浅谈水力自控翻板闸门的选用

张 军

(杭州市水利水电勘测设计院桐庐分院,浙江 桐庐 311500)

1 问题的提出

水力自控翻板门出现于20世纪70年代中期,由于该类闸门运行可靠、安装方便,历时短、造价相对较低且无须人为操作,使得翻板闸门逐渐在中小型水利工程中使用,并且迅速成为小型水利工程中的首选闸门。

做为控制水库或河道水位使用的闸门,水力自控翻板门在很多方面与其它闸门类似,也同样有闸孔出流的水力特性,但是也有与其它闸门完全不同的地方,这就需要设计人员详细了解翻板门的运行特性及水力计算。

翻板闸门在水利工程中的使用已经有数十年,但我国目前仍无此类闸门的水力行业设计规范及统一的水力计算方法。

目前,在对翻板闸门泄流量计算时多数厂家或设计单位都忽略挡水门板的存在,并按堰流计算,取宽顶堰或实用堰的流量系数乘以一个折减系数进行计算。特定情况下这样简化计算得出的结果与实际过流量是很接近的,特别是在闸门全部开启后,门板自身已经与水流方向几乎平行,因为门板厚度较薄,多在0.2～0.3 m之间,其厚度与溢洪水深相比很小,但是由此计算得出的闸前水位却不一定是最高水位,有时会与实际最高水位相差很大,甚致是错误的,从而直接影响大坝及其它附属建筑物的安全运行,并且直接影响到对库尾可能造成的淹没程度的估量,对工程投资及库尾淹没区产生重大影响。

2 闸门运行概述

水力自控翻门的设计原理为力矩平衡原理,作用在门上的力矩可分为启门力矩和闭门力矩,由此两力矩控制着闸门的开启与关闭,从而影响着下泄流量与水位。实现无人操作。对于定轮式翻板门,启门力矩主要为水压或水重产生,闭门力矩主要为门体自重产生,随着水库水位的上涨,启门力矩渐渐增大,门顶过流量增大,门板渐渐被抬起,底部开始脱离堰顶,门底与堰顶间出现孔口,门下也开始泄流。此时,门上为堰流,门下为闸孔出流或大孔口出流。

随着入库流量的不断增加,如果过闸流量仍小于入库流量,水库水位将持继上涨,门板会被继续向上抬起,过闸流量也会继续加大,但是此时闸门的门顶高程却在不断的升高,而且门板与水平面的倾角不断减小,门板在水平方向的投影长度也在不断增加,使得门板对水流的约束也在不断的增强,从而使得门上的过流量虽在增加,但是增加的幅度却在减少。由于闸门门板是通过链杆与定轮连接的,因此,门板不可能无限升高,当门顶升高到一定的高程时将会下降,使得门下的孔口开度得以继续增加,直到门顶被支腿端部挡住,此时门下孔口高度达到最大值,闸门全部开启。

从上述对闸门运行过程的叙述可知,翻板门泄流明显的分为门上、门下2个部位泄流,而且泄流量均在不断地变化,门上始终为堰流,门下始终为闸孔出流或大孔口出流,且整个挡水门板在不断的作曲线运动,而且运动轨迹的曲率半径也因位置不同而不同,较为复杂,特别是门顶高程的变化,先慢慢升高,直至最高位置,此时如果入库流量大于出库流量,门顶高程还会慢慢降低。

结合目前正在规划中的桐庐县大源溪拦河堰工程对翻板闸门的水力计算及闸门如何选择作一粗浅的分析,供设计人员参考。

3 工程概况

大源溪拦河堰工程位于浙江省桐庐县凤川镇境内的大溪源上,拦河堰坝址位于凤川镇工业开发区上游约150 m处。该工程建设的主要目的是在河道中设闸蓄水,以保证附近的工业园区及村民在枯水季节用水需要。

选定闸址处河道宽度约90 m,河床高程为60.0 m,闸址下游为一天然跌坎,左岸为县道二级公路,路面高程在66.40～66.90 m之间,另外,在闸址的上游,河道右岸约100 m处为人口密集的集镇,村庄地面高程为66.80m。

根据建设单位要求,拦蓄水量应满足工业区及村民4个月用水,经测算,闸前河道蓄水量需达到23万m3,根据水位～库容曲线,正常蓄水位取65.00 m,可蓄水量为25.6万m3,其中,死库容2.6万m3。

