淺談水力自控翻板閘門(mén)的選用

張 軍

(杭州市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院桐廬分院,浙江 桐廬 311500)

1 問(wèn)題的提出

水力自控翻板門(mén)出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代中期,由于該類(lèi)閘門(mén)運(yùn)行可靠、安裝方便,歷時(shí)短、造價(jià)相對(duì)較低且無(wú)須人為操作,使得翻板閘門(mén)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(mén)。

做為控制水庫(kù)或河道水位使用的閘門(mén),水力自控翻板門(mén)在很多方面與其它閘門(mén)類(lèi)似,也同樣有閘孔出流的水力特性,但是也有與其它閘門(mén)完全不同的地方,這就需要設(shè)計(jì)人員詳細(xì)了解翻板門(mén)的運(yùn)行特性及水力計(jì)算。

翻板閘門(mén)在水利工程中的使用已經(jīng)有數(shù)十年,但我國(guó)目前仍無(wú)此類(lèi)閘門(mén)的水力行業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范及統(tǒng)一的水力計(jì)算方法。

目前,在對(duì)翻板閘門(mén)泄流量計(jì)算時(shí)多數(shù)廠(chǎng)家或設(shè)計(jì)單位都忽略擋水門(mén)板的存在,并按堰流計(jì)算,取寬頂堰或?qū)嵱醚叩牧髁肯禂?shù)乘以一個(gè)折減系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。特定情況下這樣簡(jiǎn)化計(jì)算得出的結(jié)果與實(shí)際過(guò)流量是很接近的,特別是在閘門(mén)全部開(kāi)啟后,門(mén)板自身已經(jīng)與水流方向幾乎平行,因?yàn)殚T(mén)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(jì)算得出的閘前水位卻不一定是最高水位,有時(shí)會(huì)與實(shí)際最高水位相差很大,甚致是錯(cuò)誤的,從而直接影響大壩及其它附屬建筑物的安全運(yùn)行,并且直接影響到對(duì)庫(kù)尾可能造成的淹沒(méi)程度的估量,對(duì)工程投資及庫(kù)尾淹沒(méi)區(qū)產(chǎn)生重大影響。

2 閘門(mén)運(yùn)行概述

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

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

從上述對(duì)閘門(mén)運(yùn)行過(guò)程的敘述可知,翻板門(mén)泄流明顯的分為門(mén)上、門(mén)下2個(gè)部位泄流,而且泄流量均在不斷地變化,門(mén)上始終為堰流,門(mén)下始終為閘孔出流或大孔口出流,且整個(gè)擋水門(mén)板在不斷的作曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng),而且運(yùn)動(dòng)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(mén)頂高程的變化,先慢慢升高,直至最高位置,此時(shí)如果入庫(kù)流量大于出庫(kù)流量,門(mén)頂高程還會(huì)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(duì)翻板閘門(mén)的水力計(jì)算及閘門(mén)如何選擇作一粗淺的分析,供設(shè)計(jì)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(kāi)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(jí)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(mǎn)足工業(yè)區(qū)及村民4個(gè)月用水,經(jīng)測(cè)算,閘前河道蓄水量需達(dá)到23萬(wàn)m3,根據(jù)水位～庫(kù)容曲線(xiàn),正常蓄水位取65.00 m,可蓄水量為25.6萬(wàn)m3,其中,死庫(kù)容2.6萬(wàn)m3。

該工程實(shí)為河道型小型水庫(kù),由于庫(kù)容較小,入庫(kù)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(kù)削減洪峰的作用。

按規(guī)范要求,庫(kù)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(jì)算及水位分析

閘門(mén)泄流時(shí)的水力計(jì)算根據(jù)閘門(mén)運(yùn)行方式及閘門(mén)固定堰的形式確定如下:門(mén)上始終按堰流計(jì)算,門(mén)下始終按閘孔出流計(jì)算,為便于說(shuō)明問(wèn)題,均按無(wú)淹沒(méi)出流計(jì)算。計(jì)算公式均采用水力計(jì)算手冊(cè)中的推薦公式,考慮到目前投入使用的翻板閘門(mén)絕大多數(shù)是由廠(chǎng)家定型生產(chǎn)的,因此,閘門(mén)下部開(kāi)度、門(mén)頂高程及堰頂水深各自與傾角之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系值采用廠(chǎng)家提供的數(shù)值,計(jì)算前先對(duì)廠(chǎng)家提供的上述三者對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)值進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,并據(jù)此擬合線(xiàn)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(mén)型進(jìn)行水位比較計(jì)算。在水位比較計(jì)算之前,根據(jù)廠(chǎng)家提供的特性參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,尋求閘門(mén)主要運(yùn)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(guò)閘門(mén)時(shí),閘前洪水位計(jì)算成果見(jiàn)表1。

