液壓升降壩工程計(jì)算方法的探究

羅杰，張坤，孟沖沖

液壓升降壩工程計(jì)算方法的探究

羅杰，張坤，孟沖沖

（西安景天水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)咨詢有限公司，陜西西安710018）

液壓升降壩是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新型翻板壩，力學(xué)結(jié)構(gòu)科學(xué)，屬于低水頭建筑物。以洛南縣老君山文化旅游景區(qū)液壓壩工程為例，主要探究液壓升降壩在水力計(jì)算和穩(wěn)定計(jì)算分析的方法，以確保液壓壩在運(yùn)用期及設(shè)計(jì)洪水期間的安全可靠，該液壓壩工程建成后經(jīng)過兩年的蓄水運(yùn)行及洪水的沖刷，液壓壩段工程完好，未出現(xiàn)沖毀現(xiàn)象。以期為類似項(xiàng)目提供參考。

液壓升降壩；水力計(jì)算；穩(wěn)定計(jì)算

1 工程概況

洛南縣老君山文化旅游景區(qū)液壓壩工程位于洛南縣石坡河巡檢鎮(zhèn)河段，距縣城約45 km。該工程是石坡河生態(tài)文化景觀帶建設(shè)的首要工程，建成后將老君山文化旅游景區(qū)、巡檢古鎮(zhèn)和石坡河景觀帶有機(jī)結(jié)合起來(lái)，形成一個(gè)完整的生態(tài)文化旅游觀光區(qū)域。

該液壓壩工程包括兩座液壓壩，每座壩分別由液壓升降壩、上游水平防滲鋪蓋、下游消力池、下游護(hù)坦以及管理房組成。依據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2000）等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，本工程按攔河閘泄流能力確定為Ⅲ等中型水利工程，其主要建筑物為3級(jí)，次要建筑物為4級(jí)，防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇洪水設(shè)計(jì)，50年一遇洪水校核，相應(yīng)的洪峰流量分別為493 m3/s和681 m3/s。

2 水力計(jì)算

2.1 過流能力計(jì)算

根據(jù)液壓升降壩在運(yùn)行時(shí)的工作情況，其過流可分為：液壓升降壩立壩擋水時(shí)上游水頭超過壩頂，水流從壩頂過流；液壓升降壩局部壩段部分開啟，從開啟壩扇與擋水壩扇間的局部出流；在洪水期或需大流量放水時(shí)的塌壩過流。

2.1.1 壩頂過流

液壓升降壩的壩頂溢流屬于典型的薄壁堰出流，流量計(jì)算公式采用：

式中：m0為薄壁堰流量系數(shù)；B為溢流寬度，m；H為壩前堰上水頭，m；P1為堰高，m。

液壓壩在壩頂出流時(shí)，壩下可發(fā)生遠(yuǎn)離水躍、臨界水躍和淹沒水躍等三種不同形式。壩下發(fā)生遠(yuǎn)離水躍和臨界水躍時(shí)，壩下游水位不影響壩的泄流量。當(dāng)下游發(fā)生淹沒水躍時(shí)，壩下水位仍不影響泄流量。除非下游水位超過壩頂，液壓升降壩的壩下水位一般不影響泄流量。當(dāng)下游水位超過壩頂時(shí)，在正常工況下液壓升降壩壩面已放平，此時(shí)液壓升降壩已屬于塌壩過流，和寬頂堰過流類似。1#、2#液壓壩過流能力計(jì)算結(jié)果見表1、表2。

表1 1#液壓壩立壩過流能力計(jì)算

表2 2#液壓壩立壩過流能力計(jì)算

2.1.2 塌壩過流

由于液壓壩塌壩之后液壓壩的最高點(diǎn)比閘基高0.2 m，可按寬頂堰來(lái)進(jìn)行計(jì)算：

液壓壩塌壩運(yùn)行時(shí)為堰頂入口為圓弧的寬頂堰：

式中：m為流量系數(shù)；ε為側(cè)收縮系數(shù)，本工程ε=1.0；B為堰寬；σs為淹沒系數(shù)；H0為堰前計(jì)入行進(jìn)流速水頭的堰上總水頭，取H0=H+v2/2g，H為堰頂凈水頭，v為行近流速。

1#、2#液壓壩工程塌壩工程過流能力計(jì)算結(jié)果見表3、表4。

根據(jù)液壓升降壩技術(shù)原理，當(dāng)液壓升降壩運(yùn)行最大水位達(dá)壩頂0.5m時(shí)，浮標(biāo)開關(guān)控制自動(dòng)塌壩運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，達(dá)到無(wú)人管理。通過表1～表4計(jì)算得知，其運(yùn)行方式為：

