羊公河橡胶坝控制系统

羊公河整治工程
橡胶坝（景观坝）控制系统
1.充、坍坝时间的拟定
羊公河为山区河流，要求突发洪水时及时坍坝，以保证坝顶溢流水深不超过规定水深0.9m，避免坝袋超压运行损坏，同时，降低库区水位，确保城区防洪安全。

根据已建橡胶坝工程设计取值情况：充坝时间2-3ｈ、坍坝时间1-2ｈ，因此，本工程初选充坝时间2ｈ、坍坝时间1ｈ左右.
2.充排水方式
羊公河水源充足，能够满足充坝所需水源，故采用在坝前库内集水池中直接取水。

集水池长2ｍ*宽1.5ｍ*深2ｍ，集水池水源来自长15ｍ*深1.2ｍ*宽1ｍ的集水廊道，集水池和集水廊道上部设置盖板，以防止砂卵石进入，集水池两端设置闸门槽，便于运行中检修和清淤集水池。

坝袋的充排水方式采用混合式。

即：充坝采用水泵来完成；坍坝，在一般情况下，先用坝袋与下游的水头差自然坍塌到一定程度后，再由水泵来完成，在紧急状态下，直接用水泵来完成。

充排水方式详见充排水简图。

3.充排水管的选择
为节约投资，充、排水水管除在泵房、水泵吸水管、大坝分缝、出水口等处采用钢管以外，一般采铸铁管。

由于采用混合充排水方式，因此，吸水管即充水管，吸水管流速成为选择水管直径的控制条件，根据水泵管径计算公式：
D＝[4Q/(πv)]1/2
式中：Q----水管中流量，水泵支管取806 m3/s，即要求坝袋水体806m3在规定的1h排完。

ｖ---水管中的流速，取2ｍ/S左右
管壁厚度根据以下公式计算:
δ=［Pd/(2.3R允ψ-P)］+C
式中Ｐ——管道压力，取1kg/cm2
d——管道内直径
R允——许用计算应力,取1400kg/cm2
ψ——焊接强度系数，取0.9;
C——腐蚀增量,取3mm
则钢管主管和支管的流速、管径和壁厚见下表：
4.管道水力计算
管道水头损失计算分电动充水、电动排水和自然排水三种情况，采取分段计算的方法，用经验公式计算。

即
C＝（1/ｎ）R1/6
λ=8ｇ/C2
ｈ＝(λL/d + ζ)v2/2g
式中：λ-----沿程阻力系数
ｎ-----管道糙率，取0.0125
C -----谢才系数
L -----管道长度
ｄ-----管道直径
ζ-----局部水头损失系数
v -----水的流速
橡胶坝充排水管网水头损失计算表
各水管段、在不同工作方式和不同流量时的水头损失计算情况详见上表。

5.水泵选型
根据水泵流量Q = V/nt
水泵扬程H B= Z1+Z2+h
式中：V-----坝袋充水容积，取2*806m3；
n ----- 水泵台数，取2台；
t ------充坝或坍坝所需的最短时间，取充坝时间1h，坍坝时间2h；
Z1----- 水泵出水口高程：在充水时，Z1=αH1+Z3；α为坝袋内压比，取1.3；H1为坝高，取3m；Z3为底板高程100.5m。

在排水时，Z1取值100.5m。

Z2-----水泵吸水管最低水位，取100.5m；
ｈ-----水管的水头损失。

根据以上公式，选择水泵的限制条件为：
在电动充水状态时，流量Q在400 m3/s左右，扬程大于5.5m；在电动排水状态时，流量Q在800 m3/s左右，扬程大于8.7m的水泵。

查《水泵手册》，选择水泵的型号为：
250HW---8，配Y180M---4型18.5kw的电动机
该型号水泵在扬程9.6、8.0、6.0m时，流量分别为407、540、648 m3/h，相应的效率为77%、84%、76%。

