羅杰，張坤，孟沖沖

液壓升降壩工程計算方法的探究

羅杰，張坤，孟沖沖

（西安景天水利水電勘測設計咨詢有限公司，陜西西安710018）

液壓升降壩是近年來出現(xiàn)的一種新型翻板壩，力學結(jié)構(gòu)科學，屬于低水頭建筑物。以洛南縣老君山文化旅游景區(qū)液壓壩工程為例，主要探究液壓升降壩在水力計算和穩(wěn)定計算分析的方法，以確保液壓壩在運用期及設計洪水期間的安全可靠，該液壓壩工程建成后經(jīng)過兩年的蓄水運行及洪水的沖刷，液壓壩段工程完好，未出現(xiàn)沖毀現(xiàn)象。以期為類似項目提供參考。

液壓升降壩；水力計算；穩(wěn)定計算

1 工程概況

洛南縣老君山文化旅游景區(qū)液壓壩工程位于洛南縣石坡河巡檢鎮(zhèn)河段，距縣城約45 km。該工程是石坡河生態(tài)文化景觀帶建設的首要工程，建成后將老君山文化旅游景區(qū)、巡檢古鎮(zhèn)和石坡河景觀帶有機結(jié)合起來，形成一個完整的生態(tài)文化旅游觀光區(qū)域。

該液壓壩工程包括兩座液壓壩，每座壩分別由液壓升降壩、上游水平防滲鋪蓋、下游消力池、下游護坦以及管理房組成。依據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL252-2000）等技術(shù)標準，本工程按攔河閘泄流能力確定為Ⅲ等中型水利工程，其主要建筑物為3級，次要建筑物為4級，防洪標準為20年一遇洪水設計，50年一遇洪水校核，相應的洪峰流量分別為493 m3/s和681 m3/s。

2 水力計算

2.1 過流能力計算

根據(jù)液壓升降壩在運行時的工作情況，其過流可分為：液壓升降壩立壩擋水時上游水頭超過壩頂，水流從壩頂過流；液壓升降壩局部壩段部分開啟，從開啟壩扇與擋水壩扇間的局部出流；在洪水期或需大流量放水時的塌壩過流。

2.1.1 壩頂過流

液壓升降壩的壩頂溢流屬于典型的薄壁堰出流，流量計算公式采用：

式中：m0為薄壁堰流量系數(shù)；B為溢流寬度，m；H為壩前堰上水頭，m；P1為堰高，m。

液壓壩在壩頂出流時，壩下可發(fā)生遠離水躍、臨界水躍和淹沒水躍等三種不同形式。壩下發(fā)生遠離水躍和臨界水躍時，壩下游水位不影響壩的泄流量。當下游發(fā)生淹沒水躍時，壩下水位仍不影響泄流量。除非下游水位超過壩頂，液壓升降壩的壩下水位一般不影響泄流量。當下游水位超過壩頂時，在正常工況下液壓升降壩壩面已放平，此時液壓升降壩已屬于塌壩過流，和寬頂堰過流類似。1#、2#液壓壩過流能力計算結(jié)果見表1、表2。

表1 1#液壓壩立壩過流能力計算

表2 2#液壓壩立壩過流能力計算

2.1.2 塌壩過流

由于液壓壩塌壩之后液壓壩的最高點比閘基高0.2 m，可按寬頂堰來進行計算：

液壓壩塌壩運行時為堰頂入口為圓弧的寬頂堰：

式中：m為流量系數(shù)；ε為側(cè)收縮系數(shù)，本工程ε=1.0；B為堰寬；σs為淹沒系數(shù)；H0為堰前計入行進流速水頭的堰上總水頭，取H0=H+v2/2g，H為堰頂凈水頭，v為行近流速。

1#、2#液壓壩工程塌壩工程過流能力計算結(jié)果見表3、表4。

根據(jù)液壓升降壩技術(shù)原理，當液壓升降壩運行最大水位達壩頂0.5m時，浮標開關(guān)控制自動塌壩運行，實現(xiàn)自動化操作，達到無人管理。通過表1～表4計算得知，其運行方式為：

1#液壓壩工程：①上游來水Q＜30.18 m3/s時，通過壩頂溢流，維持水位在1078.80 m以下；②上游來水Q＞30.18 m3/s時，液壓升降壩塌壩運行。

2#液壓壩工程：①上游來水Q＜27.49 m3/s時，通過壩頂溢流，維持水位在1081.00 m以下；②上游來水Q＞27.49 m3/s時，液壓升降壩塌壩運行。2.2消能防沖設計

計算工況：根據(jù)本工程特點，當上游水位超過壩頂0.50 m時，形成漫流，為最高運行水位，開始塌壩運行。液壓壩在立壩運行時，形成跌流，采用跌流消能。液壓壩塌壩之后液壓壩頂部比閘基高0.2 m，相當于寬頂堰，此時消能段采用底流消能，流量最大不超過河道20年一遇防洪標準493 m3/s。

2.2.1 跌流消能計算公式

跌流消能計算參考《混凝土拱壩設計規(guī)范》（SL282-2003）A.4：

其中：Ld為射距，m；q為單寬流量，m3/s；Z為鼻坎至河床高差，m；td為護坦上內(nèi)側(cè)的水墊深度，m。

2.2.2 底流消能設計

（1）消力池深度計算公式：

表3 1#液壓壩工程塌壩過流能力計算表

表4 2#液壓壩工程塌壩過流能力計算表

其中：d為消力池深，m；σ為水躍淹沒度，可??；h2為池中發(fā)生臨界水深時的躍后水深，m；Fr1為收縮斷面弗勞德數(shù)；h1為收縮斷面水深，m；v1為收縮斷面流速，m/s；ht為消力池出口下游水深，m；△z為消力池尾部出口水面跌落，m；Q為流量，m3/s；b為消力池寬度，m；φ為消力池出口段流速系數(shù)，可取0.95；E0為以下游河床為基準面的泄水建筑物上游總水頭，m。

