某水電站排冰泄洪閘閘室結(jié)構(gòu)研究

劉文勝

(水電水利規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100120)

1 工程概況

某水電站位于白俄羅斯境內(nèi)西德維納河上，電站總裝機容量40 MW，多年平均年發(fā)電量1.5億kW·h，樞紐布置從左至右分別為左岸土壩、船閘、連接土壩、排冰泄洪閘、廠房、右岸土壩。排冰泄洪閘布置在主河床靠左側(cè)，從上游往下游依次由鋪蓋、閘室段、消力池、護坦、海漫、防沖槽等組成。

電站位于寒冷地區(qū)，年平均氣溫5.1 ℃，其中11月至次年3月月平均氣溫均低于0 ℃，積雪一般形成于每年12月，一直持續(xù)到次年3月。電站的主汛期為春汛洪水，春汛多發(fā)生在冰雪融化的3月～4月，2 000年一遇校核洪水洪峰流量為3 340 m3/s。另外，西德維納河發(fā)源于俄羅斯的小德維納湖，屬于嚴寒地區(qū)。每年春天來臨，氣候變暖，冰雪融化，上游湖泊和河道中化解的冰塊隨著融化的雪水洪流漂流而下，這要求泄水建筑物在泄洪的同時還需快速排泄漂浮的冰塊，使其不在水庫壩前簇擁聚集。為此，在設(shè)計階段，針對排冰泄洪閘開展了一系列研究工作，使其滿足泄洪的同時還能在小流量工況下順利排冰。排冰泄洪閘的設(shè)計從上游破冰開始，到閘室體形結(jié)構(gòu)，以及接下來的消能防沖布置均需進行相應(yīng)的考慮，而其中閘室結(jié)構(gòu)又是實現(xiàn)排冰泄洪的核心。本文從排冰泄洪閘方案選擇、水工模型試驗?zāi)M排冰研究，閘室細部結(jié)構(gòu)研究等方面對排冰泄洪閘閘室進行介紹，以期為類似工程提供參考和借鑒。

2 排冰泄洪閘方案比選

經(jīng)分析研究，泄洪閘既能滿足各工況泄洪要求又能在小流量下進行排冰的解決方案主要有兩種，即堰孔雙層排冰泄洪閘或大孔口舌瓣門排冰泄洪閘[1]。某水電站在可行性研究階段對這2種方案進行了比較研究。

2.1 堰孔雙層排冰泄洪閘

堰孔雙層排冰泄洪閘與普通泄洪閘的區(qū)別主要是在閘室中設(shè)置橫梁，將閘室分為2層。閘室上層為表孔，這時橫梁為表孔閘門的底坎；閘室下層為底孔，這時橫梁為底孔的門楣。堰孔雙層閘縱剖面見圖1。可研階段閘室的尺寸擬定為表孔12 m×6.2 m(寬×高)，底孔12 m×3.2 m(寬×高)，均設(shè)置6孔，表孔堰頂高程132.8 m，底孔進口高程126.0 m。

圖1 堰孔雙層泄洪閘縱剖面(單位：尺寸cm；高程m)

堰孔雙層閘解決泄洪和排冰的主要思路為在小流量情況下僅開啟部分表孔閘門，此時可排冰或排泄漂浮物，隨著來流量的變化依次開啟其他閘門滿足不同工況下泄洪排冰的要求。

堰孔雙層閘泄流能力計算不同于普通的泄洪閘，經(jīng)研究可采用循環(huán)試算法[2]。

(1)在假定的下游水位條件下進行初步試算。表孔泄流量采用開敞式溢洪道泄流能力公式計算[3]，即

(1)

式中，Q為表孔流量，m3/s；σs為堰流淹沒系數(shù)；σc為側(cè)收縮系數(shù)；m為堰流流量系數(shù)；n為閘孔寬度，m；g為重力加速度，m/s2；H0為計入行程流速的堰上水頭，m。

底孔泄流量按孔流公式計算[3]，即

(2)

式中，Q′為底孔流量，m3/s；σ′s為淹沒系數(shù)；μ為流量系數(shù)；e為孔口高度，m；a為閘孔個數(shù)；b為單孔閘寬度，m；ε為收縮系數(shù)；g為重力加速度，m/s2；H0為計入行程流速的堰上水頭，m。