绘制水泵的H B~Q B关系曲线与充排水管管路特性曲线如下图所示：
从图中可以看出，水泵H B~Q B关系曲线与充满水时的充水管路曲线、与坝高与排水出口水位落差在1m时的排水管路曲线分别相交于A和B点，此即水泵在上述情况下的工作点，相应的流量和扬程分别为580 m3/h、7.3m和690 m3/h、5.2m。

从上图中的自然排水管路特性曲线和短管淹没出流公式：
Q = μc A(2 g Z)1/2
可以看出,坝高在3m时，自由出口流量为740 m3/h，坝高在1.5m 时，自由出口流量为570 m3/h，因此，在一般情况下坍坝时，宜先利用其本身的落差坍坝到1.5~1m时，再电动排完余水。

初步估算的充排水时间为：
电动充水时间：1.25h
电动排水时间：1.11h
自然排水时间：1.7h
因此，充排水系统设计能够满足充排水时间的要求。

水泵的安装高程：
Z安≤Z2 + [ H S] ＿(v12/2g + h吸)
式中：[ H S] -----水泵允许吸出高度，取4m；
v1 ------水泵吸入口的平均流速，取4.25m/s
h吸------吸水管路水头损失，取排水时排水流量为750 m3/h
时的管路损失3.5m。

计算得出Z安≤101+4.0–(3.5+0.92)=100.58m，取安装高程100m，则泵房的地面高程为99.585m。

6.安全与观测设备
1、安全设备设置
为防止坝袋超压运行，在坝袋两端的两岸连墩及中墩上均设置DN350的安全溢流管，出口高程104.2M，并采用鸭嘴式橡胶缓闭逆止阀防止洪水倒灌。

设置自动电动坍坝装置，实现在突发洪水时的自动坍坝。

2、观测装置设置
设置上游水位、坝袋顶部与底部的水位压差两个压力观测装置。

分别采用压力传感器和压差传感器实现，在泵房配置相应的压力显示仪表，实现控制触点输出、显示坝袋和水库水位。

7.电气控制系统
1、一次接线
采用单母线接线。

采用电缆将羊公河三桥下游150m处的公用变压器处的电源引入，进线及到电动机馈线均采用自动空气开关，作为短路、过载的保护。

水泵采用Y/△起动器、闸门和闸阀采用交流接触器，作为电机主控元件，实现对电机的控制。

进线配置相应的计量仪表。

2、控制原理
按常规方式进行控制设计。

⑴、坍坝控制
当水库水位大于设定上限（高程104m），且坝袋底顶部压差也在大于设定上限时(1m)，控制系统则进入自动坍坝状态：在报警约5mm 钟后，开启和关闭相应闸阀，先进行自流塌坝，当自流塌坝到一定时间(40min)或者坝袋下降到一定的高度(1m)时，则进行电动塌坝，启动水泵排完坝袋余水。

当坝袋下降到最底（10cm）高度时，水泵停止。

⑵、充坝控制
当水库水位低于相应的设定值(0.6m或2m)时，坝袋底部和顶部的压差也在低于相应的设定值(分别对应为0.1m、1.5m)时，控制系统则进入自动充坝状态：在预警约5分钟后，开启和关闭相应闸阀，启动水泵充坝。

当坝袋压差达到最高设定值(2.5m)时，水泵停止。

⑶、设置泵阀联控装置
在启动水泵时，先开水泵后，再开水泵出水阀门；停止水泵时，先关水泵出水阀门后，再停止水泵。

⑷设置手动、自动控制方式
采用转换开关，实现充排水、水泵、闸阀和闸门控制的手动和自动转换。

手动方式一般在调试试车和应急时用，自动控制状态为橡胶坝的一般情况下正常工作时的状态。

8.设备布置
水泵及闸阀均布置在充排水设备井底层内，布置情况见附图。

充排水及闸门的控制装置，采用3面控制箱，布置于充排水设备井二层的值班室内。

在启闭台设现地控制箱一个。

橡胶坝的水位监测传感器安装于中墩处，在浇筑时预留相应位置。