水力自控翻板閘門在竹橋水電站中的應(yīng)用

覃建波

（宜昌市水利水電勘察設(shè)計(jì)院 湖北宜昌 443005)

前言

竹橋水電站位于湖北省五峰縣清江支流天池河上。壩址以上集水面積為249.2km2，多年平均徑流總量 1.757億 m3，正常蓄水位 409m，總庫容61.6萬m3，電站裝機(jī)容量為16MW，年發(fā)電量為4148.44萬kW·h。本工程規(guī)模為?。?)型，工程等別為Ⅳ等；主要建筑物級別為4級，次要建筑物級別為5級?？偼顿Y9345萬元。

1 壩址工程地質(zhì)條件

竹橋水電站壩址位于黃土包處，壩址區(qū)河段較順直，河床高程385m，寬10～18m，基巖裸露清晰。兩岸地形基本對稱。出露地層為志留系下統(tǒng)羅惹坪組碎屑巖和第四系崩坡積與沖洪積松散堆積物。壩址區(qū)未見滑坡、泥石流、崩塌體分布，兩岸均為巖質(zhì)邊坡，巖體結(jié)構(gòu)完整，穩(wěn)定性較好。物理地質(zhì)現(xiàn)象主要為砂、頁巖表層散落。壩址區(qū)巖性為泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖夾頁巖，具有較好的隔水性能。

2 壩型選擇

竹橋電站的上游建有柳橋水電站，為了保證洪水期上游柳橋水電站的運(yùn)行安全，而平時(shí)又能適當(dāng)抬高水位增加發(fā)電效益，因此采用有閘控制的泄洪方式為最佳方案。當(dāng)采用弧形閘門控制泄流方案在運(yùn)行時(shí)，只要來水流量大于電站發(fā)電引用流量時(shí)，弧形閘門就必須開啟泄流，而且隨著來水流量的變化，需要不斷地調(diào)整閘門開度，以維持閘前水位的穩(wěn)定，保證隧洞和機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，從而導(dǎo)致弧形閘門啟閉頻繁，無形中也增加了運(yùn)行人員的勞動強(qiáng)度，同時(shí)要保證弧形閘門正常穩(wěn)定的工作，需要穩(wěn)定的保證電源和精確的控制系統(tǒng)，運(yùn)行過程中也需要耗費(fèi)大量的電能，運(yùn)行成本高。而橡膠壩存在老化快、易破壞、壽命短、難治理且運(yùn)行費(fèi)用高、投資又大等缺點(diǎn)，橡膠壩方案被舍棄。經(jīng)比較最終采用水力自控翻板閘門壩。

3 閘壩設(shè)計(jì)

3.1 大壩布置

3.1.1 閘門

閘門采用 FBM5m×10m型自控翻板閘門。該閘門擋水門板用螺栓連接到兩個(gè)支腿上，支腿起拼裝、固定門板和傳遞力的作用。支腿上預(yù)埋一軸套，軸套內(nèi)裝有連桿軸，連桿軸通過連桿和固定在支墩上的連桿鉸座內(nèi)的連桿軸連成一體，用于限定門板、支腿的運(yùn)動，兩個(gè)支墩被牢固地埋入壩體內(nèi)作為整個(gè)閘門的支撐體，每個(gè)支墩上都裝有滑輪，支腿后部固定裝有導(dǎo)板，導(dǎo)板在滑輪的槽內(nèi)可以滑動，并限制閘門的側(cè)向移動。當(dāng)閘門前的蓄水高度超出門頂 5～15 厘米時(shí)，閘門受到的水推力及閘門自重所產(chǎn)生的扭矩達(dá)到平衡狀態(tài)，閘門板浮起，水位上升閘門會隨之向上抬起，實(shí)現(xiàn)閘門的自動開啟過程，水位越高閘門開啟越大，直至完全打開，此時(shí)小連桿一端連在滑輪軸上，另一有槽的一端與連桿軸相配合，連桿軸滑向小連桿的槽的頂端，將支腿和閘門板限定在極限位置，防止閘門被洪水抬起而浮走，同時(shí)閘門可在較短時(shí)間內(nèi)同步或相繼翻倒及復(fù)位。

當(dāng)水庫水位高于正常蓄水位0.3m，即上升至啟門水位409.3m時(shí)，閘門就自動翻倒成傾斜狀，宣泄洪水，其最小傾角為10°。當(dāng)水庫水位下降至回門水位 408.8m時(shí)，閘門自動關(guān)閉，攔蓄河水。閘門頂高程409m，門高5m，單扇寬度10m，共5扇，總寬50m。閘門門板、支腿、支墩均采用C25混凝土預(yù)制構(gòu)件，支鉸系統(tǒng)采用鋼結(jié)構(gòu)。

