淺談張村小型水電站前池退水閘改造設(shè)計

趙寧

（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，河南鄭州450003）

1 張村小型水電站改造工程現(xiàn)狀

小水電是促進(jìn)社會可持續(xù)發(fā)展的可再生能源，在調(diào)節(jié)農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)、解決農(nóng)民生活燃料方面發(fā)揮了巨大的作用。目前，我國小水電經(jīng)過幾十年的運行，需要更新改造、擴容的小水電站約為8000 MW，這些電站普遍技術(shù)性能差，存在許多不同程度的技術(shù)問題。

張村電站建于上世紀(jì)70年代，為渠道引水式電站，引渠長度約13.5 km，3臺機組，裝機容量8.4 MW（1×3.2 MW+1×3.6 MW+1×1.6 MW）。電站出現(xiàn)的問題為：渠道及渠系建筑物年久失修，病壞嚴(yán)重，渠道淤積嚴(yán)重，機電設(shè)備陳舊落后、老化失修、制造廠家繁雜、不同程度的超期服役等。上述問題導(dǎo)致電站運行時安全可靠性低、損耗大、發(fā)電效益低下、事故隱患較多，并且，由于上游禹門河、崇陽兩級電站的相繼建成和故縣水庫運行方式的改變，為有效利用洛河水資源、進(jìn)一步提高電站性能，需對電站從結(jié)構(gòu)和設(shè)備上進(jìn)行必要的改造。在對張村電站進(jìn)行復(fù)核時還發(fā)現(xiàn)：當(dāng)機組全部丟棄負(fù)荷時，即使考慮前池現(xiàn)有底孔退水閘的排泄作用，前池中的最高水位仍會高出堰頂0.83 m，受涌水影響,會有相當(dāng)一部分渠道及渠系建筑物因不滿足涌水高度而需要改造或擴建，且相關(guān)的工程量較大。同時考慮安全和經(jīng)濟兩方面，發(fā)現(xiàn)改造溢流堰前池退水閘要比改造渠道及渠系建筑物更可行。

2 張村電站前池退水閘的技術(shù)改造

張村電站前池設(shè)有溢流堰，堰長10 m，堰高6.6 m，兩側(cè)擋墻高8 m，厚1.1 m，堰底設(shè)有一座1.5 m×1.5 m的退水閘。盡管前池總體工程量較小，但為了優(yōu)化設(shè)計，對其進(jìn)行以下方案比選。

2.1 方案比選

2.1.1 水力自動翻板閘門方案

水力自動翻板閘門的工作原理：利用杠桿的力矩平衡原理，在水壓力及閘門自重的共同作用下使閘門繞水平鉸軸轉(zhuǎn)動，從而達(dá)到自動啟閉的目的，無需專用動力資源。優(yōu)點是過流能力強、水位涌高少、結(jié)構(gòu)簡單、施工方便。存在的問題：首先，運行穩(wěn)定性差，因其啟閉主要是由閘門所受水壓力和其自重在門鉸處力矩的變化引起的,對啟閉運用條件要求較高，且翻板閘門泄水時門葉處于流水之中,容易發(fā)生磨損、撞擊和振動等不良現(xiàn)象；其次，運行時對水質(zhì)的要求較高，若雜物堵塞在鉸座周圍會嚴(yán)重影響閘門的啟閉，而且當(dāng)來水速度較大時，雜物極易使閘門失控或卡死[1]。

2.1.2 啟閉式閘門方案

現(xiàn)狀退水閘為底孔啟閉式閘門（見圖1，圖中陰影為拆除部分），其金結(jié)埋件失效較多，考慮到對埋件進(jìn)行維修的難度較大，可通過封堵現(xiàn)有底孔，新建一底孔啟閉式閘門及上部啟閉設(shè)備以達(dá)到排泄水量的目的。

綜合考慮以上兩方案，盡管水力自動翻板閘門有過流能力強、水位涌高少、結(jié)構(gòu)簡單、施工方便等諸多優(yōu)點，但結(jié)合工程實際情況，由于張村電站的引水渠較長，引渠又途經(jīng)村莊，電站前池肯定會出現(xiàn)一些雜物，這會影響閘門的啟閉；又由于自動翻板閘門對啟閉運用水位的要求較高，閘門啟閉潛在的危險性較大。對啟閉式閘門而言，盡管需要專門配置啟閉設(shè)備，不是很經(jīng)濟，但只要啟閉容量滿足一定要求，金結(jié)構(gòu)件完好，就能完全保證閘門的啟閉。綜合考慮，最終決定采用啟閉式閘門方案。

