張 軍

(杭州市水利水電勘測設(shè)計院桐廬分院,浙江 桐廬 311500)

1 問題的提出

水力自控翻板門出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代中期,由于該類閘門運行可靠、安裝方便,歷時短、造價相對較低且無須人為操作,使得翻板閘門逐漸在中小型水利工程中使用,并且迅速成為小型水利工程中的首選閘門。

做為控制水庫或河道水位使用的閘門,水力自控翻板門在很多方面與其它閘門類似,也同樣有閘孔出流的水力特性,但是也有與其它閘門完全不同的地方,這就需要設(shè)計人員詳細(xì)了解翻板門的運行特性及水力計算。

翻板閘門在水利工程中的使用已經(jīng)有數(shù)十年,但我國目前仍無此類閘門的水力行業(yè)設(shè)計規(guī)范及統(tǒng)一的水力計算方法。

目前,在對翻板閘門泄流量計算時多數(shù)廠家或設(shè)計單位都忽略擋水門板的存在,并按堰流計算,取寬頂堰或?qū)嵱醚叩牧髁肯禂?shù)乘以一個折減系數(shù)進(jìn)行計算。特定情況下這樣簡化計算得出的結(jié)果與實際過流量是很接近的,特別是在閘門全部開啟后,門板自身已經(jīng)與水流方向幾乎平行,因為門板厚度較薄,多在0.2～0.3 m之間,其厚度與溢洪水深相比很小,但是由此計算得出的閘前水位卻不一定是最高水位,有時會與實際最高水位相差很大,甚致是錯誤的,從而直接影響大壩及其它附屬建筑物的安全運行,并且直接影響到對庫尾可能造成的淹沒程度的估量,對工程投資及庫尾淹沒區(qū)產(chǎn)生重大影響。

2 閘門運行概述

水力自控翻門的設(shè)計原理為力矩平衡原理,作用在門上的力矩可分為啟門力矩和閉門力矩,由此兩力矩控制著閘門的開啟與關(guān)閉,從而影響著下泄流量與水位。實現(xiàn)無人操作。對于定輪式翻板門,啟門力矩主要為水壓或水重產(chǎn)生,閉門力矩主要為門體自重產(chǎn)生,隨著水庫水位的上漲,啟門力矩漸漸增大,門頂過流量增大,門板漸漸被抬起,底部開始脫離堰頂,門底與堰頂間出現(xiàn)孔口,門下也開始泄流。此時,門上為堰流,門下為閘孔出流或大孔口出流。

隨著入庫流量的不斷增加,如果過閘流量仍小于入庫流量,水庫水位將持繼上漲,門板會被繼續(xù)向上抬起,過閘流量也會繼續(xù)加大,但是此時閘門的門頂高程卻在不斷的升高,而且門板與水平面的傾角不斷減小,門板在水平方向的投影長度也在不斷增加,使得門板對水流的約束也在不斷的增強(qiáng),從而使得門上的過流量雖在增加,但是增加的幅度卻在減少。由于閘門門板是通過鏈桿與定輪連接的,因此,門板不可能無限升高,當(dāng)門頂升高到一定的高程時將會下降,使得門下的孔口開度得以繼續(xù)增加,直到門頂被支腿端部擋住,此時門下孔口高度達(dá)到最大值,閘門全部開啟。

從上述對閘門運行過程的敘述可知,翻板門泄流明顯的分為門上、門下2個部位泄流,而且泄流量均在不斷地變化,門上始終為堰流,門下始終為閘孔出流或大孔口出流,且整個擋水門板在不斷的作曲線運動,而且運動軌跡的曲率半徑也因位置不同而不同,較為復(fù)雜,特別是門頂高程的變化,先慢慢升高,直至最高位置,此時如果入庫流量大于出庫流量,門頂高程還會慢慢降低。

結(jié)合目前正在規(guī)劃中的桐廬縣大源溪攔河堰工程對翻板閘門的水力計算及閘門如何選擇作一粗淺的分析,供設(shè)計人員參考。

3 工程概況

大源溪攔河堰工程位于浙江省桐廬縣鳳川鎮(zhèn)境內(nèi)的大溪源上,攔河堰壩址位于鳳川鎮(zhèn)工業(yè)開發(fā)區(qū)上游約150 m處。該工程建設(shè)的主要目的是在河道中設(shè)閘蓄水,以保證附近的工業(yè)園區(qū)及村民在枯水季節(jié)用水需要。

選定閘址處河道寬度約90 m,河床高程為60.0 m,閘址下游為一天然跌坎,左岸為縣道二級公路,路面高程在66.40～66.90 m之間,另外,在閘址的上游,河道右岸約100 m處為人口密集的集鎮(zhèn),村莊地面高程為66.80m。

根據(jù)建設(shè)單位要求,攔蓄水量應(yīng)滿足工業(yè)區(qū)及村民4個月用水,經(jīng)測算,閘前河道蓄水量需達(dá)到23萬m3,根據(jù)水位～庫容曲線,正常蓄水位取65.00 m,可蓄水量為25.6萬m3,其中,死庫容2.6萬m3。

該工程實為河道型小型水庫,由于庫容較小,入庫洪水總量很大,加之工程的目的是供水而不是防洪,因此,在規(guī)劃階段不考慮水庫削減洪峰的作用。

按規(guī)范要求,庫岸公路設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇,集鎮(zhèn)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇。