(2)根據(jù)初步計算得出的流量和下游河道的水位流量關(guān)系曲線確定新的下游水位并再次按上述公式進行計算。

(3)循環(huán)第2步的動作直到得出的流量和下游水位符合水位流量關(guān)系曲線的關(guān)系。

堰孔雙層閘泄流能力計算較為繁瑣，實際運行后調(diào)度運行也較為復(fù)雜。經(jīng)計算，堰孔雙層泄洪閘總泄量可以滿足泄流能力要求。同時，單個表孔寬高僅為12 m×6.2 m，可以滿足來流量較小情況下的排冰要求。

2.2 大孔口舌瓣門泄洪閘

大孔口舌瓣門排冰泄洪閘與普通泄洪閘的區(qū)別在于弧形工作閘門上帶一個舌瓣門[4]，舌瓣門排冰泄洪閘閘室縱剖面示意見圖2。大孔口舌瓣門方案孔口尺寸為20 m×9 m(寬×高)，設(shè)置3孔，堰型為WES實用堰，堰頂高程130 m。舌瓣門布置在弧形工作閘門上部中間位置，尺寸為11 m×2.5 m(寬×高)，底部設(shè)有可轉(zhuǎn)動的支鉸與弧形工作閘門鉸接，舌瓣門的側(cè)邊和底邊與弧形閘門止水配合，舌瓣門的背面與液壓啟閉機吊耳鉸接，液壓啟閉機構(gòu)設(shè)置在弧形閘門結(jié)構(gòu)部件上，通過液壓啟閉機操作繞支鉸轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)舌瓣門的開啟和關(guān)閉，以滿足小流量泄洪、排冰、排漂等要求。

圖2 大孔口帶舌瓣門泄洪閘縱剖面示意(單位：尺寸cm；高程m)

2.3 方案比較

堰孔雙層排冰泄洪閘是一個表層排冰過漂浮物，底部過泥沙的布置方案，目前國內(nèi)應(yīng)用案例較少。經(jīng)收集資料發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)的甘肅省迭部縣白龍江干流尼傲加尕水電站泄洪閘進行了應(yīng)用[5]。根據(jù)有關(guān)文獻，堰孔雙層泄流在孔口進口門槽會出現(xiàn)渦帶現(xiàn)象[6]，且沒有很好的解決措施[7]。在運行過程中，表孔開啟運行后，尤其是表孔有浮冰漂流通過時，再通過門式啟閉機抓取開啟底孔閘門時存在一定的干擾和困難[8]，這也是制約堰孔雙層閘布置的原因。

大孔口舌瓣門排冰泄洪閘打破常規(guī)，通過設(shè)置較寬的孔口和應(yīng)用比較成熟的舌瓣門技術(shù)很好地實現(xiàn)了小流量排較大冰塊的功能[9]。若通過開啟弧形工作閘門排冰，則下泄水量較大，電量損失也較大；若弧形閘門局部開啟，冰塊又不能從弧門底部排走，而舌瓣門的啟閉可以降低弧形閘門小開度開啟頻率，可避免閘門因局部開啟可能帶來的門葉振動、門底水封損壞等問題。

綜上，大孔口舌瓣門泄洪閘與堰孔雙層排冰泄洪閘比較，具有閘門開啟更加靈活、可以在更小的流量下排冰排漂，且不會帶來渦帶現(xiàn)象，不會出現(xiàn)閘門開啟相互干擾等優(yōu)點。雖然較大的孔口尺寸會要求更高的基礎(chǔ)承載力[2]、更復(fù)雜的門機大梁、更高的配筋率等方面的問題，但在現(xiàn)有的技術(shù)條件下均可解決，故某排冰泄洪閘最終推薦采用大孔口舌瓣門方案。

表1 排冰試驗工況下各水位流量參數(shù)

圖3 正常蓄水位139.0 m中孔舌瓣門的過冰過程流態(tài)(Q=62.5+495 m3/s)

