水力自控翻板閘門(mén)技術(shù)的特點(diǎn)以及應(yīng)用中存在的問(wèn)題和主要對(duì)策

1、水力自控翻板閘門(mén)技術(shù)的特點(diǎn)以及應(yīng)用中存在的問(wèn)題和主要對(duì)策    為了更好地應(yīng)用水力自控翻板閘門(mén)技術(shù),下面筆者就目前水力自控翻板閘門(mén)技術(shù)的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)理論,以及我縣在水力自控翻板閘門(mén)技術(shù)應(yīng)用中存在的問(wèn)題和主要對(duì)策談一談自己粗淺的見(jiàn)解。 1水力自控翻板閘門(mén)的特點(diǎn) 水力自控翻板閘門(mén)利用水力和閘門(mén)重量平衡的原理,增設(shè)陰尼反饋系統(tǒng),達(dá)到隨著上游水位升高自動(dòng)逐漸開(kāi)啟閘門(mén)泄流、上游水位下降自動(dòng)逐漸關(guān)閉閘門(mén)蓄水的目的,使上游水位始終保持在要求的范圍內(nèi)。水力自控翻板閘門(mén)主要有以下的特點(diǎn): 1.1結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,操作方便。 水力自控翻板閘門(mén)與一般鋼平板閘門(mén)相比,無(wú)需機(jī)電設(shè)備及專(zhuān)人操

2、縱泄流,且泄洪準(zhǔn)確及時(shí),能節(jié)省人力、物力;借助水位的升高,水壓力的增大,逐漸自行開(kāi)啟閘門(mén)過(guò)流,保持蓄水位不變;當(dāng)閘門(mén)全部打開(kāi)時(shí),河床泄流狀況與天然河床相差無(wú)幾,當(dāng)水位降低時(shí),閘門(mén)逐漸關(guān)閉蓄水,因此使用更方便。 1.2運(yùn)行安全,經(jīng)濟(jì)實(shí)用。 由于水力自控翻板閘門(mén)能準(zhǔn)確自動(dòng)調(diào)控水位,運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定性良好,管理安全、方便、省時(shí)、省力。水力自控翻板閘門(mén)的門(mén)體為預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),僅支承部分為金屬結(jié)構(gòu),投資為常規(guī)閘門(mén)的1/2左右。因此,施工簡(jiǎn)便、造價(jià)低廉,且維修方便,節(jié)省費(fèi)用。 2水力自控翻板閘門(mén)的設(shè)計(jì)理論 2.1翻板閘門(mén)的規(guī)格及其選配 水力自控翻板門(mén)一般按定型設(shè)計(jì)生產(chǎn),翻板門(mén)每扇均設(shè)兩個(gè)支墩,其位置按門(mén)板正

3、負(fù)彎矩大致相等之原則設(shè)在距門(mén)邊0.222門(mén)寬處,翻板門(mén)通過(guò)支墩安裝在底板或底堰上。水力自控翻板門(mén)實(shí)行生產(chǎn)許可證制度,廠(chǎng)家負(fù)責(zé)水力自控翻板門(mén)各部件的設(shè)計(jì),制作與安裝,因此,作為翻板門(mén)壩和水工設(shè)計(jì)實(shí)際上如何進(jìn)行翻板門(mén)的合理選配,同時(shí)完成其基座-底堰或底板及壩上下游護(hù)岸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 如何合理地選配翻板門(mén)呢?其原則不外乎是安全經(jīng)濟(jì)。眾所周知,水力自控翻板門(mén)由于其“活動(dòng)性”,相對(duì)于同高的固定壩型其造價(jià)較高,而且,單位面積門(mén)價(jià)按大于一次方關(guān)系隨門(mén)高遞增,因此,水工設(shè)計(jì)人員首先選擇知名廠(chǎng)家生產(chǎn)的產(chǎn)品,然后綜合工程造價(jià),淹沒(méi)損失等諸多因素?fù)駜?yōu)選定翻板門(mén)的型號(hào)(主要是門(mén)高)和數(shù)量。其中,合理地選擇門(mén)高是降低翻板