圖1 底孔啟閉式閘門示意圖Fig.1 Sketch of the hoisting gate at the bottom hole

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2.1 設(shè)計思路

首先，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定復(fù)核。采用啟閉式閘門方案改造，施工時要鑿除一部分混凝土，這會影響到現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的安全，具體表現(xiàn)為鑿除混凝土后兩側(cè)剩余擋墻的穩(wěn)定性問題，分別對其進(jìn)行抗滑和抗傾穩(wěn)定性分析。

抗滑穩(wěn)定按下式計算：

式中，Kc：抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);

[Kc]：允許的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);

f：擋墻基礎(chǔ)底面與地基的摩擦系數(shù);

ΣG：作用于擋墻的豎向荷載之和，kN;

ΣH：作用于擋墻的水平荷載之和，kN。

抗傾穩(wěn)定按下式計算:

式中，K0：抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù);

[K0]：允許的抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù);

ΣMV：全部荷載相對擋墻前趾的抗傾覆力矩，kNm;

ΣMH：全部荷載相對擋墻前趾的傾覆力矩，kNm。

計算結(jié)果表明，鑿除混凝土后兩側(cè)剩余擋墻的抗傾不滿足要求，為了保證施工安全，要求施工過程中必須采取相應(yīng)的支護(hù)措施。

其次，對閘底板進(jìn)行基底應(yīng)力復(fù)核。改造后，閘底板的受力情況及受力部位發(fā)生了改變，為了避免產(chǎn)生不均勻沉降，通過下式對基底應(yīng)力進(jìn)行復(fù)核：

式中，ΣG：全部豎向荷載之和，kN；

A：基底面面積，m2；

ΣM：全部荷載對閘底板垂直水流方向的形心軸的力矩之和，kNm；

W：基底對于該底面垂直水流方向的形心軸的截面矩，m3；

復(fù)核結(jié)果表明閘底板最大最小應(yīng)力比滿足設(shè)計要求。

再次，結(jié)構(gòu)設(shè)計。對各部分新建結(jié)構(gòu)按照各自的受力情況進(jìn)行具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2.2.2 細(xì)部處理

技術(shù)改造工程是在現(xiàn)有工程的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，新老材料界面間的處理比較關(guān)鍵。對于張村電站前池退水閘而言，新老材料間的止水和新材料的抗裂要求也比較高。設(shè)計過程中，為達(dá)到優(yōu)化設(shè)計的目的，新老材料界面間不但進(jìn)行了植筋處理，且新澆筑混凝土沒有采用常規(guī)的普通混凝土而是用了補償收縮混凝土。補償收縮混凝土是利用膨脹劑產(chǎn)生較高的膨脹率，利用緩凝高效減水劑和粉煤灰降低水泥用量和水化熱，從而減少冷縮值，也就是說在大體積混凝土施工時,采用補償收縮混凝土,可適當(dāng)放寬溫控指標(biāo),可不用冷卻砂石、在混凝土中埋設(shè)冷卻管等傳統(tǒng)方法,就可以達(dá)到防裂、抗?jié)B的原理[2]。從補償收縮混凝土防裂、抗?jié)B的原理可以看出，其以自身適度的膨脹抵消收縮裂縫，達(dá)到與限制體的緊密結(jié)合，自身的抗裂性也較普通混凝土大為提高。

在張村電站前池退水閘技術(shù)改造當(dāng)中，補償收縮混凝土充分發(fā)揮了自身防裂、抗?jié)B的作用，而且簡化了混凝土的施工工藝。

現(xiàn)該工程已改造完成，運行情況良好，說明補償收縮混凝土的應(yīng)用是很成功的。

3 有關(guān)小水電改造的思考

關(guān)于張村電站前池退水閘的改造，從安全和經(jīng)濟兩方面，對結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了比較細(xì)致全面的考慮，并提出了采用補償收縮混凝土來改善結(jié)構(gòu)的防裂、抗?jié)B性，為以后同類工程提供了借鑒。

結(jié)合張村電站前池退水閘的改造，個人認(rèn)為盡管小水電技術(shù)改造工程是基于現(xiàn)有工程進(jìn)行的局部改造，但不能只是簡單的修修補補、以新?lián)Q舊，應(yīng)盡力做到設(shè)計、施工及設(shè)備等方面的再次創(chuàng)新?！?/p>

[1]吳衛(wèi)峰，李靖誼.液控翻板閘門的設(shè)計與應(yīng)用[J].中國水利,2009(20),54.

[2]李長河，安喜民.補償收縮混凝土的優(yōu)越性及其在市政工程中應(yīng)用[J].黑龍江科技信息，2008(11),181.