水力自控翻板門壩設(shè)計(jì)芻議

1、水力自控翻板門壩設(shè)計(jì)芻議    摘要：水力自控翻板門壩在一定程度上既保護(hù)了河道的自然生 態(tài)，又節(jié)省工程造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用，若翻板門配以硬殼底堰，優(yōu)勢(shì)則更為明顯。本文介紹了翻 板門的選擇、底堰設(shè)計(jì)和門后補(bǔ)氣設(shè)計(jì)，并給出了工程實(shí)例。關(guān)鍵詞：水力翻板門壩；水位流量關(guān)系曲線；硬殼壩；設(shè)計(jì) 1前言水力自控翻板 門是一種“活動(dòng)”的擋 水建筑物，它不需要任何外加動(dòng)力和人工伺候，完全由門前水位變化引起作用于門板上的水 壓力改變而實(shí)現(xiàn)閘門啟閉。水力自控翻板門已由多鉸式升級(jí)換代為滾輪連桿式，技術(shù)成熟、 質(zhì)量可靠；而且由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、使用方便、運(yùn)行費(fèi)少，被廣泛運(yùn)用于中小

2、型引 水工程中，尤其適合在供電、交通條件不便且易漲、易落的山溪性河道上建造。滾輪連桿式 水力自控翻板門由預(yù)制鋼筋混凝土面板、支腿、支墩與滾輪等金屬物件組裝而成。正常擋水 位等于或略低于頂高程，當(dāng)門前水位高于門頂0.10.3m時(shí)，門板自動(dòng)開始翻啟；而當(dāng)門 前河水位低于0.70.8門高之高程時(shí)，門板又自動(dòng)回復(fù)至關(guān)閉狀。滾輪連桿式水力自控翻 板門在湖南、浙江生產(chǎn)使用較多，已有了十多年的成功經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)正在全國(guó)推廣。因此，本文 就如何更好地選用該翻板門來設(shè)計(jì)壅水建筑物作一介紹。水力 自控翻板門一般按定型設(shè)計(jì)生 產(chǎn)，通常提供有門高為1.2、1.7、2.0、2.5、3.0、3.3、4.0和4.5m近十種規(guī)格，

3、 而門高小于3.0m的扇寬為6.0m，門高大于3.0m的扇寬為8.0m，同時(shí)4.5m門高的也有扇 寬為9.0m者。水力自控翻板門由廠家負(fù)責(zé)翻板門各部件的設(shè)計(jì)、制作與安裝，因此作為 翻板門壩工設(shè)計(jì)實(shí)際上是進(jìn)行翻板門的合理選配，同時(shí)完成其底座底堰或底板及壩上、下 游護(hù)岸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。2翻板門的選擇2.1翻板門總長(zhǎng)度 的選擇翻板門價(jià)格幾乎與門高的平方成正比，而且門高大于3.5m時(shí)增幅尤為明顯，因此長(zhǎng)壩配矮 門往往較短壩配高門方案經(jīng)濟(jì)。于是，在地質(zhì)等條件變化不大的情況下，可將壩址選在河 面較寬的地段，以增加翻板門的總長(zhǎng)度，若配建河床式電站尤需如此，因其廠房已占據(jù)了一 定的河床寬。2.2翻板門高度的選擇翻

4、板門的高度需通過水力試算來確定。 水力自控翻板門有其獨(dú)特的運(yùn)行特性(見圖1)：(1)當(dāng)河水位高于門頂高程0.10.3m時(shí)， 翻板門開始翻啟泄流；(2)在翻板門全開前，門頂和門底同時(shí)泄流，且二者泄流量幾乎相同 ；(3)翻板門全開后已成近乎于平懸在河中的一楔塊(與水平夾角最小僅為10°)，由于 門厚僅0.20.3m，對(duì)閘壩泄流阻礙不大，過閘水流已完全變成堰流。因此，翻板門全開 前后要分別按不同的流量公式計(jì)算下泄流量。(1)翻板門全開前，因門頂為薄壁堰溢流、門底為閘孔出流，故閘壩泄量為二者之和1，(2)翻板門全開后的泄量計(jì)算公式1為：式中淹沒系數(shù) ，可根據(jù)翻板門底堰的水流淹沒程度在0.41

