水力自控翻板闸门在竹桥水电站中的应用

覃建波

（宜昌市水利水电勘察设计院 湖北宜昌 443005)

前言

竹桥水电站位于湖北省五峰县清江支流天池河上。坝址以上集水面积为249.2km2，多年平均径流总量 1.757亿 m3，正常蓄水位 409m，总库容61.6万m3，电站装机容量为16MW，年发电量为4148.44万kW·h。本工程规模为小（1)型，工程等别为Ⅳ等；主要建筑物级别为4级，次要建筑物级别为5级。总投资9345万元。

1 坝址工程地质条件

竹桥水电站坝址位于黄土包处，坝址区河段较顺直，河床高程385m，宽10～18m，基岩裸露清晰。两岸地形基本对称。出露地层为志留系下统罗惹坪组碎屑岩和第四系崩坡积与冲洪积松散堆积物。坝址区未见滑坡、泥石流、崩塌体分布，两岸均为岩质边坡，岩体结构完整，稳定性较好。物理地质现象主要为砂、页岩表层散落。坝址区岩性为泥质粉砂岩、细砂岩夹页岩，具有较好的隔水性能。

2 坝型选择

竹桥电站的上游建有柳桥水电站，为了保证洪水期上游柳桥水电站的运行安全，而平时又能适当抬高水位增加发电效益，因此采用有闸控制的泄洪方式为最佳方案。当采用弧形闸门控制泄流方案在运行时，只要来水流量大于电站发电引用流量时，弧形闸门就必须开启泄流，而且随着来水流量的变化，需要不断地调整闸门开度，以维持闸前水位的稳定，保证隧洞和机组的稳定运行，从而导致弧形闸门启闭频繁，无形中也增加了运行人员的劳动强度，同时要保证弧形闸门正常稳定的工作，需要稳定的保证电源和精确的控制系统，运行过程中也需要耗费大量的电能，运行成本高。而橡胶坝存在老化快、易破坏、寿命短、难治理且运行费用高、投资又大等缺点，橡胶坝方案被舍弃。经比较最终采用水力自控翻板闸门坝。

3 闸坝设计

3.1 大坝布置

3.1.1 闸门

闸门采用 FBM5m×10m型自控翻板闸门。该闸门挡水门板用螺栓连接到两个支腿上，支腿起拼装、固定门板和传递力的作用。支腿上预埋一轴套，轴套内装有连杆轴，连杆轴通过连杆和固定在支墩上的连杆铰座内的连杆轴连成一体，用于限定门板、支腿的运动，两个支墩被牢固地埋入坝体内作为整个闸门的支撑体，每个支墩上都装有滑轮，支腿后部固定装有导板，导板在滑轮的槽内可以滑动，并限制闸门的侧向移动。当闸门前的蓄水高度超出门顶 5～15 厘米时，闸门受到的水推力及闸门自重所产生的扭矩达到平衡状态，闸门板浮起，水位上升闸门会随之向上抬起，实现闸门的自动开启过程，水位越高闸门开启越大，直至完全打开，此时小连杆一端连在滑轮轴上，另一有槽的一端与连杆轴相配合，连杆轴滑向小连杆的槽的顶端，将支腿和闸门板限定在极限位置，防止闸门被洪水抬起而浮走，同时闸门可在较短时间内同步或相继翻倒及复位。

当水库水位高于正常蓄水位0.3m，即上升至启门水位409.3m时，闸门就自动翻倒成倾斜状，宣泄洪水，其最小倾角为10°。当水库水位下降至回门水位 408.8m时，闸门自动关闭，拦蓄河水。闸门顶高程409m，门高5m，单扇宽度10m，共5扇，总宽50m。闸门门板、支腿、支墩均采用C25混凝土预制构件，支铰系统采用钢结构。

3.1.2 溢流坝

大坝为混凝土重力坝，由溢流段和非溢流段组成。最大坝高35.70m，坝顶高程413.20m，坝基面高程377.50m，坝顶长度62.90m，最大坝底宽度 25.1m，非溢流坝段坝顶宽 3.50m，上游坝坡为铅直面，下游坝坡1∶0.7。

堰面考虑到翻板闸门安装和检修方便，采用宽顶堰。堰顶宽度按照闸门安装和检修最小宽度考虑，取8.4m。泄洪型式采用坝顶水力自控翻板闸门控制泄流，经调洪演算及技术经济比较，确定堰顶高程 404.00m，闸顶高程 409.50m，闸室总宽50m，由5扇翻板闸门组成，每块翻板闸门尺寸为10.0×5.0（宽×高)。闸门采用厂家定做，现场预制安装。

坝体为 C15埋石混凝土结构，迎水面采用800mm厚C20钢筋混凝土防渗面板。为减少坝体渗透压力，增强坝体稳定性，在坝体内设排水系统，竖向排水采用无砂混凝土管，置于坝轴线下1.7m位置上，内径为150mm，壁厚70mm，布置四排间距 3m，横向排水管采用内径为 150mm，厚70mm的预应力混凝土，置于坝基面上，竖向排水管在坝基与横向排水管接通，接头处以沥青砂浆堵实，后通过横向排水管将水排向下游。

本大坝设三道横缝，缝宽20mm，将坝体分成河床段（2段)、两端岸坡段共四段；缝面设一道铜片止水，一道橡胶止水。坝后消力池设3道纵向伸缩缝，中间一道，底板与两边墙连接处各设一道。每隔 15.00m设一道横向伸缩缝，横向伸缩缝共3条。消力池伸缩缝缝面采用一道铜片止水，并用PVC板嵌缝。

