液压升降坝工程计算方法的探究

罗杰，张坤，孟冲冲

液压升降坝工程计算方法的探究

罗杰，张坤，孟冲冲

（西安景天水利水电勘测设计咨询有限公司，陕西西安710018）

液压升降坝是近年来出现的一种新型翻板坝，力学结构科学，属于低水头建筑物。以洛南县老君山文化旅游景区液压坝工程为例，主要探究液压升降坝在水力计算和稳定计算分析的方法，以确保液压坝在运用期及设计洪水期间的安全可靠，该液压坝工程建成后经过两年的蓄水运行及洪水的冲刷，液压坝段工程完好，未出现冲毁现象。以期为类似项目提供参考。

液压升降坝；水力计算；稳定计算

1 工程概况

洛南县老君山文化旅游景区液压坝工程位于洛南县石坡河巡检镇河段，距县城约45 km。该工程是石坡河生态文化景观带建设的首要工程，建成后将老君山文化旅游景区、巡检古镇和石坡河景观带有机结合起来，形成一个完整的生态文化旅游观光区域。

该液压坝工程包括两座液压坝，每座坝分别由液压升降坝、上游水平防渗铺盖、下游消力池、下游护坦以及管理房组成。依据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）等技术标准，本工程按拦河闸泄流能力确定为Ⅲ等中型水利工程，其主要建筑物为3级，次要建筑物为4级，防洪标准为20年一遇洪水设计，50年一遇洪水校核，相应的洪峰流量分别为493 m3/s和681 m3/s。

2 水力计算

2.1 过流能力计算

根据液压升降坝在运行时的工作情况，其过流可分为：液压升降坝立坝挡水时上游水头超过坝顶，水流从坝顶过流；液压升降坝局部坝段部分开启，从开启坝扇与挡水坝扇间的局部出流；在洪水期或需大流量放水时的塌坝过流。

2.1.1 坝顶过流

液压升降坝的坝顶溢流属于典型的薄壁堰出流，流量计算公式采用：

式中：m0为薄壁堰流量系数；B为溢流宽度，m；H为坝前堰上水头，m；P1为堰高，m。

液压坝在坝顶出流时，坝下可发生远离水跃、临界水跃和淹没水跃等三种不同形式。坝下发生远离水跃和临界水跃时，坝下游水位不影响坝的泄流量。当下游发生淹没水跃时，坝下水位仍不影响泄流量。除非下游水位超过坝顶，液压升降坝的坝下水位一般不影响泄流量。当下游水位超过坝顶时，在正常工况下液压升降坝坝面已放平，此时液压升降坝已属于塌坝过流，和宽顶堰过流类似。1#、2#液压坝过流能力计算结果见表1、表2。

表1 1#液压坝立坝过流能力计算

表2 2#液压坝立坝过流能力计算

2.1.2 塌坝过流

由于液压坝塌坝之后液压坝的最高点比闸基高0.2 m，可按宽顶堰来进行计算：

液压坝塌坝运行时为堰顶入口为圆弧的宽顶堰：

式中：m为流量系数；ε为侧收缩系数，本工程ε=1.0；B为堰宽；σs为淹没系数；H0为堰前计入行进流速水头的堰上总水头，取H0=H+v2/2g，H为堰顶净水头，v为行近流速。

1#、2#液压坝工程塌坝工程过流能力计算结果见表3、表4。

根据液压升降坝技术原理，当液压升降坝运行最大水位达坝顶0.5m时，浮标开关控制自动塌坝运行，实现自动化操作，达到无人管理。通过表1～表4计算得知，其运行方式为：

1#液压坝工程：①上游来水Q＜30.18 m3/s时，通过坝顶溢流，维持水位在1078.80 m以下；②上游来水Q＞30.18 m3/s时，液压升降坝塌坝运行。

2#液压坝工程：①上游来水Q＜27.49 m3/s时，通过坝顶溢流，维持水位在1081.00 m以下；②上游来水Q＞27.49 m3/s时，液压升降坝塌坝运行。2.2消能防冲设计

计算工况：根据本工程特点，当上游水位超过坝顶0.50 m时，形成漫流，为最高运行水位，开始塌坝运行。液压坝在立坝运行时，形成跌流，采用跌流消能。液压坝塌坝之后液压坝顶部比闸基高0.2 m，相当于宽顶堰，此时消能段采用底流消能，流量最大不超过河道20年一遇防洪标准493 m3/s。

2.2.1 跌流消能计算公式

跌流消能计算参考《混凝土拱坝设计规范》（SL282-2003）A.4：

其中：Ld为射距，m；q为单宽流量，m3/s；Z为鼻坎至河床高差，m；td为护坦上内侧的水垫深度，m。

2.2.2 底流消能设计

（1）消力池深度计算公式：

表3 1#液压坝工程塌坝过流能力计算表

表4 2#液压坝工程塌坝过流能力计算表

其中：d为消力池深，m；σ为水跃淹没度，可取；h2为池中发生临界水深时的跃后水深，m；Fr1为收缩断面弗劳德数；h1为收缩断面水深，m；v1为收缩断面流速，m/s；ht为消力池出口下游水深，m；△z为消力池尾部出口水面跌落，m；Q为流量，m3/s；b为消力池宽度，m；φ为消力池出口段流速系数，可取0.95；E0为以下游河床为基准面的泄水建筑物上游总水头，m。

