增設溢流壩頂翻板閘使小水電站增容增效

萬麗飛 孫 敏

(1.遼寧省寬甸縣水利局 寬甸 118200;2.遼寧省丹東市水利局 丹東 118000)

1 引言

隨著我國經濟快速發展,電力需求越來越大。由于電力供應不足的原因,已經制約了經濟的發展。因此,發展電源建設,增加電力供應已經成為全社會的迫切要求。

常見的電源有火電站、核電站、風力發電站、水力發電站等。

其中水力發電站利用可再生能源,沒有污染排放,屬于清潔型能源,深受社會的喜愛和歡迎。

2 問題的提出

建設水力發電站需要兩個必要條件,即水頭和流量。電站裝機容量的大小、年發電量多少都是這兩個因素所決定的。對于小型水電站多數是徑流式電站,即水庫很小,沒有調節能力,電站引用流量多數取決于天然流量。即引用流量是自然條件所決定的,是無法改變的,只能在短歷時內再分配。

然而,人們可以改變的只有水頭大小。

在建設水電站時,人們總是希望水頭越高越好。在尾水位一定的情況下,要想提高水頭,就得增加壩高,提高正常蓄水位。

提高蓄水位就要增大淹沒范圍,從而增加了淹沒補償投資。如今林地、耕地資源非常珍貴,補償費用很高,不僅審批手續難辦,而且因為補償費過高,可能導致項目經濟評價不合理,項目被否決。

那么,能否采取一種工程措施,在不增加淹沒范圍情況下,抬高正常蓄水位,提高水頭、增大裝機容量、提高發電量呢?筆者帶著這個問題,在小型電站設計實踐中進行了嘗試和探索。

3 解決問題的思路

在山區中小河流上,受地形條件和流量條件及水頭條件的限制,一般只能建設小型水電站。

小型水電站以溢流壩頂高程作為正常蓄水位,按5年一遇洪水回水高程線確定淹沒范圍。即5年一遇洪水位以下范圍必須依法征用,繳納征地補償費和安置補助費。

從正常水位到征地淹沒線之間一般有2～4m高的空間作為行洪斷面,流域面積越大,行洪水深越大,預留的行洪斷面也越大。

筆者發現從正常水位到征地淹沒線之間這部分空間庫容和水頭只在行洪期被短歷時利用,而在枯水季節,長時間被閑置,白白浪費。于是,筆者設想如果采取一種工程措施,在枯水季節能擋水,抬高正常水位,提高設計水頭,盡可能利用行洪空間;在行洪期間自動撤銷擋水功能,恢復設計行洪能力,不增大淹沒范圍。

根據這個思路,筆者在小水電站設計實踐中,采取在溢流壩頂增設鐵制翻板閘,在枯水季節翻板閘直立擋水,抬高正常蓄水位,提高設計水頭;在行洪期,翻板閘會在一定水壓力作用下,自動翻倒泄洪;當庫水位降到一定程度,翻板閘又能在配重體作用下自動恢復到直立擋水位置。這一做法曾在4座新建電站上應用,都取得了成功。實現了不增大淹沒范圍情況下,使電站增容增效,深受用戶歡迎。

4 板閘的選型

常見的翻板閘是鋼筋混凝土結構。這種翻板閘結構復雜、自重大、造價高、不易維修;更主要的缺點是閘板厚度大影響泄洪能力,要求溢流壩頂寬度大,勢必造成溢流壩斷面肥大,不夠經濟。而鐵制翻板閘避免了鋼筋混凝土翻板閘的所有缺點。因此筆者在實踐中一律采用鐵制翻板閘。

5 鐵制翻板閘的設計

鐵制翻板閘的設計包括翻板閘尺寸的確定;傾覆計算;復位計算;變形計算和止水設計六方面。

5.1 翻板閘尺寸的確定

翻板閘結構尺寸應考慮鋼材定型尺寸及閘門自重。型鋼、板材定型長6m,因此確定閘門長6m,閘門高度應考慮壩頂行洪水深及兩岸耕地允許浸沒深度,計算公式為H=H淹-H浸。

公式中符號意義:

H——翻板閘高度m;

H淹——5年一遇洪水位至溢流壩頂高度m;

H浸——庫區岸坡臺地上耕地允許浸沒深度,一般取1～1.3m

按上式計算,翻板閘高度一般在1～2.5m,根據經驗,溢流壩頂翻板閘高度1～1.5m較好。因為翻板閘高度超過2m,翻倒后可能使電站水頭突然減小,對機組運行不利,另外,翻板閘恢復擋水位置所需時間較長,造成汛期水資源浪費。

5.2 翻板閘傾覆計算

翻板閘傾覆計算的目的是確定閘門軸的高度,確保翻板閘頂溢流水深達到預計高度時,在水壓力作用下,翻板閘可以自動翻倒泄洪,不擴大淹沒范圍。

計算方法采用試算法。首先初擬閘門軸高度,約為閘門高的;其次是預定閘門翻轉時閘門頂過流水深h。

閘門頂高程加上h值應低于五年一遇洪水位,一般取h=0.4～0.6m。然后將作用在翻板閘上的所有荷載對閘門軸中心線取矩,根據力矩方向,分別匯總傾覆力矩M傾和阻轉力矩M阻,再計算轉動系數K轉=,當K轉＜1時,翻板閘不能翻轉,應重新降低閘門軸高度,再進行翻轉計算。