4、門(mén)壩造價(jià)的關(guān)鍵。為了有效地降低洪水淹沒(méi)高度及其損失,同時(shí)又不至于選擇太高的翻板門(mén),有時(shí)翻板門(mén)壩往往選建在河面較寬的地段,若其配建河床式電站時(shí)尤然如此,因其廠(chǎng)房已占據(jù)一定的河床寬。由于翻板門(mén)壩總的一般都不高,工程實(shí)踐表明,長(zhǎng)壩配矮門(mén)有時(shí)會(huì)比矮壩配高門(mén)方案經(jīng)濟(jì)。 從翻板門(mén)的運(yùn)行特性可知,門(mén)前水位有先高后低(當(dāng)然最后又重新漲高起來(lái))之現(xiàn)象,而且它有兩個(gè)顯著的特點(diǎn),其一是該壅水先高之峰值處翻板門(mén)泄流量一般不大;其二是翻板門(mén)越高其壅水先高之峰值越大。由于工程核淹土款子標(biāo)準(zhǔn)的洪水流量一般較大,大壩常渲泄時(shí)翻板門(mén)已全開(kāi),按幾近不考慮翻板門(mén)存在的堰流公式計(jì)算出的門(mén)前水位不低于上述先高峰值,否則,門(mén)高還可選擇小

5、者,因?yàn)榇藭r(shí)確定土地淹沒(méi)與否的最高水位不是渲泄核淹土地標(biāo)準(zhǔn)洪水流量而是通過(guò)較小流量時(shí)門(mén)前水位,這樣所選的翻板門(mén)其泄流量限水位的能力未充分挖掘出來(lái)。當(dāng)然,若按上述原則合理選定門(mén)高后的翻板門(mén)壩渲泄核淹人口標(biāo)準(zhǔn)水時(shí),壩上游回水位高于設(shè)計(jì)限制水位時(shí)的,卻又另當(dāng)別論了。 2.2門(mén)前水位下泄流量關(guān)系曲線(xiàn)的形狀與繪制 水力自控翻板門(mén)全開(kāi)前,翻板門(mén)門(mén)頂,門(mén)底同時(shí)泄流,且二者勢(shì)均力敵,不可偏廢;全開(kāi)后,翻板門(mén)已翻轉(zhuǎn)成一近乎平懸在河中的一楔塊(與水平夾角僅為10°),此時(shí)過(guò)閘水流已變成一完全意義上的堰流,由于翻板門(mén)厚0.20.3m,對(duì)閘壩泄流阻礙不大,完全可以先按不考慮翻板門(mén)存在之狀況來(lái)計(jì)算,然后適當(dāng)作

6、一定折減便可求得其下泄流量。因此,翻板門(mén)全開(kāi)后,其泄水能力可按實(shí)用堰公式(為泄流量折減系數(shù),由水工模型實(shí)驗(yàn)確定,無(wú)實(shí)資料時(shí)一般可取0.93-0.95)計(jì)算,因支墩薄而低,尺寸極小,一般淹沒(méi)水中,故可不考慮側(cè)收縮問(wèn)題。而翻板門(mén)剛開(kāi)始翻轉(zhuǎn)時(shí),門(mén)頂為薄壁堰溢流,門(mén)底為閘孔出流,它們的泄流分式分別為和Q孔=be。因此,翻板門(mén)全開(kāi)前總的下泄流量計(jì)算公式為Q=Q堰 Q孔。 由于翻板門(mén)全開(kāi)前后分別按不同流量公式計(jì)算其下泄流量,即翻板門(mén)全開(kāi)前,其下泄流量不僅是門(mén)前水位的函數(shù)而且還與翻板門(mén)開(kāi)度成正比,翻板門(mén)全開(kāi)后,其下泄流量?jī)H隨門(mén)前水位的變化而變化。因此,翻板門(mén)門(mén)前水位下泄流量關(guān)系并非一單調(diào)連續(xù)曲線(xiàn),而是由前后

7、兩段不同的曲線(xiàn)所組成,而且翻板門(mén)全開(kāi)前,該曲線(xiàn)不可逆,即漲退水曲線(xiàn)成一閉合回路,即河道開(kāi)始漲水時(shí)呈上升趨勢(shì),當(dāng)翻板門(mén)與水平夾角等于45°時(shí),翻板門(mén)門(mén)前水位-下泄量曲線(xiàn)開(kāi)始轉(zhuǎn)為下降,這是因?yàn)閺拇碎_(kāi)始,翻板門(mén)擋水功能逐漸退出,其泄流能力過(guò)壩水流逐漸向全堰流轉(zhuǎn)變而陡增所致的暫時(shí)現(xiàn)象。翻板全開(kāi)后,隨著來(lái)水流量的繼續(xù)增大,該曲線(xiàn)開(kāi)始龍?zhí)ь^地單調(diào)上升而不再反復(fù)。退水期,當(dāng)流量較大門(mén)全開(kāi)狀態(tài)即不存在開(kāi)度變化時(shí),隨著來(lái)水減少門(mén)前水位單調(diào)下降即沿漲水曲線(xiàn)回復(fù),但當(dāng)河水流量小到門(mén)全開(kāi)時(shí)最小泄量后,又因翻板門(mén)開(kāi)度減少滯后于河水來(lái)量減少,而造成某河水位下翻板門(mén)實(shí)際泄量大于變小了河道來(lái)水流量,所以這時(shí)翻板門(mén)門(mén)