5、.00間取值； 流量系數(shù)，當(dāng)門未全開時(shí)可按薄壁堰形、通過巴生公式或雷克 公式計(jì)取，而在門全開后若翻板門設(shè)底堰且截面為梯形時(shí)則按其形狀與尺寸查直線形實(shí)用斷 面堰的流量系數(shù)表格，可取0.330.40(新村翻板門壩取0.35)；底孔流量系數(shù)；門扇寬； 門頂過水深；門底出流孔口高度； 考慮翻板門全開時(shí)其近乎平懸在水流中對(duì)泄流影響的折減系數(shù)(包括側(cè)收 縮系數(shù))，原則上通過水工模型試驗(yàn)確定，無(wú)試驗(yàn)資料時(shí)一般可取0.930.95(門高 時(shí)取大值，門矮時(shí)取小值)；堰上水頭；重力加速度。由上述公式可知，翻板門全開前，下泄流量不僅是門前水位的函數(shù)而且還與翻板門開度成正 比；翻板門全開后，下泄流量?jī)H隨門前水位的變化

6、而變化。因此，翻板門門前水位下泄量 關(guān)系并非是一單調(diào)連續(xù)曲線，而是由前后兩段(嚴(yán)格地講是三段，還應(yīng)包括翻板門開啟前僅 門頂溢流之極短的一小段，因在圖中很難辨分，故不單列)不同的曲線所組成，而且翻板門 全開前，該曲線不可逆，即漲退水曲線成一閉合回路(見圖2)。水力自控翻板門壩設(shè)計(jì)芻議    :    該曲線形成過 程是：漲水 時(shí)當(dāng)河水位高于門頂高程0.10.3m時(shí)，翻板門開始翻啟泄流，但門前水位隨著河道中來 水 流量的不斷增大而升高，反過來，翻板門的下泄流量又隨著門前水位的上漲而增大。這是動(dòng) 態(tài)平衡，而且門開度增加總

7、滯后于河水來量的增加。因此，翻板門門前水位下泄流量曲線 在河道開始漲水時(shí)呈上升趨勢(shì)。當(dāng)翻板門與水平夾角等于45°時(shí)，翻板門門前水位下泄量 曲線開始轉(zhuǎn)為下降。這是因?yàn)閺拇碎_始，翻板門擋水功能開始逐漸退出，是其泄流能力因過 壩(堰)水流流態(tài)逐漸向全堰流轉(zhuǎn)變而陡增所致的暫時(shí)現(xiàn)象。翻板門全開后，隨著來水流量的 繼續(xù)增大，下泄流量也隨之增大，曲線開始單調(diào)上升而不再反復(fù)。在退水期，當(dāng)下泄流量較 大門處于全開狀態(tài)即不存在開度變化時(shí)，隨著來水減少門前水位單調(diào)下降即沿漲水曲線回復(fù) ；但當(dāng)河水流量小至其下泄流量不足使門全開時(shí)的最小下泄量后，又因翻板門開度減少滯后 于河水來水量減少，而造成某水位下翻板門實(shí)