4 水力計算及水位分析

閘門泄流時的水力計算根據(jù)閘門運行方式及閘門固定堰的形式確定如下:門上始終按堰流計算,門下始終按閘孔出流計算,為便于說明問題,均按無淹沒出流計算。計算公式均采用水力計算手冊中的推薦公式,考慮到目前投入使用的翻板閘門絕大多數(shù)是由廠家定型生產(chǎn)的,因此,閘門下部開度、門頂高程及堰頂水深各自與傾角之間的對應(yīng)關(guān)系值采用廠家提供的數(shù)值,計算前先對廠家提供的上述三者對應(yīng)數(shù)據(jù)值進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,并據(jù)此擬合線尋求函數(shù)相關(guān)性。

此階段初選2m×6 m、2.5 m×6 m、3 m×6 m、3.5 m×8.5 m 4種門型進(jìn)行水位比較計算。在水位比較計算之前,根據(jù)廠家提供的特性參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,尋求閘門主要運行參數(shù)之間的函相關(guān)性(限于篇幅,函數(shù)關(guān)系式略)。

各頻率洪峰流量通過閘門時,閘前洪水位計算成果見表1。

表1 閘前水位計算成果表

從表1中的計算結(jié)果可見,在同一方案的條件下,閘門數(shù)量、規(guī)格完全相同時,閘前水位并不是完全與洪峰流量大小成正比,只有洪峰流量達(dá)到一定的臨界值后才完全成正比,而且只有在翻板閘門全部翻倒后 (閘門與水平線的夾角為10°)才出現(xiàn),而當(dāng)洪峰流量在臨界值以下時,庫水位是呈波動或降低變化的。

庫水位之所以呈波動或降低變化主要原因是閘門門板在不同傾角時門頂?shù)母叱滩煌斐傻?。隨著入庫流量的增大,啟門力矩也在不斷增大,閘門與水平線的傾角也在不斷增大,因此,門頂高程不斷升高,下孔口不斷增大,同時,門板在水平投影方向的長度也在不斷增大,對水流的頂托程度也增大,門頂?shù)牧髁肯禂?shù)在不斷下降,這就出現(xiàn)了門下孔口泄流量迅速增大,門頂泄流量的增加幅度卻在迅速減少的情況。

從表1中的計算結(jié)果還可以看出,不同閘門高度時,造成庫水位單調(diào)增高的臨界流量值也是越來越大,說明這個臨界洪峰流量值對于不同高度的翻板閘門而言也是不相同的,而且隨著閘門高度的增大,這個臨界流量值也是同步增大的,而這個臨界流量值其實就是翻板閘門全翻時的泄流量。

因此,只有當(dāng)翻板閘門全部開啟后,翻板閘門運動機(jī)構(gòu)才暫時停止運動,閘門的各項參數(shù)才成為一個定值,這時翻板閘門的泄洪水力計算才可以忽略門板厚度的影響,采用與常見的漿砌石、混凝土溢流堰相同的水力計算方法。

5 閘門規(guī)格的選擇

根據(jù)前述計算結(jié)果,在翻板閘門沒有全部開啟之前,較大的洪峰流量并不代表閘前水位就較高,還需要檢查閘門是否全部已經(jīng)開啟。

從計算結(jié)果可見,對于庫內(nèi)集鎮(zhèn)而言,50 a一遇及其以下的洪峰流量經(jīng)過閘門時,方案3和方案4閘前最高水位均為 65.70 m,無可比性。方案 2閘前的最高水位是65.62 m,方案1閘前最高水位是65.51 m,所對應(yīng)的閘前水位是最低的,而4個方案的閘門面積幾乎相等,因此,對于集鎮(zhèn)防洪而言,選擇方案1確定的閘門規(guī)格是最安全的,所以,該工程50 a一遇閘前洪水位應(yīng)當(dāng)是65.51 m。

對于庫岸縣道而言,20 a一遇的洪峰流量經(jīng)過閘門時,方案1所對應(yīng)的庫水位也是最低的,因此,選擇方案1確定的閘門規(guī)格是最安全的,所以,該工程20 a一遇閘前洪水位應(yīng)當(dāng)是65.43 m。

綜前所述,該工程應(yīng)當(dāng)選擇的方案是方案1,即選用閘門高度為2.0 m,單孔閘寬為6.0 m,共計布置15孔閘門。

6 結(jié) 語

通過上述對大源溪攔河堰工程選用翻板閘門的分析說明,翻板閘門的水力計算并不是像廠家產(chǎn)品介紹所說的那樣,可以忽略擋水門板的存在,簡單的按閘門全翻考慮,這只有在特定條件下才是允許的。

另外,上述計算實例也說明,在計算翻板閘門泄流能力時,絕對不可以簡單、片面地認(rèn)為,洪峰流量越大,閘前水位越高,更不能想當(dāng)然的將翻板閘門泄流完全等同于一般的固定溢流堰。

對于庫區(qū)可能存在淹沒損失的工程,選用翻板閘門時更應(yīng)當(dāng)慎重,應(yīng)優(yōu)先選用高度較低的閘門,同時也應(yīng)控制翻板閘門的數(shù)量,盡量使得小流量通過閘門時,閘門也能夠全部開啟到最大限度。