浅谈水力自控翻板闸门的设计

发布日期:2018-01-19   浏览次数:858

水力自控翻板闸门是一种“活动”的挡水建筑物,它不需要任何外加动力和人工伺候,完全由门前水位变化引起作用于门板上的水压力改变而实现闸门启闭。水力自控翻板门已由多铰式升级换代为滚轮连杆式,技术成熟、质量可靠;而且由于其结构简单、造价低廉、使用方便、运行费少,被广泛运用于中小型引水工程中,尤其适合在供电、交通条件不便且易涨、易落的山溪性河道上建造。滚轮连杆式水力自控翻板门由预制钢筋混凝土面板、支腿、支墩与滚轮等金属物件组装而成。正常挡水位等于或略低于顶高程,当门前水位高于门顶0.1~0.3m时,门板自动开始翻启;而当门前河水位低于0.7~0.8门高之高程时,门板又自动回复至关闭状。滚轮连杆式水力自控翻板门在湖南、浙江生产使用较多,已有了十多年的成功经验,现正在全国推广。因此,本文就如何更好地选用该翻板门来设计壅水建筑物作一介绍。水力自控翻板门一般按定型设计生产,通常提供有门高为1.2、1.7、2.0、2.5、3.0、3.3、4.0和4.5m近十种规格,而门高小于3.0m的扇宽为6.0m,门高大于3.0m的扇宽为8.0m,同时4.5m门高的也有扇宽为9.0m者。

水力自控翻板闸门由厂家负责翻板门各部件的设计、制作与安装,因此作为翻板门坝工设计实际上是进行翻板门的合理选配,同时完成其底座—底堰或底板及坝上、下 游护岸的结构设计。

2、翻板门的选择

2.1翻板门总长度的选择。翻板门价格几乎与门高的平方成正比,而且门高大于3.5m时增幅尤为明显,因此长坝配矮门往往较短坝配高门方案经济。于是,在地质等条件变化不大的情况下,可将坝址选在河面较宽的地段,以增加翻板门的总长度,若配建河床式电站尤需如此,因其厂房已占据了一定的河床宽。

2.2翻板门高度的选择

翻板门的高度需通过水力试算来确定。

水力自控翻板门有其独特的运行特性:(1)当河水位高于门顶高程0.1~0.3m时,翻板门开始翻启泄流;(2)在翻板门全开前,门顶和门底同时泄流,且二者泄流量几乎相同 ;(3)翻板门全开后已成近乎于平悬在河中的一楔块(与水平夹角最小仅为10°),由于门厚仅0.2~0.3m,对闸坝泄流阻碍不大,过闸水流已完全变成堰流。因此,翻板门全开前后要分别按不同的流量公式计算下泄流量。

(1)翻板门全开前,因门顶为薄壁堰溢流、门底为闸孔出流,故闸坝泄量为二者之和,

(2)翻板门全开后的泄量计算公式为:

式中σs——淹没系数 ,可根据翻板门底堰的水流淹没程度在0.4~1.00间取值;

m ——流量系数,当门未全开时可按薄壁堰形、通过巴生公式或雷克 公式计取,而在门全开后若翻板门设底堰且截面为梯形时则按其形状与尺寸查直线形实用断 面堰的流量系数表格,可取m=0.33~0.40(新村翻板门坝取m=0.35);

μ——底孔流量系数;

b——门扇宽;

Hv——门顶过水深;

e——门底出流孔口高度;

η ——考虑翻板门全开时其近乎平悬在水流中对泄流影响的折减系数(包括侧收 缩系数ε),原则上通过水工模型试验确定,无试验资料时一般可取0.93~0.95(门高 时取大值,门矮时取小值);

H——堰上水头;

g——重力加速度。

由上述公式可知,翻板门全开前,下泄流量不仅是门前水位的函数而且还与翻板门开度成正 比;翻板门全开后,下泄流量仅随门前水位的变化而变化。因此,翻板门门前水位~下泄量 关系并非是一单调连续曲线,而是由前后两段(严格地讲是三段,还应包括翻板门开启前仅 门顶溢流之极短的一小段,因在图中很难辨分,故不单列)不同的曲线所组成,而且翻板门 全开前,该曲线不可逆,即涨退水曲线成一闭合回路。