8、前水位隨著河水來(lái)量的減少而降低,而翻板門(mén)也將隨著門(mén)前水位的降低而開(kāi)始關(guān)閉,但該退水曲線(xiàn)可就不重蹈漲水曲線(xiàn)而另辟蹊徑了。隨著翻板門(mén)的逐漸關(guān)閉并至一定開(kāi)度后其擋水效應(yīng)也隨之顯著加強(qiáng),門(mén)前水位便將逐漸壅高。同時(shí),翻板門(mén)隨著河水來(lái)量的進(jìn)一步減少而繼續(xù)關(guān)閉,于量,門(mén)前水位也將逐漸升高直至正常高水位,至此,翻板門(mén)完全關(guān)閉,正常擋水。        2.3底堰設(shè)計(jì) 大多數(shù)水力自控翻板門(mén)壩均設(shè)有底堰,如何經(jīng)濟(jì)合理地設(shè)計(jì)一個(gè)底堰對(duì)合理選擇門(mén)高,提高整個(gè)翻板門(mén)閘壩的經(jīng)濟(jì)與適應(yīng)性有重要的作用。 2.3.1底堰的一般形狀 水力自控翻板門(mén)俗

9、稱(chēng)活動(dòng)壩,其擋水面板通過(guò)兩長(zhǎng)條形的支墩支承在底堰上。因此,水力自控翻板門(mén)底堰其不僅要滿(mǎn)足抗滑穩(wěn)定的需要,而且還應(yīng)保證其頂寬不小于廠(chǎng)家所提出的最小尺寸,以滿(mǎn)足水力自控翻板門(mén)安裝與運(yùn)行之要求。由此,水力自控翻板門(mén)底堰一般均采用梯形截面。 2.3.2底堰的結(jié)構(gòu)及其構(gòu)造 由于翻板門(mén)底堰一般采用梯形截面,而且安裝要求較寬的堰頂,另外,壩體抗滑穩(wěn)定和壩面泄流順暢等均要求底堰有一定的下游邊坡(1:0.61.0)和反弧鼻坎(面流或挑流的消能方式)。因此,水力自控翻板門(mén)底堰截面將較為龐大,為既保障水力自控翻板門(mén)之構(gòu)造要求,又充分節(jié)省工程量,其底堰可采用砼硬殼或圬工硬殼(即殼內(nèi)填筑砂礫或碎石),還可做成空腹式,即

10、殼內(nèi)干脆不填料。由于硬殼壩滲徑短,故其在軟基上時(shí)應(yīng),在壩體的上游面設(shè)置粘土鋪蓋防滲,鋪蓋長(zhǎng)為35倍水頭,平均厚度不少于1.0m,緊挨上游壩踵處可增至1.5m,下游壩址以下應(yīng)設(shè)排水反濾層。水力自控翻板門(mén)硬殼底堰若建在巖基上,不僅可不設(shè)上游鋪蓋,還可不設(shè)底板,但上游面壩踵應(yīng)伸齒墻入基巖,其深度也應(yīng)使水流滲過(guò)該齒墻的水力梯度水不大于所在基巖的允許滲透坡降(有關(guān)規(guī)范規(guī)定強(qiáng)風(fēng)化巖層允許滲透坡降為35,弱風(fēng)化巖層為510,新鮮巖層10),但一般不小于1.00m;下游壩址也應(yīng)嵌入巖基至少0.5m。這樣,建造于巖基上不設(shè)底板的翻板門(mén)硬殼底堰不僅造價(jià)低廉,而且技術(shù)合理。 2.3.3底堰結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化計(jì)算方法 水力自控

11、翻板門(mén)底堰結(jié)構(gòu)計(jì)算可分其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)(驗(yàn))算和整體穩(wěn)定分析兩方面。而翻板門(mén)硬殼底堰是一空間結(jié)構(gòu),嚴(yán)格地講要進(jìn)行有限元分析,但這很繁復(fù),因此,水工結(jié)構(gòu)界對(duì)此未建立起成熟簡(jiǎn)便的計(jì)算模式?？紤]到翻板門(mén)硬殼底堰一般不高,根據(jù)理論力學(xué),水工鋼筋混凝土和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)學(xué)的基本原理,作些假設(shè)試圖提出其簡(jiǎn)易的計(jì)算方法以滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)的需要。 2.4門(mén)后補(bǔ)氣 翻板門(mén)開(kāi)啟泄流時(shí)其背后存在著一個(gè)三角空間,其內(nèi)空氣將被上下相夾的兩股快速水流挾帶而去,因此形成真空,這勢(shì)必會(huì)使門(mén)葉受力劇增,泄水流態(tài)紊亂,進(jìn)而成翻板門(mén)的振動(dòng)和空蝕破壞。因此,翻板門(mén)存在著一個(gè)門(mén)后補(bǔ)氣的問(wèn)題,即在兩端岸墻上各設(shè)置一個(gè)通氣孔彎出墻側(cè)面通向翻板門(mén)后三