1#液壓壩工程：①上游來(lái)水Q＜30.18 m3/s時(shí)，通過壩頂溢流，維持水位在1078.80 m以下；②上游來(lái)水Q＞30.18 m3/s時(shí)，液壓升降壩塌壩運(yùn)行。

2#液壓壩工程：①上游來(lái)水Q＜27.49 m3/s時(shí)，通過壩頂溢流，維持水位在1081.00 m以下；②上游來(lái)水Q＞27.49 m3/s時(shí)，液壓升降壩塌壩運(yùn)行。2.2消能防沖設(shè)計(jì)

計(jì)算工況：根據(jù)本工程特點(diǎn)，當(dāng)上游水位超過壩頂0.50 m時(shí)，形成漫流，為最高運(yùn)行水位，開始塌壩運(yùn)行。液壓壩在立壩運(yùn)行時(shí)，形成跌流，采用跌流消能。液壓壩塌壩之后液壓壩頂部比閘基高0.2 m，相當(dāng)于寬頂堰，此時(shí)消能段采用底流消能，流量最大不超過河道20年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)493 m3/s。

2.2.1 跌流消能計(jì)算公式

跌流消能計(jì)算參考《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL282-2003）A.4：

其中：Ld為射距，m；q為單寬流量，m3/s；Z為鼻坎至河床高差，m；td為護(hù)坦上內(nèi)側(cè)的水墊深度，m。

2.2.2 底流消能設(shè)計(jì)

（1）消力池深度計(jì)算公式：

表3 1#液壓壩工程塌壩過流能力計(jì)算表

表4 2#液壓壩工程塌壩過流能力計(jì)算表

其中：d為消力池深，m；σ為水躍淹沒度，可取；h2為池中發(fā)生臨界水深時(shí)的躍后水深，m；Fr1為收縮斷面弗勞德數(shù)；h1為收縮斷面水深，m；v1為收縮斷面流速，m/s；ht為消力池出口下游水深，m；△z為消力池尾部出口水面跌落，m；Q為流量，m3/s；b為消力池寬度，m；φ為消力池出口段流速系數(shù)，可取0.95；E0為以下游河床為基準(zhǔn)面的泄水建筑物上游總水頭，m。

（2）消力池長(zhǎng)度計(jì)算公式：

式中：Lk—消力池長(zhǎng)度（m）；L—水躍長(zhǎng)度（m）。

（3）消力池底板厚度計(jì)算公式：

根據(jù)規(guī)范要求，消力池底板厚度應(yīng)根據(jù)抗沖和抗浮的要求確定，由于本工程在消力池內(nèi)設(shè)置了排水孔，所以可不進(jìn)行抗浮計(jì)算，只進(jìn)行抗沖計(jì)算即可。

滿足抗沖要求的底板厚度t：

式中：k1—底板計(jì)算系數(shù)，可采用0.15～0.2，本次取0.15；ΔH'為上下游水位差(m)。

表5 液壓壩立壩運(yùn)行時(shí)跌流消能計(jì)算成果表

根據(jù)計(jì)算成果并結(jié)合工程實(shí)際情況，確定本工程1#液壓壩工程消力池深度0.436 m，本次取0.6 m，池身長(zhǎng)8.84 m，本次取10.00 m。考慮1#壩對(duì)下游河床的固定作用以及回水對(duì)消能的影響，2#液壓壩工程采用消力池設(shè)置與壩基礎(chǔ)合并設(shè)計(jì)，為同時(shí)滿足景觀需求和消能效果，在壩基末端增設(shè)0.45 m高消力坎，護(hù)坦長(zhǎng)度參照類似工程經(jīng)驗(yàn)，海漫總長(zhǎng)取10 m，為消能，本次在起端為深2.6 m寬2.0 m齒槽，末端厚為1.0 m鉛絲籠石結(jié)構(gòu)，海漫下游段以縱坡與原河床順接。

3 穩(wěn)定計(jì)算

3.1 計(jì)算工況

工況一：完建期情況，閘上、閘下均無(wú)水；

工況二：正常蓄水期，上游水深達(dá)壩頂，下游無(wú)水；

工況三：上游水深達(dá)最高運(yùn)行水位及對(duì)應(yīng)下游水位；

工況四：正常蓄水時(shí)遭遇地震情況。

按照《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，閘室穩(wěn)定計(jì)算宜取兩相鄰水流方向永久縫之間的閘段作為計(jì)算單元。因此閘室穩(wěn)定計(jì)算液壓升降壩取取單扇閘門寬度作為計(jì)算單元，閘室抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用“單一安全系數(shù)計(jì)算公式”，閘室基底應(yīng)力采用“材料力學(xué)偏心受壓公式”計(jì)算。

