水力翻板閘門設計管理論文

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碧蓮水電站位于浙江省永嘉縣楠溪江的最大支流小楠溪上。壩址以上集水面積為425km2，多年平均徑流總量4.89億m3，正常蓄水位83.04m，總庫容152.5萬m3，引水系統全長2993m，電站加權平均水頭17.4m，裝機容量4×800kW，總投資2983萬元。工程等別為四等，電站采用股份合作制集資。

1壩址工程地質條件

碧蓮水電站壩址處溪流流向近東西向，河床底高程74.53m，河底寬約80m。壩址區地層巖性為侏羅系上統諸暨組a段(J3Za)，灰色晶屑玻屑熔結凝灰巖。壩址區無斷層通過，僅左、右岸各有一組節理。

碧蓮水電站壩址區左、右岸山坡基巖裸露，凝灰巖弱風化帶厚1～2m，巖石完整堅硬。壩址河床上部為第四系砂礫卵石覆蓋層(Q4)，厚1～13m，下伏基巖塊狀堅硬，弱風化帶厚1～2m。第四系覆蓋層(Q4)砂礫卵石和卵石層為強～極強透水層，滲透系數為25～180m／d；基巖具裂隙透水性，左、右山坡及河床相對隔水層埋深在基巖面以下1～2m。

壩基混凝土與弱風化巖抗剪參數f′=0.9，c′=0.7MPa；混凝土與砂卵石摩擦系數f=0.5。承載力標準值：弱風化巖fk=1700～1800kPa，砂卵石層fk=300～350kPa，卵石層fk=400～500kPa。

2壩型選擇

該電站為低水頭引水電站，為了洪水期不淹沒上游岸上較低處的民房、不遷移人口以及不淹沒左岸省道永縉公路，而平時又能適當抬高水位增加發電效益，因此只有采用活動壩。因橡膠壩存在老化快、易破壞、壽命短、難管理且運行費用高、投資又大等缺點，橡膠壩方案被舍棄。經比較最終采用水力自控翻板閘門壩(以下簡稱“閘壩”，見圖1)。

圖1水力自控翻板閘門壩示意(單位：m)

3閘壩設計

3.1結構布置

閘壩由閘門、溢流壩及下游護坦3部分組成。

3.1.1閘門

閘門采用水力自控雙鉸翻板閘門，由預制鋼筋混凝土面板、支腿、支墩與滾輪等構件組裝而成。閘門系利用水力和杠桿原理，使其繞水平軸轉動，從而達到自動開啟和關閉的目的。由于設計中采用連桿結構等措施，可有效地防止“振動”、“沖撞”、“浮走”等現象的產生。

當水庫水位高于正常蓄水位0.35m，即上升至啟門水位83.39m時，閘門就自動翻倒成傾斜狀，宣泄洪水同時沖沙，其最小傾角為10°。當水庫水位下降至回門水位82.24m時，閘門自動關閉，攔蓄河水。

閘門頂高程83.04m，門高4m，單扇寬度8m，共11扇，總寬88m。閘門面板由上部3塊槽形板和下部3塊矩形板拼接而成。每扇閘門均采用雙支腿、支墩，其位置在板端1.8m處。閘門面板、支腿、支墩均采用C25混凝土預制構件，支鉸系統采用鋼結構，止水采用平板與P型橡皮。

3.1.2溢流壩

溢流壩長88m，壩頂高程79.04m，壩底高程72m，最大壩高7.04m，屬低堰。壩身底寬12m，另利用部分下游護坦(長8m)作為壩的懸臂底板，以控制壩基最大與最小應力比值及提高抗滑穩定性。

為提高閘壩的泄流能力，根據低堰行近流速影響不可忽略的情況，溢流堰面形狀選擇WESV型。定型設計水頭Hd=7m，堰頂上游段曲線方程為Y=0.4892X0.998-0.2199X1.75；下游堰面曲線方程為Y=0.1243X1.75；堰面曲線下接反弧段，半徑為8m，中心角17°，跌坎挑角15°，跌坎高度4.94m(從下游護坦高程73.70m起算)。

3.1.3下游護坦

該工程泄洪采用面流消能，但因護坦系砂卵石地基，為防止下泄洪水沖刷河床危及閘壩穩定，必須設下游護坦防沖。根據工程類比與有關經驗公式計算，護坦長度為30m，首端厚度根據防沖要求為1.70m，末端厚度0.85m，護坦底板高程72m。護坦中后段長22m，設置100@1500mm的排水孔以減少滲透壓力。護坦末端設坎使上部形成一個平均深度為1.725m的消力池。