表1 閘前水位計(jì)算成果表

從表1中的計(jì)算結(jié)果可見(jiàn),在同一方案的條件下,閘門(mén)數(shù)量、規(guī)格完全相同時(shí),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(mén)全部翻倒后 (閘門(mén)與水平線(xiàn)的夾角為10°)才出現(xiàn),而當(dāng)洪峰流量在臨界值以下時(shí),庫(kù)水位是呈波動(dòng)或降低變化的。

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

從表1中的計(jì)算結(jié)果還可以看出,不同閘門(mén)高度時(shí),造成庫(kù)水位單調(diào)增高的臨界流量值也是越來(lái)越大,說(shuō)明這個(gè)臨界洪峰流量值對(duì)于不同高度的翻板閘門(mén)而言也是不相同的,而且隨著閘門(mén)高度的增大,這個(gè)臨界流量值也是同步增大的,而這個(gè)臨界流量值其實(shí)就是翻板閘門(mén)全翻時(shí)的泄流量。

因此,只有當(dāng)翻板閘門(mén)全部開(kāi)啟后,翻板閘門(mén)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)才暫時(shí)停止運(yùn)動(dòng),閘門(mén)的各項(xiàng)參數(shù)才成為一個(gè)定值,這時(shí)翻板閘門(mén)的泄洪水力計(jì)算才可以忽略門(mén)板厚度的影響,采用與常見(jiàn)的漿砌石、混凝土溢流堰相同的水力計(jì)算方法。

5 閘門(mén)規(guī)格的選擇

根據(jù)前述計(jì)算結(jié)果,在翻板閘門(mén)沒(méi)有全部開(kāi)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(mén)是否全部已經(jīng)開(kāi)啟。

從計(jì)算結(jié)果可見(jiàn),對(duì)于庫(kù)內(nèi)集鎮(zhèn)而言,50 a一遇及其以下的洪峰流量經(jīng)過(guò)閘門(mén)時(shí),方案3和方案4閘前最高水位均為 65.70 m,無(wú)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(duì)應(yīng)的閘前水位是最低的,而4個(gè)方案的閘門(mén)面積幾乎相等,因此,對(duì)于集鎮(zhèn)防洪而言,選擇方案1確定的閘門(mén)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(duì)于庫(kù)岸縣道而言,20 a一遇的洪峰流量經(jīng)過(guò)閘門(mén)時(shí),方案1所對(duì)應(yīng)的庫(kù)水位也是最低的,因此,選擇方案1確定的閘門(mén)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(mén)高度為2.0 m,單孔閘寬為6.0 m,共計(jì)布置15孔閘門(mén)。

6 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)上述對(duì)大源溪攔河堰工程選用翻板閘門(mén)的分析說(shuō)明,翻板閘門(mén)的水力計(jì)算并不是像廠(chǎng)家產(chǎn)品介紹所說(shuō)的那樣,可以忽略擋水門(mén)板的存在,簡(jiǎn)單的按閘門(mén)全翻考慮,這只有在特定條件下才是允許的。

另外,上述計(jì)算實(shí)例也說(shuō)明,在計(jì)算翻板閘門(mén)泄流能力時(shí),絕對(duì)不可以簡(jiǎn)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(mén)泄流完全等同于一般的固定溢流堰。

對(duì)于庫(kù)區(qū)可能存在淹沒(méi)損失的工程,選用翻板閘門(mén)時(shí)更應(yīng)當(dāng)慎重,應(yīng)優(yōu)先選用高度較低的閘門(mén),同時(shí)也應(yīng)控制翻板閘門(mén)的數(shù)量,盡量使得小流量通過(guò)閘門(mén)時(shí),閘門(mén)也能夠全部開(kāi)啟到最大限度。