湯河大閘水電站水力自控翻板溢流壩設(shè)計(jì)

苗 磊，袁合龍

（臨沂市水利工程處，山東 臨沂 276000）

臨沂市湯河大閘新建水電站工程設(shè)計(jì)控制流域面積1 174 km2，水庫(kù)正常蓄水位42.50 m，相應(yīng)庫(kù)容136.82 萬(wàn)m3。該水電站屬IV 等工程，主要建筑物包括擋水壩段、電站廠房壩段、溢流壩、沖沙閘、尾水渠等，總裝機(jī)容量3 260 kW?？紤]到混凝土雙支點(diǎn)自動(dòng)控制翻板閘技術(shù)已在山東省推廣20 多年，各方面運(yùn)行情況良好，因此本項(xiàng)目溢流壩設(shè)計(jì)采用“水力自動(dòng)翻板閘”方式。

1 水力自控翻板閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 各壩段長(zhǎng)度擬定設(shè)計(jì)

由于該水電站正常蓄水位為42.50 m，現(xiàn)狀壩線處河床底高程在34.89～40.29 m 之間。參考類似小水電工程，在滿足泄流情況下出于對(duì)結(jié)構(gòu)安全性考慮，設(shè)計(jì)本項(xiàng)目堰頂高程為38.66 m，門高3.84 m，總寬10.00 m。

結(jié)合地質(zhì)勘測(cè)結(jié)果，本次設(shè)計(jì)將自動(dòng)控制翻板閘門溢流壩段分成9 個(gè)壩段，壩段編號(hào)布置在2～10 壩段。其中防護(hù)墩、支墩、交通橋排架等預(yù)埋件預(yù)留槽底部0.30 m，堰體內(nèi)部采用C20 素混凝土結(jié)構(gòu)，底板及兩側(cè)為500 mm 厚C25 鋼筋混凝土外殼。堰體其余部位、兩端閘墩、防護(hù)墩、支腰、支墩鋼筋混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25，抗凍等級(jí)F200；翻板閘門面板混凝土強(qiáng)度C40，抗?jié)B等級(jí)W6，抗凍等級(jí)F300[1]。

1.2 泄流寬度設(shè)計(jì)

水力自動(dòng)翻板閘在工作過(guò)程中一般呈現(xiàn)四種狀態(tài)：全關(guān)閉蓄水、小角度泄流、大角度泄流、閘門全開(kāi)。因此可根據(jù)閘門開(kāi)啟角度e 判斷流態(tài)并計(jì)算閘門泄流量Q。當(dāng)e＜75°時(shí)，閘門部分開(kāi)啟，其上部呈堰流，下部為孔流；當(dāng)e=75°，閘門全開(kāi)，此時(shí)為堰流[2]。

1）當(dāng) e＜75°時(shí)

式中：m0為薄壁堰流量系數(shù)；B 為泄流總寬度，m；H 為堰上水頭，m；u 為流量系數(shù)；H0為閘孔全水頭，m。

2）當(dāng) e=75°時(shí)

式中：σ 為翻板門段淹沒(méi)系數(shù)；m 為翻板門段流量系數(shù)；ε 為翻板門段側(cè)收縮系數(shù)。

結(jié)合理論計(jì)算及本項(xiàng)目閘型及閘址處地形、地質(zhì)條件，在滿足廠房壩段、沖沙閘段布置要求，溢流壩下水流與下游兩岸堤防平順前提下，為最大限度增加泄流凈寬度，最終確定該值為208.00 m，加上兩端防護(hù)墩各1 m 寬，總寬210.00 m。

1.3 自控翻板閘結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

1）門板傾角設(shè)計(jì)。根據(jù)工程資料，確定將以下4 個(gè)變量作為自控翻板閘旋轉(zhuǎn)軸的邊界控制條件：①連桿長(zhǎng)度L；②滾輪半徑R；③連桿后支點(diǎn)橫坐標(biāo)K；④連桿后支點(diǎn)橫坐標(biāo)Z。