3.1.2 溢流壩

大壩為混凝土重力壩，由溢流段和非溢流段組成。最大壩高35.70m，壩頂高程413.20m，壩基面高程377.50m，壩頂長度62.90m，最大壩底寬度 25.1m，非溢流壩段壩頂寬 3.50m，上游壩坡為鉛直面，下游壩坡1∶0.7。

堰面考慮到翻板閘門安裝和檢修方便，采用寬頂堰。堰頂寬度按照閘門安裝和檢修最小寬度考慮，取8.4m。泄洪型式采用壩頂水力自控翻板閘門控制泄流，經(jīng)調(diào)洪演算及技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，確定堰頂高程 404.00m，閘頂高程 409.50m，閘室總寬50m，由5扇翻板閘門組成，每塊翻板閘門尺寸為10.0×5.0（寬×高)。閘門采用廠家定做，現(xiàn)場預(yù)制安裝。

壩體為 C15埋石混凝土結(jié)構(gòu)，迎水面采用800mm厚C20鋼筋混凝土防滲面板。為減少壩體滲透壓力，增強(qiáng)壩體穩(wěn)定性，在壩體內(nèi)設(shè)排水系統(tǒng)，豎向排水采用無砂混凝土管，置于壩軸線下1.7m位置上，內(nèi)徑為150mm，壁厚70mm，布置四排間距 3m，橫向排水管采用內(nèi)徑為 150mm，厚70mm的預(yù)應(yīng)力混凝土，置于壩基面上，豎向排水管在壩基與橫向排水管接通，接頭處以瀝青砂漿堵實(shí)，后通過橫向排水管將水排向下游。

本大壩設(shè)三道橫縫，縫寬20mm，將壩體分成河床段（2段)、兩端岸坡段共四段；縫面設(shè)一道銅片止水，一道橡膠止水。壩后消力池設(shè)3道縱向伸縮縫，中間一道，底板與兩邊墻連接處各設(shè)一道。每隔 15.00m設(shè)一道橫向伸縮縫，橫向伸縮縫共3條。消力池伸縮縫縫面采用一道銅片止水，并用PVC板嵌縫。

結(jié)合本工程特點(diǎn)和地質(zhì)條件，大壩基礎(chǔ)采用固接灌漿和帷幕灌漿處理。固結(jié)灌漿孔深入基巖5m，初步擬定固結(jié)灌漿的孔距、排距均為3.0m。河床段和邊坡的固結(jié)灌漿共設(shè)4排。在固結(jié)灌漿中遇到斷層和破碎帶應(yīng)進(jìn)行加強(qiáng)固結(jié)灌漿處理，固結(jié)灌漿應(yīng)在基礎(chǔ)混凝土澆筑后進(jìn)行，確保其上有一定的混凝土蓋重，在混凝土蓋重塊中預(yù)留灌漿孔，固結(jié)灌漿的壓力根據(jù)現(xiàn)場灌漿實(shí)驗(yàn)確定，固接灌漿總進(jìn)尺887.00m。帷幕按ω＜5Lu確定壩基帷幕下限高程為367.00m，帷幕單排布置，孔距3.00m，總進(jìn)尺435.00m。竹橋水庫壩低庫小，兩岸庫壁寬厚，且無大的、貫通性導(dǎo)水?dāng)嗔亚懈钔ㄟ^，兩岸基巖均為泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖夾頁巖，具有較好的隔水性能和良好的封閉條件，不存在向鄰谷或壩下游滲漏問題，故兩壩肩無須打灌漿平洞向山內(nèi)延伸。

3.2 水力計(jì)算

3.2.1 壩頂溢流表孔泄流水力計(jì)算

根據(jù)廠家提供的 FBM5m×10m型翻板門水力計(jì)算成果，見表1。

當(dāng)水庫來水洪峰流量為1800m3/s （P=0.5%)時(shí)，相應(yīng)下泄流量1798m3/s，壩前校核洪水位為412.60m；當(dāng)水庫來水洪峰流量為 1280m3/s（P=3.33%)時(shí)，相應(yīng)下泄流量 1280m3/s，壩前設(shè)計(jì)洪水位為410.80m。

表1 壩頂溢流堰泄流能力曲線表

綜合寬頂堰的泄流能力并結(jié)合生產(chǎn)廠家提供的資料，最終以廠家提供的閘門過流量為準(zhǔn)，由此確定相應(yīng)水位為：正常蓄水位409.00m，設(shè)計(jì)洪水位410.80m，校核洪水位412.60m。

3.2.2 壩后消能計(jì)算

判定是否修建消力池及計(jì)算池深按消能防沖設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，根據(jù)規(guī)范，消能防沖設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為 20年一遇（5%)，相應(yīng)流量為1130.00m3/s。