该曲线形成过 程是:涨水 时当河水位高于门顶高程0.1~0.3M时,翻板门开始翻启泄流,但门前水位随着河道中来 水 流量的不断增大而升高,反过来,翻板门的下泄流量又随着门前水位的上涨而增大。这是动 态平衡,而且门开度增加总滞后于河水来量的增加。因此,翻板门门前水位~下泄流量曲线 在河道开始涨水时呈上升趋势。当翻板门与水平夹角等于45°时,翻板门门前水位~下泄量 曲线开始转为下降。这是因为从此开始,翻板门挡水功能开始逐渐退出,是其泄流能力因过 坝(堰)水流流态逐渐向全堰流转变而陡增所致的暂时现象。翻板门全开后,随着来水流量的 继续增大,下泄流量也随之增大,曲线开始单调上升而不再反复。在退水期,当下泄流量较 大门处于全开状态即不存在开度变化时,随着来水减少门前水位单调下降即沿涨水曲线回复 ;但当河水流量小至其下泄流量不足使门全开时的最小下泄量后,又因翻板门开度减少滞后 于河水来水量减少,而造成某水位下翻板门实际泄量大于河道中需下泄的流量,此时翻板门 门前水位随着河水来量的减少而降低,翻板门也将随着门前水位的降低开始关闭,但该退水 曲线不再重复涨水曲线。随着翻板门的逐渐关闭并至一定开度后,其挡水效应随之显著加强 ,门前水位逐渐壅高,同时,翻板门随着河水来量的进一步减少而继续关闭,于是门前水位 逐渐升高直至正常高水位,至此,翻板门完全关闭,开始正常挡水。从图2可见 ,门前水位有一先高后低然后又重新涨高的变化过程。它有两个显著特点:一是该壅水先高 之峰值泄量一般不大;二是翻板门越高其壅水先高之峰值越大。由于工程核准淹没土地标准 的洪水流量一般较大,大坝宣泄该频率来水至需下泄流量时翻板门已全开,因此,应使按全 开状况计算出的门前水位不低于上述先高峰值,否则,门高还可选小,因为此时确定土地淹 没与否的最高水位不是宣泄核准淹没土地标准相应需下泄流量,而是通过较小流量时门前水 位(即上述先高峰值),这样所选的翻板门限制水位的能力未充分挖掘出来。当然,若按上述 原则合理选定门高后的翻板门坝宣泄核淹人口标准洪水(之相应需下泄流量)时,坝上游回水 位高于设计限制水位,应当别论了。

3、底堰设计

水力自控翻板门由于其“活动”性而具有比同高固定堰更高的造价,以及因其门高一般 不大于5M,因此,大多数水力自控翻板门坝均设有底堰。Y-%|Gfb7R De€H_+ ;w-GZ7/G

由于水力自控翻板门是通过2个长条形支墩支承在底堰上的,因此水力自控翻板门底堰 不仅要满足抗滑稳定要求,还应保证其顶宽不小于厂家所提出的最小尺寸,以满足水力自控 翻板 门安装与运行要求。譬如,浙江衢州河江厂要求:当翻板门高2.5M时,底堰顶宽不小于4.5M;而当翻板门高4.5M时,底堰顶宽应不小于6.4M。这就决定了水力自控翻板门的底堰不 可能设计成驼峰堰或曲线形实用堰,一般均采用梯形截面。

3.2底堰的结构及其构造

由于翻板门底堰一般采用梯形截面,且具有满足安门要求的宽堰顶,坝体抗滑稳定和坝面泄 流顺畅等又要求底堰有一定的下游边坡(1∶0.6~1∶1.0)和反弧鼻坎(若选择面流或挑流 消能方式),因此底堰截面比较大。若作成混凝土或圬工实心坝会因内应力极小(翻板 门底堰坝高一般较小),坝体材料强度得不到充分发挥,无疑是不合理和不经济的。

为既保障水力自控翻板门的构造要求,又充分节省工程量,其底堰可采用混凝土硬壳或圬工硬壳(即壳内填筑砂砾或碎石)。因为,每扇翻板门宽度一般为6~9M,而且每扇门有两个支墩,为了支承和锚固支墩,应按每扇门支墩的位置修筑隔墙,故隔墙间距一般不大。因此,底堰还可做成空腹式,即壳内不填料。这种硬壳底堰由于外荷、内应力极小一般可不配受力筋。但为适应残存温度应力,防止硬壳开裂,可沿硬壳外表面选配Ø8~Ø12@250×250MM的钢筋网,同时也有利于提高底堰表面的防冲性能。另外,翻板门支墩预留槽下游侧硬壳混凝土中应布置数根Ø20~25MM的弯起钢筋,以增强预留槽后混凝土硬壳的抗剪强度和抗冲出能力。

由于水力自控翻板门硬壳底堰渗径短,若建在软基上需设置铺盖或其它防渗设施;若建在岩基上,不仅可不设上游铺盖,还可不设底板。但上游面坝踵齿墙应伸入基岩,深度应使水流渗过齿墙的水力梯度不大于所在基岩的允许渗透坡降,一般不小于1.00M;下游坝址也应嵌入岩基至少0.5M。这样,建于岩基上不设底板的翻板门硬壳底堰有如下优点:(1)底堰扬压力很小(因排水顺畅),抗滑稳定性好;(2)因其纵向抗滑稳定无需巨大的自重,同时还可根据受力状况调整其结构形状(如做成微拱内缘等),因此可充分利用和发挥堰体材料的强度;(3)硬壳堰原本就是一空间超静定结构,外加隔墙的间距较小,所以其侧向稳定性好。