（2）消力池長度計算公式：

式中：Lk—消力池長度（m）；L—水躍長度（m）。

（3）消力池底板厚度計算公式：

根據(jù)規(guī)范要求，消力池底板厚度應根據(jù)抗沖和抗浮的要求確定，由于本工程在消力池內(nèi)設置了排水孔，所以可不進行抗浮計算，只進行抗沖計算即可。

滿足抗沖要求的底板厚度t：

式中：k1—底板計算系數(shù)，可采用0.15～0.2，本次取0.15；ΔH'為上下游水位差(m)。

表5 液壓壩立壩運行時跌流消能計算成果表

根據(jù)計算成果并結(jié)合工程實際情況，確定本工程1#液壓壩工程消力池深度0.436 m，本次取0.6 m，池身長8.84 m，本次取10.00 m?？紤]1#壩對下游河床的固定作用以及回水對消能的影響，2#液壓壩工程采用消力池設置與壩基礎合并設計，為同時滿足景觀需求和消能效果，在壩基末端增設0.45 m高消力坎，護坦長度參照類似工程經(jīng)驗，海漫總長取10 m，為消能，本次在起端為深2.6 m寬2.0 m齒槽，末端厚為1.0 m鉛絲籠石結(jié)構(gòu)，海漫下游段以縱坡與原河床順接。

3 穩(wěn)定計算

3.1 計算工況

工況一：完建期情況，閘上、閘下均無水；

工況二：正常蓄水期，上游水深達壩頂，下游無水；

工況三：上游水深達最高運行水位及對應下游水位；

工況四：正常蓄水時遭遇地震情況。

按照《水閘設計規(guī)范》的要求，閘室穩(wěn)定計算宜取兩相鄰水流方向永久縫之間的閘段作為計算單元。因此閘室穩(wěn)定計算液壓升降壩取取單扇閘門寬度作為計算單元，閘室抗滑穩(wěn)定計算采用“單一安全系數(shù)計算公式”，閘室基底應力采用“材料力學偏心受壓公式”計算。

3.2 計算公式

3.2.1 抗滑穩(wěn)定驗算

式中：Kc為沿壩基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為壩基底面與地基之間的摩擦系數(shù)：砂礫石層取0.50；∑G為作用在壩地板上的全部豎向荷載；∑H為作用在把地板上的全部水平荷載；

3.2.2 基底應力驗算

壩底板采用整體式底板，基礎型式為條形基礎，結(jié)構(gòu)布置及受力情況左右對稱，在初步設計階段參照《水閘設計規(guī)范》（SL265－2001）中的閘室基底應力公式進行計算：

壩基上的全部豎向荷載（包括基礎底面上的揚壓力在內(nèi)，kN）；∑M為作用在壩基上的全部豎向和水平向荷載對于基礎底面的垂直水流方向的形心軸的力矩(kN·m)；A為壩基基底面的面積；W為壩基底面對于該底面垂直水流方向的形心軸的截面矩。

3.2.3 地震作用

在地震情況，除需考慮地震慣性力外，其他基本參數(shù)和計算方法同完建期和正常運用期地基反力計算，采用擬靜力法計算地震作用效應，其中：

（1）水平地震慣性力采用下式計算：

其中：Fi為作用在質(zhì)點i的水平向地震慣性力代表值；ah為水平向設計地震加速度代表值；ξ為地震作用的效應折減系數(shù)，取0.25；GEi為集中在質(zhì)點i的重力作用標準值；αi為質(zhì)點i的動態(tài)分布系數(shù)；g為重力加速度，取9.81 m2/s。

（2）水深h處地震水壓力采用下式計算：

其中：Pw(h)為作用在直立迎水壩面水深h處的地震動水壓力代表值；ah為水平向設計地震加速度代表值，ξ為地震作用的效應折減系數(shù)，取0.25；ψ(h)為水深h處的地震動水壓力分布系數(shù)；ρw為水體質(zhì)量密度標準值；H0為水深。

3.3 計算成果

根據(jù)以上公式，選取完建期、正常蓄水期、最高運行水位及正常蓄水遭遇地震情況4種工況進行結(jié)構(gòu)計算，結(jié)果見表7、表8。

根據(jù)以上計算成果可知，各種工況均滿足抗滑穩(wěn)定要求。壩基基礎為第四系全新統(tǒng)沖洪積堆積砂卵石，其地基承載力為280 kPa，閘底板最大基底應力小于地基允許承載力，且閘基底不出現(xiàn)拉應力，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

液壓壩的工程使用經(jīng)驗較少，運行管理中須結(jié)合運行情況，做好運行記錄，做好液壓輸油管的保護；加強對塌壩過洪時的壩體震動觀測和消除；加強降壩運行時的壩面升降高度管理，嚴禁個別壩塌壩運行，防止集中泄流對下游河道產(chǎn)生沖刷破壞；大壩泄流時須做好預警預報工作，防止下游河道水位猛漲產(chǎn)生的人身安全危害和財物損失。

本文基于液壓升降壩技術(shù)設計原理，對液壓壩在河道景觀方面的水力計算及穩(wěn)定計算進行分析，希望能夠為類似項目提供一定的參考。

表6 液壓壩工程塌壩運行時消能防沖計算成果表

表7 1#液壓壩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算成果表

表8 2#液壓壩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算成果表

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2017-02-14

羅杰（1989-），男，陜西咸陽人，助理工程師，主要從事水利工程設計工作。