（2）消力池长度计算公式：

式中：Lk—消力池长度（m）；L—水跃长度（m）。

（3）消力池底板厚度计算公式：

根据规范要求，消力池底板厚度应根据抗冲和抗浮的要求确定，由于本工程在消力池内设置了排水孔，所以可不进行抗浮计算，只进行抗冲计算即可。

满足抗冲要求的底板厚度t：

式中：k1—底板计算系数，可采用0.15～0.2，本次取0.15；ΔH'为上下游水位差(m)。

表5 液压坝立坝运行时跌流消能计算成果表

根据计算成果并结合工程实际情况，确定本工程1#液压坝工程消力池深度0.436 m，本次取0.6 m，池身长8.84 m，本次取10.00 m。考虑1#坝对下游河床的固定作用以及回水对消能的影响，2#液压坝工程采用消力池设置与坝基础合并设计，为同时满足景观需求和消能效果，在坝基末端增设0.45 m高消力坎，护坦长度参照类似工程经验，海漫总长取10 m，为消能，本次在起端为深2.6 m宽2.0 m齿槽，末端厚为1.0 m铅丝笼石结构，海漫下游段以纵坡与原河床顺接。

3 稳定计算

3.1 计算工况

工况一：完建期情况，闸上、闸下均无水；

工况二：正常蓄水期，上游水深达坝顶，下游无水；

工况三：上游水深达最高运行水位及对应下游水位；

工况四：正常蓄水时遭遇地震情况。

按照《水闸设计规范》的要求，闸室稳定计算宜取两相邻水流方向永久缝之间的闸段作为计算单元。因此闸室稳定计算液压升降坝取取单扇闸门宽度作为计算单元，闸室抗滑稳定计算采用“单一安全系数计算公式”，闸室基底应力采用“材料力学偏心受压公式”计算。

3.2 计算公式

3.2.1 抗滑稳定验算

式中：Kc为沿坝基底面的抗滑稳定安全系数；f为坝基底面与地基之间的摩擦系数：砂砾石层取0.50；∑G为作用在坝地板上的全部竖向荷载；∑H为作用在把地板上的全部水平荷载；

3.2.2 基底应力验算

坝底板采用整体式底板，基础型式为条形基础，结构布置及受力情况左右对称，在初步设计阶段参照《水闸设计规范》（SL265－2001）中的闸室基底应力公式进行计算：

坝基上的全部竖向荷载（包括基础底面上的扬压力在内，kN）；∑M为作用在坝基上的全部竖向和水平向荷载对于基础底面的垂直水流方向的形心轴的力矩(kN·m)；A为坝基基底面的面积；W为坝基底面对于该底面垂直水流方向的形心轴的截面矩。

3.2.3 地震作用

在地震情况，除需考虑地震惯性力外，其他基本参数和计算方法同完建期和正常运用期地基反力计算，采用拟静力法计算地震作用效应，其中：

（1）水平地震惯性力采用下式计算：

其中：Fi为作用在质点i的水平向地震惯性力代表值；ah为水平向设计地震加速度代表值；ξ为地震作用的效应折减系数，取0.25；GEi为集中在质点i的重力作用标准值；αi为质点i的动态分布系数；g为重力加速度，取9.81 m2/s。

（2）水深h处地震水压力采用下式计算：

其中：Pw(h)为作用在直立迎水坝面水深h处的地震动水压力代表值；ah为水平向设计地震加速度代表值，ξ为地震作用的效应折减系数，取0.25；ψ(h)为水深h处的地震动水压力分布系数；ρw为水体质量密度标准值；H0为水深。

3.3 计算成果

根据以上公式，选取完建期、正常蓄水期、最高运行水位及正常蓄水遭遇地震情况4种工况进行结构计算，结果见表7、表8。

根据以上计算成果可知，各种工况均满足抗滑稳定要求。坝基基础为第四系全新统冲洪积堆积砂卵石，其地基承载力为280 kPa，闸底板最大基底应力小于地基允许承载力，且闸基底不出现拉应力，满足规范要求。

4 结语

液压坝的工程使用经验较少，运行管理中须结合运行情况，做好运行记录，做好液压输油管的保护；加强对塌坝过洪时的坝体震动观测和消除；加强降坝运行时的坝面升降高度管理，严禁个别坝塌坝运行，防止集中泄流对下游河道产生冲刷破坏；大坝泄流时须做好预警预报工作，防止下游河道水位猛涨产生的人身安全危害和财物损失。

本文基于液压升降坝技术设计原理，对液压坝在河道景观方面的水力计算及稳定计算进行分析，希望能够为类似项目提供一定的参考。

表6 液压坝工程塌坝运行时消能防冲计算成果表

表7 1#液压坝结构稳定计算成果表

表8 2#液压坝结构稳定计算成果表

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1673-9000（2017）02-0128-04

2017-02-14

罗杰（1989-），男，陕西咸阳人，助理工程师，主要从事水利工程设计工作。