安全,经济实用。

由于水力自控翻板闸门能准确自动调控水位,运行时稳定性良好,管理安全、方便、省时、省力。

水力自控翻板闸门的门体为预制钢筋混凝土结构,仅支承部分为金属结构,投资为常规闸门的1/2左右。

因此,施工简便、造价低廉,且维修方便,节省费用。

2水力自控翻板闸门的设计理论2.1翻板闸门的规格及其选配水力自控翻板门一般按定型设计生产,翻板门每扇均设两个支墩,其位置按门板正负弯矩大致相等之原则设在距门边0.222门宽处,翻板门通过支墩安装在底板或底堰上。

水力自控翻板门实行生产许可证制度,厂家负责水力自控翻板门各部件的设计,制作与安装,因此,作为翻板门坝和水工设计实际上如何进行翻板门的合理选配,同时完成其基座-底堰或底板及坝上下游护岸的结构设计。

如何合理地选配翻板门呢?其原则不外乎是安全经济。

众所周知,水力自控翻板门由于其“活动性”,相对于同高的固定坝型其造价较高,而且,单位面积门价按大于一次方关系随门高递增,因此,水工设计人员首先选择知名厂家生产的产品,然后综合工程造价,淹没损失等诸多因素择优选定翻板门的型号(主要是门高)和数量。

其中,合理地选择门高是降低翻板门坝造价的关键。

为了有效地降低洪水淹没高度及其损失,同时又不至于选择太高的翻板门,有时翻板门坝往往选建在河面较宽的地段,若其配建河床式电站时尤然如此,因其厂房已占据一定的河床宽。

由于翻板门坝总的一般都不高,工程实践表明,长坝配矮门有时会比矮坝配高门方案经济。

从翻板门的运行特性可知,门前水位有先高后低(当然最后又重新涨高起来)之现象,而且它有两个显著的特点,其一是该壅水先高之峰值处翻板门泄流量一般不大;其二是翻板门越高其壅水先高之峰值越大。

由于工程核淹土款子标准的洪水流量一般较大,大坝常渲泄时翻板门已全开,按几近不考虑翻板门存在的堰流公式计算出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渲泄核淹土地标准洪水流量而是通过较小流量时门前水位,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渲泄核淹人口标准水时,坝上游回水位高于设计限制水位时的,却又另当别论了。

2.2门前水位—下泄流量关系曲线的形状与绘制水力自控翻板门全开前,翻板门门顶,门底同时泄流,且二者势均力敌,不可偏废;全开后,翻板门已翻转成一近乎平悬在河中的一楔块(与水平夹角仅为10°),此时过闸水流已变成一完全意义上的堰流,由于翻板门厚0.2～0.3m,对闸坝泄流阻碍不大,完全可以先按不考虑翻板门存在之状况来计算,然后适当作一定折减便可求得其下泄流量。

因此,翻板门全开后,其泄水能力可按实用堰公式(η为泄流量折减系数,由水工模型实验确定,无实资料时一般可取0.93-0.95)计算,因支墩薄而低,尺寸极小,一般淹没水中,故可不考虑侧收缩问题。

而翻板门刚开始翻转时,门顶为薄壁堰溢流,门底为闸孔出流,它们的泄流分式分别为和Q孔=μbe。

因此,翻板门全开前总的下泄流量计算公式为Q=Q堰+Q孔。

由于翻板门全开前后分别按不同流量公式计算其下泄流量,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,翻板门全开后,其下泄流量仅随门前水位的变化而变化。

因此,翻板门门前水位—下泄流量关系并非一单调连续曲线,而是由前后两段不同的曲线所组成,而且翻板门全开前,该曲线不可逆,即涨退水曲线成一闭合回路,即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,翻板门挡水功能逐渐退出,其泄流能力过坝水流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,该曲线开始龙抬头地单调上升而不再反复。

退水期,当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,但当河水流量小到门全开时最小泄量后,又因翻板门开度减少滞后于河水来量减少,而造成某河水位下翻板门实际泄量大于变小了河道来水流量,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,于量,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,正常挡水。

2.3底堰设计大多数水力自控翻板门坝均设有底堰,如何经济合理地设计一个底堰对合理选择门高,提高整个翻板门闸坝的经济与适应性有重要的作用。

2.3.1底堰的一般形状水力自控翻板门俗称活动坝,其挡水面板通过两长条形的支墩支承在底堰上。

因此,水力自控翻板门底堰其不仅要满足抗滑稳定的需要,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。

由此,水力自控翻板门底堰一般均采用梯形截面。

2.3.2底堰的结构及其构造由于翻板门底堰一般采用梯形截面,而且安装要求较宽的堰顶,另外,坝体抗滑稳定和坝面泄流顺畅等均要求底堰有一定的下游边坡(1:0.6～1.0)和反弧鼻坎(面流或挑流的消能方式)。