8、際泄量大于河道中需下泄的流量，此時(shí)翻板門 門前水位隨著河水來量的減少而降低，翻板門也將隨著門前水位的降低開始關(guān)閉，但該退水 曲線不再重復(fù)漲水曲線。隨著翻板門的逐漸關(guān)閉并至一定開度后，其擋水效應(yīng)隨之顯著加強(qiáng) ，門前水位逐漸壅高，同時(shí)，翻板門隨著河水來量的進(jìn)一步減少而繼續(xù)關(guān)閉，于是門前水位 逐漸升高直至正常高水位，至此，翻板門完全關(guān)閉，開始正常擋水。從圖2可見 ，門前水位有一先高后低然后又重新漲高的變化過程。它有兩個(gè)顯著特點(diǎn)：一是該壅水先高 之峰值泄量一般不大；二是翻板門越高其壅水先高之峰值越大。由于工程核準(zhǔn)淹沒土地標(biāo)準(zhǔn) 的洪水流量一般較大，大壩宣泄該頻率來水至需下泄流量時(shí)翻板門已全開，因此，應(yīng)使

9、按全 開狀況計(jì)算出的門前水位不低于上述先高峰值，否則，門高還可選小，因?yàn)榇藭r(shí)確定土地淹 沒與否的最高水位不是宣泄核準(zhǔn)淹沒土地標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)需下泄流量，而是通過較小流量時(shí)門前水 位(即上述先高峰值)，這樣所選的翻板門限制水位的能力未充分挖掘出來。當(dāng)然，若按上述 原則合理選定門高后的翻板門壩宣泄核淹人口標(biāo)準(zhǔn)洪水(之相應(yīng)需下泄流量)時(shí)，壩上游回水 位高于設(shè)計(jì)限制水位，應(yīng)當(dāng)別論了。3底堰設(shè)計(jì) 論文水力自控翻板門壩設(shè)計(jì)芻議    水力自控翻板門由于其“活動(dòng)”性而具有比同高固定堰更高的造價(jià)，以及因其門高一般 不大于5m，因此，大多數(shù)水力自控翻板門壩均設(shè)有底堰。3.1底堰的

10、截面形 狀由于水力自控翻板門是通過2個(gè)長(zhǎng)條形支墩支承在底堰上的，因此水力自控翻板門底堰 不僅要滿足抗滑穩(wěn)定要求，還應(yīng)保證其頂寬不小于廠家所提出的最小尺寸，以滿足水力自控 翻板 門安裝與運(yùn)行要求。譬如，浙江衢州河江廠要求：當(dāng)翻板門高2.5m時(shí)，底堰頂寬不小于4.5m；而當(dāng)翻板門高4.5m時(shí)，底堰頂寬應(yīng)不小于6.4m。這就決定了水力自控翻板門的底堰不 可能設(shè)計(jì)成駝峰堰或曲線形實(shí)用堰，一般均采用梯形截面。3.2底堰的結(jié)構(gòu)及其構(gòu)造由于翻板門底堰一般采用梯形截面，且具有滿足安門要求的寬堰頂，壩體抗滑穩(wěn)定和壩面泄 流順暢等又要求底堰有一定的下游邊坡(10.611.0)和反弧鼻坎(若選擇面流或挑流 消能方式

11、)，因此底堰截面比較大。若作成混凝土或圬工實(shí)心壩會(huì)因內(nèi)應(yīng)力極小(翻板 門底堰壩高一般較小)，壩體材料強(qiáng)度得不到充分發(fā)揮，無(wú)疑是不合理和不經(jīng)濟(jì)的。為既保障水力自控翻板門的構(gòu)造要求，又充分節(jié)省工程量，其底堰可采用混凝土硬殼或圬工硬殼(即殼內(nèi)填筑砂礫或碎石)。因?yàn)?，每扇翻板門寬度一般為69m，而且每扇門有兩個(gè)支墩，為了支承和錨固支墩，應(yīng)按每扇門支墩的位置修筑隔墻，故隔墻間距一般不大。因此，底堰還可做成空腹式，即殼內(nèi)不填料。這種硬殼底堰由于外荷、內(nèi)應(yīng)力極小一般可不配受力筋。但為適應(yīng)殘存溫度應(yīng)力，防止硬殼開裂，可沿硬殼外表面選配&oslash8&oslash12250×250m