3 水工模型試驗研究

為了進一步研究大孔口舌瓣門排冰泄洪閘的排冰性能，在設(shè)計階段的水工模型試驗中對排冰情況和運行方式進行了專題研究[10]。排冰試驗選取上游水位為正常蓄水位139.0 m，研究舌瓣門一孔開啟、兩孔開啟和三孔開啟情況下的過冰情況，各試驗工況下的水位流量參數(shù)見表1。

排冰試驗?zāi)M的冰塊為正方形，邊長分別為1、2 m和7 m，過冰流態(tài)見圖3。從圖3可以看出，當(dāng)過舌瓣門冰塊尺寸小于2 m，三孔舌瓣門打開，下游水深2.477 m時，冰塊輕微撞擊堰面。通過進一步觀察，當(dāng)過舌瓣門冰塊尺寸為1 m，下游水深達到約4 m時，冰塊不會直接撞擊堰面，此時下游水位約為131.936 m，下泄流量約為1 080 m3/s。當(dāng)過舌瓣門冰塊尺寸為2 m，下游水深約4.564 m時，冰塊不會直接撞擊堰面，此時下游水位為132.5 m，下泄流量約為1 270 m3/s。當(dāng)過舌瓣門冰塊尺寸為7 m，下游水深4.564 m時，冰塊會直接撞擊堰面。試驗同時還觀察到，冰塊在水舌落點附近由于水流的旋滾做往復(fù)運動，冰塊對堰面和閘墩有輕微的撞擊。通過試驗可以得出，下游消力池水面越高，冰塊對堰面和閘墩的作用就越??；過舌瓣門的冰塊尺寸越小，對堰面和閘墩的作用就越小。

根據(jù)電站的運行方式，當(dāng)來流量大于1 270 m3/s時，機組停止發(fā)電，沒有必要非通過舌瓣門排冰，且大冰塊通過舌瓣門下落會撞擊堰面，這時泄洪閘三孔全開敞泄可以降低庫水位，減小上下游的水位差，大冰塊過堰時不會撞擊堰面，因此試驗建議當(dāng)來流量大于1 270 m3/s時，采取泄洪閘三孔全開敞泄的這種方式排冰，這種運行方式和洪水期電站的運行方式是完全一致的。

小冰塊排冰時，下游水位不宜小于131.936 m，因此試驗建議，當(dāng)下泄流量達到1 080 m3/s時，可以通過舌瓣門排小于1 m的小冰塊；當(dāng)下泄流量達到1 270 m3/s時，可以通過舌瓣門排小于2 m的小冰塊；當(dāng)來流量大于1 270 m3/s時，可以采取泄洪閘3孔全開敞泄的方式排冰。當(dāng)流量較小，而冰塊較大時需采取一定的措施破碎冰塊以減小冰塊對下游結(jié)構(gòu)的影響。

4 閘室細部結(jié)構(gòu)研究

為了減輕冰塊對泄洪閘的影響，閘室的細部結(jié)構(gòu)方面也做了相應(yīng)的研究。閘室的細部結(jié)構(gòu)又包含金屬結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)兩個方面。金屬結(jié)構(gòu)方面主要在金屬閘門結(jié)構(gòu)體系、加熱防凍系統(tǒng)、防靜冰壓力系統(tǒng)等方面采取了對應(yīng)措施；混凝土結(jié)構(gòu)方面主要在混凝土強度等級和抗凍標(biāo)號、鋼筋保護層厚度和閘墩墩頭結(jié)構(gòu)設(shè)計方面采取了相關(guān)措施。本文僅對混凝土結(jié)構(gòu)方面進行重點論述。

4.1 混凝土強度等級和抗凍標(biāo)號

電站的地理位置為北緯55°15′4.20″，東經(jīng)30°9′37.81″，比我國北極村還靠北，屬于高緯度地區(qū)。工程區(qū)多年平均氣溫為5.1 ℃，1月份最冷，平均氣溫-7.9 ℃，歷史極端最低氣溫-41 ℃。根據(jù)《水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范》電站所屬區(qū)域為寒冷地區(qū)。

考慮到電站為寒冷地區(qū)且閘室有過冰的要求，經(jīng)分析研究，閘室結(jié)構(gòu)混凝土強度等級在C25的基礎(chǔ)上進行了提高，堰體表面1 m和閘墩混凝土強度等級提高到C35混凝土；同時考慮到構(gòu)件的年凍融循環(huán)次數(shù)基本小于100次，混凝土的抗凍等級確定為F200。

