汤河大闸水电站水力自控翻板溢流坝设计

苗 磊，袁合龙

（临沂市水利工程处，山东 临沂 276000）

临沂市汤河大闸新建水电站工程设计控制流域面积1 174 km2，水库正常蓄水位42.50 m，相应库容136.82 万m3。该水电站属IV 等工程，主要建筑物包括挡水坝段、电站厂房坝段、溢流坝、冲沙闸、尾水渠等，总装机容量3 260 kW。考虑到混凝土双支点自动控制翻板闸技术已在山东省推广20 多年，各方面运行情况良好，因此本项目溢流坝设计采用“水力自动翻板闸”方式。

1 水力自控翻板闸结构设计

1.1 各坝段长度拟定设计

由于该水电站正常蓄水位为42.50 m，现状坝线处河床底高程在34.89～40.29 m 之间。参考类似小水电工程，在满足泄流情况下出于对结构安全性考虑，设计本项目堰顶高程为38.66 m，门高3.84 m，总宽10.00 m。

结合地质勘测结果，本次设计将自动控制翻板闸门溢流坝段分成9 个坝段，坝段编号布置在2～10 坝段。其中防护墩、支墩、交通桥排架等预埋件预留槽底部0.30 m，堰体内部采用C20 素混凝土结构，底板及两侧为500 mm 厚C25 钢筋混凝土外壳。堰体其余部位、两端闸墩、防护墩、支腰、支墩钢筋混凝土强度等级C25，抗冻等级F200；翻板闸门面板混凝土强度C40，抗渗等级W6，抗冻等级F300[1]。

1.2 泄流宽度设计

水力自动翻板闸在工作过程中一般呈现四种状态：全关闭蓄水、小角度泄流、大角度泄流、闸门全开。因此可根据闸门开启角度e 判断流态并计算闸门泄流量Q。当e＜75°时，闸门部分开启，其上部呈堰流，下部为孔流；当e=75°，闸门全开，此时为堰流[2]。

1）当 e＜75°时

式中：m0为薄壁堰流量系数；B 为泄流总宽度，m；H 为堰上水头，m；u 为流量系数；H0为闸孔全水头，m。

2）当 e=75°时

式中：σ 为翻板门段淹没系数；m 为翻板门段流量系数；ε 为翻板门段侧收缩系数。

结合理论计算及本项目闸型及闸址处地形、地质条件，在满足厂房坝段、冲沙闸段布置要求，溢流坝下水流与下游两岸堤防平顺前提下，为最大限度增加泄流净宽度，最终确定该值为208.00 m，加上两端防护墩各1 m 宽，总宽210.00 m。

1.3 自控翻板闸结构参数设计

1）门板倾角设计。根据工程资料，确定将以下4 个变量作为自控翻板闸旋转轴的边界控制条件：①连杆长度L；②滚轮半径R；③连杆后支点横坐标K；④连杆后支点横坐标Z。

由力学安全稳定性结构可知：连杆长度L 不得大于5R，闸门开启角度e 应当位于门板倾角a（一般 a＞10°）和闸门最大后倾角度 b（b=90°）之间。利用“ADINA”软件中根据静力平衡原理编制的设计程序，将闸门相关参数输入，得到最优参数，详见表1 所示。

表1 翻板闸相关最优结构参数

2）闸身配筋设计。自控翻板闸门由闸身、闸基、边墙、支架等结构组成，其中闸身需要利用C30 钢筋混凝土来构筑。在满足强度及泄流净宽度的情况下，单个闸门宽度越大，所需设置的闸门数越少，相应的钢筋混凝土框架工程量越小，能够显著降低综合成本。

自控翻板闸门在最大开启状态时，门板上下均有水流通过，因此单块板可按照“双筋矩形截面混凝土梁”进行计算，其中配筋（HRB335）对结构强度有直接影响，受拉钢筋截面总面积As 计算公式见（3），计算的最佳配置见表2。

式中：M 为截面弯矩设计值，N·mm；fy为钢筋抗压强度设计值，N/mm2；h0为两排钢筋之间的竖向间距，mm；a′s为从受压区边缘到受拉区纵向受力钢筋合力作用之间距离，mm。

表2 各型号钢筋配置数量

最终本项目设计混凝土梁尺寸（宽×高）：7 000 mm×2 000 mm，相对于参照工程单个闸门宽度提高了1 600 mm，减少了4 个闸门。确定共布置自动翻板闸共30 孔，单孔净宽7.00 m。

2 水力自控翻板溢流坝消能防冲设计

本项目消能防冲建筑设计洪水标准为10 年（Q=2 250 m3/s），以此为依据来设计消能池参数。

2.1 消能池设计

由于本项目水头较低，下游具有一定水深，自然消能条件较好，因此首先按照“不降低护坦”来计算消力池的水跃淹没系数σ，当该值大于1.05 时则不需降低护坦，可有效降低建筑成本，计算结果见表3。

式中：hS为下游水深，m；H0为消力坎总水头，m。

表3 不同流量下水跃淹没系数σ（部分）

由结果可知：本枢纽利用河床天然岩石消能即可，无需修建消能池，仅需在闸前河床上设计10 m 长0.5 m 厚C25 钢筋混凝土铺盖，前后两端设计1 m 深齿墙。

2.2 护坦及海漫长度设计

本项目设计护坦长度L 以“上游水位平闸门顶、闸门完全开启（75°）”为计算标准，计算公式见（5），经计算L=4.12 m，最终设计为5.0 m。

式中：e 为孔口开启高度，m；H 为堰上水头，m；P 为总跌落高度，m。

海漫长度计算Lp公式按照相关设计规范，详见（6），经计算Lp=17.5 m，最终设计为20.0 m。

式中：kS为计算系数，取值 8.0；q 为护坦末端单宽流量，m3/s；ΔH 为上下游水位差，m。

3 结 语

水力自控翻板闸在中小型河道、城市蓄水景观、水库溢洪道等工程中应用广泛，虽然能够实现运行自动化，但是对设计、施工要求较高。本项目设计时充分考虑了河道特点及其他工程经验，溢流坝投入使用两年以来各方面表现均较好。