12、m的鋼筋網(wǎng)，同時(shí)也有利于提高底堰表面的防沖性能。另外，翻板門支墩預(yù)留槽下游側(cè)硬殼混凝土中應(yīng)布置數(shù)根&oslash2025mm的彎起鋼筋，以增強(qiáng)預(yù)留槽后混凝土硬殼的抗剪強(qiáng)度和抗沖出能力。由于水力自控翻板門硬殼底堰滲徑短，若建在軟基上需設(shè)置鋪蓋或其它防滲設(shè)施；若建在巖基上，不僅可不設(shè)上游鋪蓋，還可不設(shè)底板。但上游面壩踵齒墻應(yīng)伸入基巖，深度應(yīng)使水流滲過齒墻的水力梯度不大于所在基巖的允許滲透坡降，一般不小于1.00m；下游壩址也應(yīng)嵌入巖基至少0.5m。這樣，建于巖基上不設(shè)底板的翻板門硬殼底堰有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)底堰揚(yáng)壓力很小(因排水順暢)，抗滑穩(wěn)定性好；(2)因其縱向抗滑穩(wěn)定無(wú)需巨大的自重，同時(shí)

13、還可根據(jù)受力狀況調(diào)整其結(jié)構(gòu)形狀(如做成微拱內(nèi)緣等)，因此可充分利用和發(fā)揮堰體材料的強(qiáng)度；(3)硬殼堰原本就是一空間超靜定結(jié)構(gòu)，外加隔墻的間距較小，所以其側(cè)向穩(wěn)定性好。3.3底堰結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化計(jì)算方法因翻板門的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，但考慮到翻板門硬殼底堰 一般不高，可根據(jù)理論力學(xué)、材料力學(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， 采用簡(jiǎn)易的計(jì)算方法可滿足工程設(shè)計(jì)的實(shí)用需要1。水力自控翻板門壩設(shè)計(jì)芻議    :    3.3.1整體穩(wěn)定分析有底板硬殼底堰的整體穩(wěn)定分析與實(shí)體堰無(wú)異，只是在具體的

14、計(jì)(驗(yàn))算中因空腹排水順 暢(底板設(shè)排水孔通入壩體空腔中)，基底的揚(yáng)壓力取值將大為降低。對(duì)于建在基巖上無(wú)底板 的硬殼堰，在穩(wěn)定分析時(shí)要考察沿隔墻和堰趾的底面并切割堰踵齒墻滑動(dòng)的組合面。這時(shí) 腹中填料對(duì)堰體抗滑穩(wěn)定的作用主要是它們對(duì)上、下游硬殼內(nèi)緣面的主動(dòng)壓力差(因上游硬 殼內(nèi)緣高大于下游)，另外空腹很好做排水，而使堰體揚(yáng)壓力很小。具體揚(yáng)壓力可視排水 孔(溝)設(shè)置的多寡及填料滲水性優(yōu)劣等因素參考寬縫重力壩揚(yáng)壓力分布圖取值。堰體的抗滑 穩(wěn)定分析還要考察沿硬殼堰趾踵和隔墻的底面并切割它們所包圍巖體的滑動(dòng)組合面或其它更 可能發(fā)生的滑動(dòng)面。3.3.2結(jié)構(gòu)強(qiáng)度簡(jiǎn)化計(jì)(驗(yàn))算硬殼底堰呈箱型結(jié)構(gòu)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，