4.2 混凝土保護層厚度研究

泄洪閘所處的工作環(huán)境為露天環(huán)境，其中部分部位還處于水位變動區(qū)，按照《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，其對應(yīng)的工作環(huán)境類別為二類或三類，為施工便捷需要，統(tǒng)一考慮為三類環(huán)境。根據(jù)DT/T 5057—2009《混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范》第12.2.2條，縱向受力鋼筋的混凝土最小保護層厚度，根據(jù)構(gòu)件類別“板、墻”、“梁、柱、墩”和“截面厚度不小于2.5 m的底板及墩墻”等三類環(huán)境分別對應(yīng)30、45 mm和50 mm，為簡便計，統(tǒng)一考慮為50 mm。

根據(jù)《水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范》“溢流面、底孔、尾水閘墩、尾水墻和大型水閘的墻、墩等受凍嚴重且有抗沖耐磨要求的部位，以及有抗凍要求的梁、板、柱、墻、墩的鋼筋凈保護層，其厚度宜適當(dāng)增加”的要求，同時考慮到冰塊對閘室結(jié)構(gòu)有輕微撞擊和磨損并結(jié)合國內(nèi)水電工程經(jīng)驗通行的大體積混凝土的保護層厚度，根據(jù)計算與論證，創(chuàng)新性將其保護層厚度增加至150 mm。

4.3 墩頭結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于排冰泄洪閘孔口尺寸較大，其相應(yīng)的閘墩設(shè)置厚度達6 m。在初步設(shè)計階段，考慮到閘前流速并不大，閘墩墩頭體形采用“方頭圓角”方案。墩頭迎水面為平面，以半徑為1 m的90°角圓弧過渡至側(cè)向流面。施工詳圖階段，考慮到閘墩迎水面比較寬，當(dāng)上游漂流下來的浮冰體型比較大時，可能被擋在閘墩前面不能順著閘孔飄走。逐修改墩頭的體型至“圓尖頭”形狀，由2個半徑6 m的圓弧交合構(gòu)成墩頭形狀。此墩頭還具有一定的破冰功能，當(dāng)上游來的冰塊以一定的速度和墩頭接觸時，可被劈開順利流向下游。為了保護墩頭不被破壞，設(shè)計對墩頭用角鋼和鋼板進行保護，泄洪閘方形墩頭和尖型墩頭示意及墩頭保護大樣見圖4、5。

圖4 泄洪閘方形墩頭和尖型墩頭示意(單位：cm)

圖5 墩頭保護大樣

目前鋼板保護的尖型墩頭結(jié)構(gòu)已運行幾年，運行狀況良好，無破損的跡象，且起到一定的破冰效果。

5 結(jié) 語

某泄洪閘位于寒冷地區(qū)，在春汛季節(jié)需考慮小流量排冰措施。經(jīng)對堰孔雙層和大孔口舌瓣門兩種方案進行對比分析，推薦采用大孔口舌瓣門排冰泄洪閘方案。為了進一步研究大孔口舌瓣門排冰泄洪閘的排冰性能，通過水工模型試驗對排冰情況和運行方式進行了專題研究。試驗證明大孔口舌瓣門過冰塊情況良好，試驗結(jié)果也要求當(dāng)來流量較小時，上游需采取一定的措施破碎冰塊以減少冰塊對下游結(jié)構(gòu)的影響。為了適應(yīng)泄洪閘過冰的能力，設(shè)計同時還在混凝土強度等級、混凝土保護層厚度和閘室墩頭等細部結(jié)構(gòu)方面進行了分析研究并采取了相應(yīng)的措施。

某排冰泄洪閘于2017年投入運行，至今已歷經(jīng)5個冬季，目前運行情況良好，其相關(guān)設(shè)計指標(biāo)已成為西德維納河后續(xù)梯級電站排冰泄洪閘所遵循的技術(shù)要求。某排冰泄洪閘的體形不僅可以應(yīng)用于東歐平原、西伯利亞以及我國北方等其他高寒、寒冷或嚴寒地區(qū)水電站工程，也可以為其他類似工程抗冰凍設(shè)計提供借鑒。