由力學(xué)安全穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)可知：連桿長(zhǎng)度L 不得大于5R，閘門開(kāi)啟角度e 應(yīng)當(dāng)位于門板傾角a（一般 a＞10°）和閘門最大后傾角度 b（b=90°）之間。利用“ADINA”軟件中根據(jù)靜力平衡原理編制的設(shè)計(jì)程序，將閘門相關(guān)參數(shù)輸入，得到最優(yōu)參數(shù)，詳見(jiàn)表1 所示。

表1 翻板閘相關(guān)最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)

2）閘身配筋設(shè)計(jì)。自控翻板閘門由閘身、閘基、邊墻、支架等結(jié)構(gòu)組成，其中閘身需要利用C30 鋼筋混凝土來(lái)構(gòu)筑。在滿足強(qiáng)度及泄流凈寬度的情況下，單個(gè)閘門寬度越大，所需設(shè)置的閘門數(shù)越少，相應(yīng)的鋼筋混凝土框架工程量越小，能夠顯著降低綜合成本。

自控翻板閘門在最大開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)，門板上下均有水流通過(guò)，因此單塊板可按照“雙筋矩形截面混凝土梁”進(jìn)行計(jì)算，其中配筋（HRB335）對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有直接影響，受拉鋼筋截面總面積As 計(jì)算公式見(jiàn)（3），計(jì)算的最佳配置見(jiàn)表2。

式中：M 為截面彎矩設(shè)計(jì)值，N·mm；fy為鋼筋抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2；h0為兩排鋼筋之間的豎向間距，mm；a′s為從受壓區(qū)邊緣到受拉區(qū)縱向受力鋼筋合力作用之間距離，mm。

表2 各型號(hào)鋼筋配置數(shù)量

最終本項(xiàng)目設(shè)計(jì)混凝土梁尺寸（寬×高）：7 000 mm×2 000 mm，相對(duì)于參照工程單個(gè)閘門寬度提高了1 600 mm，減少了4 個(gè)閘門。確定共布置自動(dòng)翻板閘共30 孔，單孔凈寬7.00 m。

2 水力自控翻板溢流壩消能防沖設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目消能防沖建筑設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為10 年（Q=2 250 m3/s），以此為依據(jù)來(lái)設(shè)計(jì)消能池參數(shù)。

2.1 消能池設(shè)計(jì)

由于本項(xiàng)目水頭較低，下游具有一定水深，自然消能條件較好，因此首先按照“不降低護(hù)坦”來(lái)計(jì)算消力池的水躍淹沒(méi)系數(shù)σ，當(dāng)該值大于1.05 時(shí)則不需降低護(hù)坦，可有效降低建筑成本，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

式中：hS為下游水深，m；H0為消力坎總水頭，m。

表3 不同流量下水躍淹沒(méi)系數(shù)σ（部分）

由結(jié)果可知：本樞紐利用河床天然巖石消能即可，無(wú)需修建消能池，僅需在閘前河床上設(shè)計(jì)10 m 長(zhǎng)0.5 m 厚C25 鋼筋混凝土鋪蓋，前后兩端設(shè)計(jì)1 m 深齒墻。

2.2 護(hù)坦及海漫長(zhǎng)度設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)護(hù)坦長(zhǎng)度L 以“上游水位平閘門頂、閘門完全開(kāi)啟（75°）”為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算公式見(jiàn)（5），經(jīng)計(jì)算L=4.12 m，最終設(shè)計(jì)為5.0 m。

式中：e 為孔口開(kāi)啟高度，m；H 為堰上水頭，m；P 為總跌落高度，m。

海漫長(zhǎng)度計(jì)算Lp公式按照相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，詳見(jiàn)（6），經(jīng)計(jì)算Lp=17.5 m，最終設(shè)計(jì)為20.0 m。

式中：kS為計(jì)算系數(shù)，取值 8.0；q 為護(hù)坦末端單寬流量，m3/s；ΔH 為上下游水位差，m。

3 結(jié) 語(yǔ)

水力自控翻板閘在中小型河道、城市蓄水景觀、水庫(kù)溢洪道等工程中應(yīng)用廣泛，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)行自動(dòng)化，但是對(duì)設(shè)計(jì)、施工要求較高。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了河道特點(diǎn)及其他工程經(jīng)驗(yàn)，溢流壩投入使用兩年以來(lái)各方面表現(xiàn)均較好。