12、角空穴便可。 3應(yīng)用中存在的問(wèn)題 我縣低水頭電站已廣泛采用了水力自控翻板閘門(mén)技術(shù),在具體的運(yùn)用中存在如下問(wèn)題: 3.1設(shè)計(jì)上存在誤區(qū),對(duì)水力自控翻板閘門(mén)的過(guò)水機(jī)理、運(yùn)行特性不了解以及片面夸大泄洪能力而產(chǎn)生的問(wèn)題。 3.1.1水力自控翻板閘門(mén)過(guò)水機(jī)理的復(fù)雜性,使得閘壩的泄洪計(jì)算不能客觀(guān)反映閘門(mén)的泄洪能力。 眾所周知,所有的閘門(mén)在開(kāi)啟泄流都存在著半開(kāi)和全開(kāi)兩種狀況,一般閘門(mén)全開(kāi)前后均僅有開(kāi)度大小之量變而沒(méi)有流態(tài)之質(zhì)變,因此,其泄流計(jì)算公式始終如一,但水力自控翻板門(mén)就不同了,因?yàn)槠淙_(kāi)前,翻板門(mén)門(mén)頂、門(mén)底同時(shí)泄流,且二者勢(shì)均力敵,不可偏廢;全開(kāi)后翻板門(mén)已翻成一近乎平懸在河中的一楔塊,此時(shí)過(guò)水閘門(mén)水流

13、已變成一完全意義上的堰流。由于水力自控翻板閘過(guò)水機(jī)理的復(fù)雜性,也使得泄洪計(jì)算相對(duì)也復(fù)雜起來(lái),在實(shí)際計(jì)算中,有的僅理解全開(kāi)前閘門(mén)的過(guò)水機(jī)理,有的片面地理解成全開(kāi)后的過(guò)水機(jī)理,因此使得泄洪計(jì)算結(jié)果迥然不同,不能給電站閘門(mén)泄洪能力一個(gè)客觀(guān)正確的反映。 3.1.2水力自控翻板閘門(mén)運(yùn)行特性的不了解,致使閘門(mén)規(guī)格選擇不合理。 由于電站建設(shè)中,按常規(guī)大壩建設(shè)往往選擇在河面較窄的地段,這樣雖然在一定程度上節(jié)省了閘壩的工程量,減少了投資,但為渲泄核淹人口標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)就必然要選擇門(mén)高較高的閘門(mén),根據(jù)翻板閘的運(yùn)行特點(diǎn)可知壅水先高之峰值處翻板泄量一般不大,翻板門(mén)越高其壅水先高之峰值就越大,因此,由于選用了門(mén)高較高的翻板

14、,就必然產(chǎn)生兩種情況:一是最高水位不是渲泄核淹土地標(biāo)準(zhǔn)洪水流量而是通過(guò)較小流量時(shí)的門(mén)前水位;二是洪水沒(méi)有達(dá)到相應(yīng)設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)時(shí),洪水位已達(dá)到甚至超過(guò)了設(shè)計(jì)洪水位標(biāo)準(zhǔn)。這樣使得電站在小于洪水標(biāo)準(zhǔn)的洪水中已產(chǎn)生了較大的淹沒(méi),給上游埋下了安全隱患,而且由于這種隱患不易發(fā)現(xiàn),也很難從理論上得到論證,因此,使得電站和當(dāng)?shù)毓まr(nóng)關(guān)系緊張。 3.1.3水力自控翻板閘門(mén)的泄洪能力被片面夸大,使得電站水位選擇原則不合理。 電站為追求經(jīng)濟(jì)效益,在水位選擇時(shí)往往片面夸大水力自控翻板閘門(mén)的泄洪能力,更有甚者,為抬高上游水位,不考慮電站上游水位的抬高對(duì)兩岸地下水位的影響,給兩岸作物的生長(zhǎng)產(chǎn)生了極大的不利影響。另一方面,部