15、可將硬殼近似地看作曲折成梯形的上底和兩腰三組平面 (見圖3)，而且可認(rèn)為橫隔墻在其自身平面內(nèi)剛度極大，不發(fā)生變形和位移2(在 垂直于隔墻的平面內(nèi)，因墻厚較大且沒有垂直于墻面的不平衡荷載作用也不會(huì)發(fā)生變形)， 因而連接在橫隔墻上的三組硬殼(板)自然不會(huì)在其自身平面內(nèi)(其剛度同樣也可認(rèn)為極大) 發(fā)生變形與位移。這樣就可將硬殼底堰結(jié)構(gòu)分析這一空間問題轉(zhuǎn)化為平面問題，即僅考慮硬 殼在內(nèi)外水壓力、泥砂或內(nèi)填料的側(cè)壓力等荷載直接作用下的局部彎曲(垂直于其自身平面) 便可。因此，硬殼板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算方法極相似于工民建中的樓蓋。計(jì)算出結(jié)構(gòu)內(nèi)力 后，再按混凝土或少筋混凝土結(jié)構(gòu)驗(yàn)算其安全度或配筋，受力筋還可與溫度

16、筋一并配置 。由于硬殼厚度按整體穩(wěn)定和構(gòu)造要求確定，一般較大，因此，硬殼作為板，能滿足斜截 面抗剪強(qiáng)度要求，設(shè)計(jì)時(shí)可不進(jìn)行抗剪驗(yàn)算2，但在堰體與河床交界面(圖3中A -A截面)等特征截面上需與隔墻一道進(jìn)行抗剪驗(yàn)算。橫隔墻僅作局部受壓和抗剪驗(yàn)算即可 ， 如驗(yàn)算水力翻板門支墩基座面(底面和后側(cè)面)的受壓和支墩基座后側(cè)橫隔墻體楔塊被沖出的 抗剪強(qiáng)度等。為精確起見，可像工民建中的剪力墻一樣按等效抗剪剛度理論計(jì)(驗(yàn))算橫隔墻 在水平水壓力作用下的內(nèi)力與位移，但橫隔墻一般無(wú)需整體配筋。 4門后補(bǔ)氣設(shè)計(jì)從圖1可見，翻板門翻啟泄流時(shí)背后存在著一三角空間，其內(nèi) 空氣被上下相夾的兩股快速水流挾帶而去形成真空，導(dǎo)致

17、門葉受力劇增、泄水流態(tài)紊亂，進(jìn) 而造成翻板門振動(dòng)和空蝕破壞。因此翻板門存在著門后補(bǔ)氣的問題。由于眾多的翻板門是 一字排開的，故當(dāng)翻板門泄流時(shí)在門背后形成的三角空穴區(qū)沿壩軸線方向?qū)嶋H上貫通的，自 然地成為補(bǔ)氣的通道，盡管有支墩仍不能將其隔斷。因?yàn)橹Ф斩绦∥茨芊忾]該三角斷面，每 座水力自控翻板門壩只需在兩端岸墻上各設(shè)置一通氣孔彎出岸墻側(cè)面通向翻板門后三角空穴 區(qū)(通氣孔彎出口應(yīng)高出底堰頂面一定高度，以免被底孔出流淹沒而失效)即可。通氣孔設(shè) 計(jì)應(yīng)按門后三角區(qū)完全被淹沒前的最不利狀況考慮。參考泄水隧洞中的工作閘門和事故門后 通氣孔設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)公式3，可引伸出水力自控翻板門通氣孔通氣量的計(jì)算公式為式中翻翻板門壩單側(cè)通氣的通氣量；全開翻板門全開時(shí)整個(gè)翻板門壩的泄水流量； 通氣孔的允許風(fēng)速， 一般不超過4045m/s；通氣孔的斷面面積 。該通氣量算式的物理意義是，通氣孔應(yīng)滿足對(duì)翻板門全開時(shí)整個(gè)翻板門壩的泄水流量摻 氣9%之要求。這是因?yàn)橛嘘P(guān)研究資料表明，高速水流若被摻氣大于7%時(shí)，對(duì)建筑物的破壞能 力將大為降低。若為了安全簡(jiǎn)便起見，也可直接按翻板門壩的設(shè)計(jì)洪峰流量(因?yàn)樵O(shè)計(jì)全開)來設(shè)計(jì)通氣孔，其通氣孔直徑并不大。從投資意義上來講，在岸 墻設(shè)一大空洞，不但不