壩體采用C15混凝土埋塊石，堰面及下游懸臂底板采用C20混凝土，護坦采用C15混凝土。

3.2基礎處理

壩址河床段弱風化基巖層埋深達13m左右，若清除全部砂礫石，則投資大、施工難。經多方案技術經濟比較，采用地下混凝土防滲墻方案，即將最上層厚2.6～3.0m的松散砂卵石清除掉，而將壩基持力層置于中層稍密的卵石層上，高程72m，壩踵以下澆筑地下混凝土連續墻防滲，厚1.2m，混凝土標號C20，深入弱風化基巖以下1～2m。防滲墻與上部壩踵設銅片止水。

3.3壩體應力及穩定計算

該壩屬軟基上的溢流重力壩，參照《SDJ21-78混凝土重力壩設計規范》和《SD133-84水閘設計規范》的規定及本壩實際情況，對以下2組荷載組合進行了計算。①基本組合：正常蓄水位靜水壓力＋泥沙壓力＋壩體自重＋揚壓力＋浪壓力；②特殊組合：校核洪水位靜水壓力＋泥沙壓力＋壩體自重＋揚壓力＋動水壓力＋浪壓力。

根據規范規定，壩的應力采用材料力學方法計算，抗滑穩定計算采用抗剪強度公式，混凝土與卵石的摩擦系數f取0.5。河床部分壩體的計算成果見表1，壩基應力滿足卵石層地基承載力要求，最大應力與最小應力比值及抗剪安全系數均滿足規范要求。

表1壩體穩定及應力計算成果

荷載組合

壩基應力／MPa

平均應力

／MPa

最大與最小

應力比值

抗剪安全系

數K

上游面

下游面

基本組合

0.113

0.047

0.080

2.40

1.22

特殊組合

0.069

0.061

0.065

1.13

1.18

3.4水力計算

溢流堰堰頂高程為79.04m，堰長88.0m。泄洪計算根據翻板門過水的機理，門上、門下分別按傾斜矩形薄壁堰和孔口出流兩種方法計算過流量：設計洪水時堰頂水頭7.30m，洪水位86.34m，下泄流量2965m3／s，單寬流量33.69m3／s，相應下游水位82.50m；校核洪水時堰上水頭8.40m，洪水位87.44m，下泄流量4155m3／s，單寬流量47.22m3／s，相應下游水位84.10m。

由于該壩屬低堰，下游尾水較深，沒有通航要求，為了降低消能工投資并有利于漂浮物下泄，采用面流消能。

閘壩跌坎高4.94m，大于校核工況發生面流所必需的最小坎高2.28m。面流各區界水深采用南京水科院的經驗公式計算，沖刷深度采用長委水科院的經驗公式估算。

因該壩下游為鋼筋混凝土護坦防沖，因而近似地按巖基河床計算沖刷深度。經計算，設計工況時下游水深大于第一區界水深而小于第二區界水深，發生自由面流，沖刷深度小于水墊，不會沖刷護坦，消能效果非常好；當校核工況時，下游水深大于第二區界水深而發生混合面流，沖刷深度略大于水墊，對護坦略有沖刷，但因護坦按抗沖設計，因此也是安全的。計算成果見表2。

表2面流計算成果

運行工況

下游

水深

第一區界

水深

第二區界

水深

第三區界

水深

沖刷

深度

設計洪水(p=5%)

8.90

7.36

9.11

10.27

6.61

校核洪水(p=1%)

10.35

8.40

10.00

10.63

4結語

由于該工程采用了水力自控翻板閘門活動壩，閘門平時擋水發電，洪水期翻倒泄洪沖沙，有效地減少了上游的洪水淹沒損失及水庫泥沙淤積，同時閘壩又采用地下混凝土連續墻進行地基防滲處理及面流消能，降低了工程投資。這種設計對其他建固定壩淹沒損失過大或在軟基上建造低重力式堰壩的類似工程有一定的參考價值。此種水力自控翻板閘門已在永嘉縣的昔頭水電站及浙江省的衢州鬧橋、開化齊溪二級等多處水電站工程中得到應用，經過多年洪水考驗證明是安全可靠的，因此具有一定的推廣意義。