3.2 計(jì)算公式

3.2.1 抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算

式中：Kc為沿壩基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為壩基底面與地基之間的摩擦系數(shù)：砂礫石層取0.50；∑G為作用在壩地板上的全部豎向荷載；∑H為作用在把地板上的全部水平荷載；

3.2.2 基底應(yīng)力驗(yàn)算

壩底板采用整體式底板，基礎(chǔ)型式為條形基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)布置及受力情況左右對(duì)稱，在初步設(shè)計(jì)階段參照《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265－2001）中的閘室基底應(yīng)力公式進(jìn)行計(jì)算：

壩基上的全部豎向荷載（包括基礎(chǔ)底面上的揚(yáng)壓力在內(nèi)，kN）；∑M為作用在壩基上的全部豎向和水平向荷載對(duì)于基礎(chǔ)底面的垂直水流方向的形心軸的力矩(kN·m)；A為壩基基底面的面積；W為壩基底面對(duì)于該底面垂直水流方向的形心軸的截面矩。

3.2.3 地震作用

在地震情況，除需考慮地震慣性力外，其他基本參數(shù)和計(jì)算方法同完建期和正常運(yùn)用期地基反力計(jì)算，采用擬靜力法計(jì)算地震作用效應(yīng)，其中：

（1）水平地震慣性力采用下式計(jì)算：

其中：Fi為作用在質(zhì)點(diǎn)i的水平向地震慣性力代表值；ah為水平向設(shè)計(jì)地震加速度代表值；ξ為地震作用的效應(yīng)折減系數(shù)，取0.25；GEi為集中在質(zhì)點(diǎn)i的重力作用標(biāo)準(zhǔn)值；αi為質(zhì)點(diǎn)i的動(dòng)態(tài)分布系數(shù)；g為重力加速度，取9.81 m2/s。

（2）水深h處地震水壓力采用下式計(jì)算：

其中：Pw(h)為作用在直立迎水壩面水深h處的地震動(dòng)水壓力代表值；ah為水平向設(shè)計(jì)地震加速度代表值，ξ為地震作用的效應(yīng)折減系數(shù)，取0.25；ψ(h)為水深h處的地震動(dòng)水壓力分布系數(shù)；ρw為水體質(zhì)量密度標(biāo)準(zhǔn)值；H0為水深。

3.3 計(jì)算成果

根據(jù)以上公式，選取完建期、正常蓄水期、最高運(yùn)行水位及正常蓄水遭遇地震情況4種工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，結(jié)果見表7、表8。

根據(jù)以上計(jì)算成果可知，各種工況均滿足抗滑穩(wěn)定要求。壩基基礎(chǔ)為第四系全新統(tǒng)沖洪積堆積砂卵石，其地基承載力為280 kPa，閘底板最大基底應(yīng)力小于地基允許承載力，且閘基底不出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語(yǔ)

液壓壩的工程使用經(jīng)驗(yàn)較少，運(yùn)行管理中須結(jié)合運(yùn)行情況，做好運(yùn)行記錄，做好液壓輸油管的保護(hù)；加強(qiáng)對(duì)塌壩過洪時(shí)的壩體震動(dòng)觀測(cè)和消除；加強(qiáng)降壩運(yùn)行時(shí)的壩面升降高度管理，嚴(yán)禁個(gè)別壩塌壩運(yùn)行，防止集中泄流對(duì)下游河道產(chǎn)生沖刷破壞；大壩泄流時(shí)須做好預(yù)警預(yù)報(bào)工作，防止下游河道水位猛漲產(chǎn)生的人身安全危害和財(cái)物損失。

本文基于液壓升降壩技術(shù)設(shè)計(jì)原理，對(duì)液壓壩在河道景觀方面的水力計(jì)算及穩(wěn)定計(jì)算進(jìn)行分析，希望能夠?yàn)轭愃祈?xiàng)目提供一定的參考。

表6 液壓壩工程塌壩運(yùn)行時(shí)消能防沖計(jì)算成果表

表7 1#液壓壩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算成果表

表8 2#液壓壩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算成果表

TV644

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1673-9000（2017）02-0128-04

2017-02-14

羅杰（1989-），男，陜西咸陽(yáng)人，助理工程師，主要從事水利工程設(shè)計(jì)工作。