公式如下：

式中：

T—以下游河床為基準(zhǔn)，計(jì)及流速水頭的上游水頭，本處為26.22m；

q—溢流閘孔下泄的設(shè)計(jì)單寬流量，q=56.5m3/s.m；（按河床最小凈寬20.0m計(jì)算)

φ—流速系數(shù)，對于溢流壩面一般為0.9～1.0，取 0.95；

α—流速分布系數(shù)，約為1.0～1.1，通常α=1.0；

g—重力加速度，g=9.8m/s2；

h1—躍前水深（m)；

h2—躍后水深（m)。

利用水力學(xué)計(jì)算表計(jì)算得 h1=2.77m，h2=14.01m。查壩址處下游水位～流量關(guān)系曲線，得消能防沖設(shè)計(jì)洪水情況時(shí)水深 h下=10.19m＜h2=14.01m，故需修建消力池。

消力池深度及長度分別按下述公式計(jì)算：

計(jì)算結(jié)果，消力池深度：d=1.05×14.01－10.19=4.52m，取值d =4.5m。底板采用C20鋼筋混凝土澆筑，等厚設(shè)計(jì)，厚度為2.00m；

消池長度∶L=0.85×9.5×（λ-1)×0.95

經(jīng)計(jì)算得：L=0.85×9.5×（3.91-1)×0.95=22.32m，取值L=23m。

大壩典型橫斷面見圖1。

圖1 大壩典型橫斷面圖

3.3 壩體穩(wěn)定計(jì)算

（1)設(shè)計(jì)要求

壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算主要核算壩基面滑動條件，壩體為混凝土，平均容重取 2.4t/m3，泥砂容重取1.2t/m3，內(nèi)摩擦角取26°。河床基礎(chǔ)允許承載應(yīng)力取0.7MPa，壩體穩(wěn)定計(jì)算采用抗剪斷公式計(jì)算，根據(jù)地質(zhì)資料，壩基巖石飽和抗壓強(qiáng)度 62 MPa，干抗壓強(qiáng)度 76MPa，抗剪斷強(qiáng)度f1=0.65、C1=0.55MPa，變形模量16.0GPa，設(shè)計(jì)要求在基本組合情況下，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù) KC≥3.0；在特殊組合情況下，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)KC≥2.5；

（2)荷載組合

基本組合情況：

Ⅰ：自重+正常高水位時(shí)的水壓力+揚(yáng)壓力+泥砂壓力+浪壓力

Ⅱ：自重+設(shè)計(jì)洪水位時(shí)的水壓力+揚(yáng)壓力+泥砂壓力+浪壓力

特殊組合情況：

Ⅰ：自重+校核洪水位時(shí)的水壓力+揚(yáng)壓力+泥砂壓力+浪壓力

Ⅱ：自重+正常高水位時(shí)的水壓力+揚(yáng)壓力+泥砂壓力+浪壓力+地震力

因本壩庫容很小，水庫回水面不長，浪壓力不是控制因素，本次計(jì)算時(shí)忽略不計(jì)；本工程地震烈度為6度，不需考慮地震力的影響。

（3)計(jì)算公式

根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL319-2005)中抗剪斷強(qiáng)度的公式進(jìn)行計(jì)算：

計(jì)算公式如下：

大壩穩(wěn)定計(jì)算簡圖見圖2：

圖2 大壩穩(wěn)定計(jì)算簡圖

（4)計(jì)算結(jié)果：

設(shè)計(jì)洪水情況時(shí)，Kc=3.42＞3.0；校核洪水情況時(shí)，Kc=3.01＞2.5。

從計(jì)算數(shù)據(jù)上看，校核荷載組合時(shí)，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kc=3.01＞2.5，但考慮小型工程施工條件差，除施工過程中加強(qiáng)質(zhì)量管理外，在基礎(chǔ)上應(yīng)設(shè)置φ25的鋼筋錨桿，以加強(qiáng)壩體抗滑穩(wěn)定，錨筋按排間距2m布置，長度2.0m，伸入基巖1.0m，壩內(nèi)為1.0m。

4 結(jié)語

由于該工程采用了水力自控翻板閘門溢流壩，閘門平時(shí)擋水發(fā)電，洪水期翻倒泄洪，有效地減少了上游的洪水淹沒損失，同時(shí)，自控翻板閘門通過堰頂水頭的變化來自動控制閘門的開度，減少專職閘門控制人員，加之沒有啟閉機(jī)、備用電源等設(shè)備，不耗費(fèi)電能，不需要啟閉機(jī)房等輔助設(shè)施，運(yùn)行成本很低，工程投資省。此種水力自控翻板閘門已在長陽縣的七里灣水電站及興山縣的馬家河二級水電站等多處水電站工程中得到應(yīng)用，經(jīng)過多年洪水考驗(yàn)證實(shí)是安全可靠的，因此在一定條件下修建翻板壩具有實(shí)用意義和推廣意義。