结合本工程特点和地质条件，大坝基础采用固接灌浆和帷幕灌浆处理。固结灌浆孔深入基岩5m，初步拟定固结灌浆的孔距、排距均为3.0m。河床段和边坡的固结灌浆共设4排。在固结灌浆中遇到断层和破碎带应进行加强固结灌浆处理，固结灌浆应在基础混凝土浇筑后进行，确保其上有一定的混凝土盖重，在混凝土盖重块中预留灌浆孔，固结灌浆的压力根据现场灌浆实验确定，固接灌浆总进尺887.00m。帷幕按ω＜5Lu确定坝基帷幕下限高程为367.00m，帷幕单排布置，孔距3.00m，总进尺435.00m。竹桥水库坝低库小，两岸库壁宽厚，且无大的、贯通性导水断裂切割通过，两岸基岩均为泥质粉砂岩、细砂岩夹页岩，具有较好的隔水性能和良好的封闭条件，不存在向邻谷或坝下游渗漏问题，故两坝肩无须打灌浆平洞向山内延伸。

3.2 水力计算

3.2.1 坝顶溢流表孔泄流水力计算

根据厂家提供的 FBM5m×10m型翻板门水力计算成果，见表1。

当水库来水洪峰流量为1800m3/s （P=0.5%)时，相应下泄流量1798m3/s，坝前校核洪水位为412.60m；当水库来水洪峰流量为 1280m3/s（P=3.33%)时，相应下泄流量 1280m3/s，坝前设计洪水位为410.80m。

表1 坝顶溢流堰泄流能力曲线表

综合宽顶堰的泄流能力并结合生产厂家提供的资料，最终以厂家提供的闸门过流量为准，由此确定相应水位为：正常蓄水位409.00m，设计洪水位410.80m，校核洪水位412.60m。

3.2.2 坝后消能计算

判定是否修建消力池及计算池深按消能防冲设计洪水标准计算，根据规范，消能防冲设计洪水标准为 20年一遇（5%)，相应流量为1130.00m3/s。

公式如下：

式中：

T—以下游河床为基准，计及流速水头的上游水头，本处为26.22m；

q—溢流闸孔下泄的设计单宽流量，q=56.5m3/s.m；（按河床最小净宽20.0m计算)

φ—流速系数，对于溢流坝面一般为0.9～1.0，取 0.95；

α—流速分布系数，约为1.0～1.1，通常α=1.0；

g—重力加速度，g=9.8m/s2；

h1—跃前水深（m)；

h2—跃后水深（m)。

利用水力学计算表计算得 h1=2.77m，h2=14.01m。查坝址处下游水位～流量关系曲线，得消能防冲设计洪水情况时水深 h下=10.19m＜h2=14.01m，故需修建消力池。

消力池深度及长度分别按下述公式计算：

计算结果，消力池深度：d=1.05×14.01－10.19=4.52m，取值d =4.5m。底板采用C20钢筋混凝土浇筑，等厚设计，厚度为2.00m；

消池长度∶L=0.85×9.5×（λ-1)×0.95

经计算得：L=0.85×9.5×（3.91-1)×0.95=22.32m，取值L=23m。

大坝典型横断面见图1。

图1 大坝典型横断面图

3.3 坝体稳定计算

（1)设计要求

坝体抗滑稳定计算主要核算坝基面滑动条件，坝体为混凝土，平均容重取 2.4t/m3，泥砂容重取1.2t/m3，内摩擦角取26°。河床基础允许承载应力取0.7MPa，坝体稳定计算采用抗剪断公式计算，根据地质资料，坝基岩石饱和抗压强度 62 MPa，干抗压强度 76MPa，抗剪断强度f1=0.65、C1=0.55MPa，变形模量16.0GPa，设计要求在基本组合情况下，抗滑稳定安全系数 KC≥3.0；在特殊组合情况下，抗滑稳定安全系数KC≥2.5；

（2)荷载组合

基本组合情况：

Ⅰ：自重+正常高水位时的水压力+扬压力+泥砂压力+浪压力

Ⅱ：自重+设计洪水位时的水压力+扬压力+泥砂压力+浪压力

特殊组合情况：

Ⅰ：自重+校核洪水位时的水压力+扬压力+泥砂压力+浪压力

Ⅱ：自重+正常高水位时的水压力+扬压力+泥砂压力+浪压力+地震力

因本坝库容很小，水库回水面不长，浪压力不是控制因素，本次计算时忽略不计；本工程地震烈度为6度，不需考虑地震力的影响。

（3)计算公式

根据《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2005)中抗剪断强度的公式进行计算：

计算公式如下：

大坝稳定计算简图见图2：

图2 大坝稳定计算简图

（4)计算结果：

设计洪水情况时，Kc=3.42＞3.0；校核洪水情况时，Kc=3.01＞2.5。

从计算数据上看，校核荷载组合时，抗滑稳定安全系数Kc=3.01＞2.5，但考虑小型工程施工条件差，除施工过程中加强质量管理外，在基础上应设置φ25的钢筋锚杆，以加强坝体抗滑稳定，锚筋按排间距2m布置，长度2.0m，伸入基岩1.0m，坝内为1.0m。

4 结语

由于该工程采用了水力自控翻板闸门溢流坝，闸门平时挡水发电，洪水期翻倒泄洪，有效地减少了上游的洪水淹没损失，同时，自控翻板闸门通过堰顶水头的变化来自动控制闸门的开度，减少专职闸门控制人员，加之没有启闭机、备用电源等设备，不耗费电能，不需要启闭机房等辅助设施，运行成本很低，工程投资省。此种水力自控翻板闸门已在长阳县的七里湾水电站及兴山县的马家河二级水电站等多处水电站工程中得到应用，经过多年洪水考验证实是安全可靠的，因此在一定条件下修建翻板坝具有实用意义和推广意义。