该工程实为河道型小型水库,由于库容较小,入库洪水总量很大,加之工程的目的是供水而不是防洪,因此,在规划阶段不考虑水库削减洪峰的作用。

按规范要求,库岸公路设防标准为20 a一遇,集镇设防标准为50 a一遇。

4 水力计算及水位分析

闸门泄流时的水力计算根据闸门运行方式及闸门固定堰的形式确定如下:门上始终按堰流计算,门下始终按闸孔出流计算,为便于说明问题,均按无淹没出流计算。计算公式均采用水力计算手册中的推荐公式,考虑到目前投入使用的翻板闸门绝大多数是由厂家定型生产的,因此,闸门下部开度、门顶高程及堰顶水深各自与倾角之间的对应关系值采用厂家提供的数值,计算前先对厂家提供的上述三者对应数据值进行数据拟合,并据此拟合线寻求函数相关性。

此阶段初选2m×6 m、2.5 m×6 m、3 m×6 m、3.5 m×8.5 m 4种门型进行水位比较计算。在水位比较计算之前,根据厂家提供的特性参数进行数据拟合,寻求闸门主要运行参数之间的函相关性(限于篇幅,函数关系式略)。

各频率洪峰流量通过闸门时,闸前洪水位计算成果见表1。

表1 闸前水位计算成果表

从表1中的计算结果可见,在同一方案的条件下,闸门数量、规格完全相同时,闸前水位并不是完全与洪峰流量大小成正比,只有洪峰流量达到一定的临界值后才完全成正比,而且只有在翻板闸门全部翻倒后 (闸门与水平线的夹角为10°)才出现,而当洪峰流量在临界值以下时,库水位是呈波动或降低变化的。

库水位之所以呈波动或降低变化主要原因是闸门门板在不同倾角时门顶的高程不同造成的。随着入库流量的增大,启门力矩也在不断增大,闸门与水平线的倾角也在不断增大,因此,门顶高程不断升高,下孔口不断增大,同时,门板在水平投影方向的长度也在不断增大,对水流的顶托程度也增大,门顶的流量系数在不断下降,这就出现了门下孔口泄流量迅速增大,门顶泄流量的增加幅度却在迅速减少的情况。

从表1中的计算结果还可以看出,不同闸门高度时,造成库水位单调增高的临界流量值也是越来越大,说明这个临界洪峰流量值对于不同高度的翻板闸门而言也是不相同的,而且随着闸门高度的增大,这个临界流量值也是同步增大的,而这个临界流量值其实就是翻板闸门全翻时的泄流量。

因此,只有当翻板闸门全部开启后,翻板闸门运动机构才暂时停止运动,闸门的各项参数才成为一个定值,这时翻板闸门的泄洪水力计算才可以忽略门板厚度的影响,采用与常见的浆砌石、混凝土溢流堰相同的水力计算方法。

5 闸门规格的选择

根据前述计算结果,在翻板闸门没有全部开启之前,较大的洪峰流量并不代表闸前水位就较高,还需要检查闸门是否全部已经开启。

从计算结果可见,对于库内集镇而言,50 a一遇及其以下的洪峰流量经过闸门时,方案3和方案4闸前最高水位均为 65.70 m,无可比性。方案 2闸前的最高水位是65.62 m,方案1闸前最高水位是65.51 m,所对应的闸前水位是最低的,而4个方案的闸门面积几乎相等,因此,对于集镇防洪而言,选择方案1确定的闸门规格是最安全的,所以,该工程50 a一遇闸前洪水位应当是65.51 m。

对于库岸县道而言,20 a一遇的洪峰流量经过闸门时,方案1所对应的库水位也是最低的,因此,选择方案1确定的闸门规格是最安全的,所以,该工程20 a一遇闸前洪水位应当是65.43 m。

综前所述,该工程应当选择的方案是方案1,即选用闸门高度为2.0 m,单孔闸宽为6.0 m,共计布置15孔闸门。

6 结 语

通过上述对大源溪拦河堰工程选用翻板闸门的分析说明,翻板闸门的水力计算并不是像厂家产品介绍所说的那样,可以忽略挡水门板的存在,简单的按闸门全翻考虑,这只有在特定条件下才是允许的。

另外,上述计算实例也说明,在计算翻板闸门泄流能力时,绝对不可以简单、片面地认为,洪峰流量越大,闸前水位越高,更不能想当然的将翻板闸门泄流完全等同于一般的固定溢流堰。

对于库区可能存在淹没损失的工程,选用翻板闸门时更应当慎重,应优先选用高度较低的闸门,同时也应控制翻板闸门的数量,尽量使得小流量通过闸门时,闸门也能够全部开启到最大限度。