因此,水力自控翻板门底堰截面将较为庞大,为既保障水力自控翻板门之构造要求,又充分节省工程量,其底堰可采用砼硬壳或圬工硬壳(即壳内填筑砂砾或碎石),还可做成空腹式,即壳内干脆不填料。

由于硬壳坝渗径短,故其在软基上时应,在坝体的上游面设置粘土铺盖防渗,铺盖长为3～5倍水头,平均厚度不少于 1.0m,紧挨上游坝踵处可增至 1.5m,下游坝址以下应设排水反滤层。

水力自控翻板门硬壳底堰若建在岩基上,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水不大于所在基岩的允许渗透坡降(有关规范规定强风化岩层允许渗透坡降为3～5,弱风化岩层为5～10,新鲜岩层≥10),但一般不小于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不仅造价低廉,而且技术合理。

2.3.3底堰结构简化计算方法水力自控翻板门底堰结构计算可分其结构强度计(验)算和整体稳定分析两方面。

而翻板门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,因此,水工结构界对此未建立起成熟简便的计算模式。

考虑到翻板门硬壳底堰一般不高,根据理论力学,水工钢筋混凝土和钢筋混凝土结构学的基本原理,作些假设试图提出其简易的计算方法以满足工程设计的需要。

2.4门后补气翻板门开启泄流时其背后存在着一个三角空间,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,翻板门存在着一个门后补气的问题,即在两端岸墙上各设置一个通气孔弯出墙侧面通向翻板门后三角空穴便可。

3应用中存在的问题我县低水头电站已广泛采用了水力自控翻板闸门技术,在具体的运用中存在如下问题:3.1设计上存在误区,对水力自控翻板闸门的过水机理、运行特性不了解以及片面夸大泄洪能力而产生的问题。

3.1.1水力自控翻板闸门过水机理的复杂性,使得闸坝的泄洪计算不能客观反映闸门的泄洪能力。

众所周知,所有的闸门在开启泄流都存在着半开和全开两种状况,一般闸门全开前后均仅有开度大小之量变而没有流态之质变,因此,其泄流计算公式始终如一,但水力自控翻板门就不同了,因为其全开前,翻板门门顶、门底同时泄流,且二者势均力敌,不可偏废;全开后翻板门已翻成一近乎平悬在河中的一楔块,此时过水闸门水流已变成一完全意义上的堰流。

由于水力自控翻板闸过水机理的复杂性,也使得泄洪计算相对也复杂起来,在实际计算中,有的仅理解全开前闸门的过水机理,有的片面地理解成全开后的过水机理,因此使得泄洪计算结果迥然不同,不能给电站闸门泄洪能力一个客观正确的反映。

3.1.2水力自控翻板闸门运行特性的不了解,致使闸门规格选择不合理。

由于电站建设中,按常规大坝建设往往选择在河面较窄的地段,这样虽然在一定程度上节省了闸坝的工程量,减少了投资,但为渲泄核淹人口标准洪水时就必然要选择门高较高的闸门,根据翻板闸的运行特点可知壅水先高之峰值处翻板泄量一般不大,翻板门越高其壅水先高之峰值就越大,因此,由于选用了门高较高的翻板,就必然产生两种情况:一是最高水位不是渲泄核淹土地标准洪水流量而是通过较小流量时的门前水位;二是洪水没有达到相应设计洪水标准时,洪水位已达到甚至超过了设计洪水位标准。

这样使得电站在小于洪水标准的洪水中已产生了较大的淹没,给上游埋下了安全隐患,而且由于这种隐患不易发现,也很难从理论上得到论证,因此,使得电站和当地工农关系紧张。

3.1.3水力自控翻板闸门的泄洪能力被片面夸大,使得电站水位选择原则不合理。

电站为追求经济效益,在水位选择时往往片面夸大水力自控翻板闸门的泄洪能力,更有甚者,为抬高上游水位,不考虑电站上游水位的抬高对两岸地下水位的影响,给两岸作物的生长产生了极大的不利影响。

另一方面,部分挖潜改造的电站,为节省投资,在正常水位的确定时只要求大坝改造成水力自控翻板闸坝后各相应水位不抬高就行了,而实际上,电站大坝改造前就已存在对上游的淹没现象,改造时没能利用水力自控翻板闸对泄洪的有利作用加以改善对上游的淹没损失,一旦河道过流条件改变,必须会产生新的问题,产生很大的淹没损失,因此工农纠纷不断,举证困难。