15、分挖潛改造的電站,為節(jié)省投資,在正常水位的確定時(shí)只要求大壩改造成水力自控翻板閘壩后各相應(yīng)水位不抬高就行了,而實(shí)際上,電站大壩改造前就已存在對(duì)上游的淹沒(méi)現(xiàn)象,改造時(shí)沒(méi)能利用水力自控翻板閘對(duì)泄洪的有利作用加以改善對(duì)上游的淹沒(méi)損失,一旦河道過(guò)流條件改變,必須會(huì)產(chǎn)生新的問(wèn)題,產(chǎn)生很大的淹沒(méi)損失,因此工農(nóng)糾紛不斷,舉證困難。 3.2水力自控翻板閘門(mén)固有缺點(diǎn)產(chǎn)生的問(wèn)題。 3.2.1漂浮物堵塞鉸座。        當(dāng)閘門(mén)建在山區(qū)河道上時(shí),河道行洪時(shí)具有勢(shì)猛,速度大,沖刷強(qiáng),漂浮物多等特點(diǎn)。當(dāng)雜草、樹(shù)枝、樹(shù)干等雜物堵塞在鉸座周?chē)?

16、會(huì)影響閘門(mén)的回關(guān),嚴(yán)重的將在閘門(mén)與底板之間形成縫隙,閘前蓄不上水。汛后清理這些雜物也比較困難,需要千斤頂、吊車(chē)或滑輪組把閘門(mén)開(kāi)啟起來(lái)清除,給管理工作帶來(lái)很大的麻煩,還會(huì)造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。因此如何解決排漂的問(wèn)題是翻板閘門(mén)能否在山區(qū)河道應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。 3.2.2運(yùn)行穩(wěn)定問(wèn)題。 由于這種閘門(mén)的運(yùn)行環(huán)境和受力情況比較復(fù)雜,而其設(shè)計(jì)計(jì)算理論目前尚不十分完善,運(yùn)行中普遍存在著諸多不穩(wěn)定現(xiàn)象,如突然翻倒、頻繁擺動(dòng)和“拍打”現(xiàn)象,這些就是通常所說(shuō)的“失穩(wěn)”。所有這些失穩(wěn)現(xiàn)象,對(duì)閘門(mén)的正常運(yùn)行是非常有害的,輕者能引起工程結(jié)構(gòu)的整體振動(dòng),產(chǎn)生噪音,重者可導(dǎo)致閘門(mén)破壞。 4主要對(duì)策 解決上述存在的問(wèn)題,應(yīng)從水力

17、自控翻板閘門(mén)特點(diǎn)、設(shè)計(jì)理論及其固有缺點(diǎn)上加以認(rèn)識(shí),找出水力自控翻板閘門(mén)在應(yīng)用中存在問(wèn)題的解決方法,才能更好地發(fā)揮水力自控翻板閘在低水頭電站建設(shè)中的優(yōu)勢(shì)。 4.1針對(duì)設(shè)計(jì)上的誤區(qū),要充分認(rèn)識(shí)和了解水力自控翻板閘門(mén)的過(guò)水機(jī)理和運(yùn)行特性,運(yùn)用相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算理論,并分析電站建設(shè)前后河道過(guò)流條件變化的趨勢(shì),進(jìn)行科學(xué)的規(guī)劃設(shè)計(jì)。 4.2針對(duì)水力自控翻板閘門(mén)的固有缺點(diǎn),采取靈活有效的工程措施來(lái)解決水力自控翻板閘門(mén)的不足。 4.2.1解決漂浮物堵塞鉸座的方法有以下幾種:一是在上游設(shè)置導(dǎo)流墩,將漂浮物導(dǎo)向鉸座兩邊,減少漂浮物對(duì)鉸座的堵塞。缺點(diǎn)由于回流等因素的影響仍有剩余漂浮物會(huì)沖到鉸座里;二是在門(mén)前設(shè)置攔污柵,缺點(diǎn)是要定期的清除柵前的漂浮物;三是在連桿上焊接一人弧形的攔污柵,大小視保護(hù)的范圍而定,在閘門(mén)開(kāi)啟或關(guān)閉時(shí),連桿和攔污柵一起運(yùn)動(dòng)。這種方案效果比較好。 4.2.2由于影響閘門(mén)穩(wěn)定的因素很多,其中主要有:一是閘門(mén)面板上的溢流水舌與閘下孔流間形成空腔,空腔中的空氣被水流帶走形成不穩(wěn)定的負(fù)壓;二是閘門(mén)兩側(cè)邊壁使過(guò)閘水流兩側(cè)形成漏斗,帶入空氣使空腔壓力不穩(wěn);三是閘門(mén)剛開(kāi)