3.3底堰结构简化计算方法

因翻板门的硬壳底堰是一空间结构,严格地讲要进行有限元分析,但考虑到翻板门硬壳底堰一般不高,可根据理论力学、材料力学、水工钢筋混凝土和钢筋混凝土结构学的基本原理,采用简易的计算方法可满足工程设计的实用需要[1]。

3.3.1整体稳定分析

有底板硬壳底堰的整体稳定分析与实体堰无异,只是在具体的计(验)算中因空腹排水顺 畅(底板设排水孔通入坝体空腔中),基底的扬压力取值将大为降低。对于建在基岩上无底板 的硬壳堰,在稳定分析时要考察沿隔墙和堰趾的底面并切割堰踵齿墙滑动的组合面。这时 腹中填料对堰体抗滑稳定的作用主要是它们对上、下游硬壳内缘面的主动压力差(因上游硬 壳内缘高大于下游),另外空腹很好做排水,而使堰体扬压力很小。具体扬压力可视排水 孔(沟)设置的多寡及填料渗水性优劣等因素参考宽缝重力坝扬压力分布图取值。堰体的抗滑 稳定分析还要考察沿硬壳堰趾踵和隔墙的底面并切割它们所包围岩体的滑动组合面或其它更 可能发生的滑动面。

3.3.2结构强度简化计(验)算

硬壳底堰呈箱型结构,为简化计算,可将硬壳近似地看作曲折成梯形的上底和两腰三组平面,而且可认为横隔墙在其自身平面内刚度极大,不发生变形和位移[2](在 垂直于隔墙的平面内,因墙厚较大且没有垂直于墙面的不平衡荷载作用也不会发生变形),因而连接在横隔墙上的三组硬壳(板)自然不会在其自身平面内(其刚度同样也可认为极大) 发生变形与位移。这样就可将硬壳底堰结构分析这一空间问题转化为平面问题,即仅考虑硬壳在内外水压力、泥砂或内填料的侧压力等荷载直接作用下的局部弯曲(垂直于其自身平面)便可。因此,硬壳板的结构强度计算方法极相似于工民建中的楼盖。

计算出结构内力后,再按混凝土或少筋混凝土结构验算其安全度或配筋,受力筋还可与温度筋一并配置。由于硬壳厚度按整体稳定和构造要求确定,一般较大,因此,硬壳作为板,能满足斜截面抗剪强度要求,设计时可不进行抗剪验算[2],但在堰体与河床交界面(图3中A -A截面)等特征截面上需与隔墙一道进行抗剪验算。

横隔墙仅作局部受压和抗剪验算即可,如验算水力翻板门支墩基座面(底面和后侧面)的受压和支墩基座后侧横隔墙体楔块被冲出的 抗剪强度等。为精确起见,可像工民建中的剪力墙一样按等效抗剪刚度理论计(验)算横隔墙在水平水压力作用下的内力与位移,但横隔墙一般无需整体配筋。

4、门后补气设计

翻板门翻启泄流时背后存在着一三角空间,其内 空气被上下相夹的两股快速水流挟带而去形成真空,导致门叶受力剧增、泄水流态紊乱,进 而造成翻板门振动和空蚀破坏。因此翻板门存在着门后补气的问题。

由于众多的翻板门是一字排开的,故当翻板门泄流时在门背后形成的三角空穴区沿坝轴线方向实际上贯通的,自然地成为补气的通道,尽管有支墩仍不能将其隔断。因为支墩短小未能封闭该三角断面,每座水力自控翻板门坝只需在两端岸墙上各设置一通气孔弯出岸墙侧面通向翻板门后三角空穴区(通气孔弯出口应高出底堰顶面一定高度,以免被底孔出流淹没而失效)即可。

通气孔设计应按门后三角区完全被淹没前的最不利状况考虑。参考泄水隧洞中的工作闸门和事故门后 通气孔设计的经验公式[3],可引伸出水力自控翻板门通气孔通气量的计算公式为式中Qa翻——翻板门坝单侧通气的通气量;

Q全开——翻板门全开时整个翻板门坝的泄水流量;

[Va]——通气孔的允许风速,一般不超过40~45m/s;

a——通气孔的断面面积。

该通气量算式的物理意义是,通气孔应满足对翻板门全开时整个翻板门坝的泄水流量掺 气9%之要求。这是因为有关研究资料表明,高速水流若被掺气大于7%时,对建筑物的破坏能 力将大为降低。若为了安全简便起见,也可直接按翻板门坝的设计洪峰流量(因为Q设计≥Q全开)来设计通气孔,其通气孔直径并不大。从投资意义上来讲,在岸 墙设一大空洞,不但不增加而且还将减少工程量,如安装有13扇3.5m×8m翻板门的新村水 大坝,按Q设计=2 015m3/s计算出每侧通气孔直径为800mm。