如果K轉＞1.2時,閘門可能在沒有達到預定溢流水深時就提前翻倒,應當再提高閘門軸高度,重新計算,當1.1≤K轉≤1.2之間時,認為可以滿足要求。

5.3 翻板閘門復位計算

當翻板閘翻倒泄洪以后,庫區水位逐漸下降,當水位降低到一定程度時,閘門需要自動恢復到擋水位置,閘門上半部分長,下半部分短,翻倒放平后,是不能自動恢復到擋水位置的,因此需要進行配重計算。

首先預定平放的閘門以上溢流水深多高時讓閘門恢復擋水位置,然后將預定狀態下作用在閘門上的所有荷載對閘門軸取矩,分別匯總恢復力矩M復和阻止恢復力矩M阻。

沒有配重前M阻＞M復。最小配重力矩M配=M阻-M復。配重材料和配重塊重心可以事先確定,即配重力矩M配=GL。

公式中符號意義:

M配——配重力矩,kg?m;

G——配重塊重量,kg;

L——配重塊重心到閘門軸中線距離,m;按上式可以計算出配重塊的重量G:

按上式可以算出閘門最小配重G,為了確保閘門按預定狀態復位,實際配重G配 =1.1G,配重后,再驗算閘門復位系數K復=,當1.1≤K復≤1.2時,認為配重合適。

翻板閘配重以后,對傾覆能力又有影響,應當再驗算傾覆系數,直到滿足要求為止。

5.4 閘門強度驗算

采用材料力學中的公式,按設計情況下,對閘門支座、門軸、縱梁、橫梁、閘門板進行正應力和剪力計算,計算結果應當滿足σ≤〔σ〕,τ≤〔τ〕。

一般情況下,閘門板采用8～12mm厚3號鋼板;縱橫梁采用12～14號工字鋼;閘門支座采用14～16號工字鋼;閘門軸采用3號鋼。強度計算都能滿足要求。

5.5 翻板閘門變形計算

翻板閘門配件尺寸滿足強度要求后,還應滿足剛度要求。按照材料力學中的公式,對閘門縱橫梁、門板、支座進行變形驗算,計算結果應當滿足允許變形要求,即 f≤〔f〕。

如果變形尺寸不滿足要求,應當加大配件斷面尺寸,因而又加大了閘門自重,應當重新進行上述各步驟計算,直到各方面滿足要求為止。

5.6 閘門止水設計

翻板閘止水分為側止水和底止水兩部分。底止水采用10mm厚膠板,用壓板、螺栓固定在閘板底邊上;側止水采用10mm厚 “U”型膠板,用壓板、螺栓固定在閘板兩端上。

6 實例介紹

筆者曾在遼寧省寬甸縣4座新建小型水電站設計中,采取溢流壩頂增設翻板閘措施,實現了在不增加淹沒范圍情況下,充分利用行洪庫容和水頭,增容增效,取得了良好的經濟效益。

這4座小型水電站翻板閘基本情況列入表1。

表1 寬甸縣帶翻板閘電站統計表

7 經濟效益分析

以上4座小型水電站,如果溢流壩頂不設翻板閘,就會減小設計水頭,從而減小裝機容量,減少發電量。如果用實體混凝土壩代替翻板閘,即把溢流壩加高到翻板閘頂高程,就會增大淹沒范圍,淹沒補償費會顯著提高,甚至導致該項目不給批準的后果。

以上4座小型水電站有無翻板閘經濟效益比較詳見表2。正常溢流壩高和加大溢流壩高兩種方案經濟比較詳見表3。

表2 有無翻板閘經濟比較表

表3 正常壩高與加大壩高方案經濟比較表

從以上兩表可以看出,在溢流壩頂增設鐵制翻板閘,不增大淹沒范圍,投資增加不大,裝機容量和發電量明顯提高,投資回收期很短,經濟效益顯著。如果用實體壩代替翻板閘,雖然可以增容增效,但是淹沒范圍也增大了,投資顯著增加,增加的投資回收期很長,經濟效益很低,甚至不允許開發該項目。

8 鐵制翻板閘缺點和優點

8.1 缺點

鐵制翻板閘剛度小,在北方冬季庫區結冰,閘門在冰壓力作用下容易變形,需要在閘門前3m處開鑿一條冰槽,切斷冰面對閘門的壓力,防止閘門受壓變形,需要增加冬季破冰費。

另外,閘門翻倒泄洪時,容易掛浪柴雜物,影響閘門復位,需要人工清理。

8.2 優點

在溢流壩頂增設鐵制翻板閘,提高了水能利用率和征地利用率。在不增加淹沒范圍情況下,實現了提高水頭、增大裝機容量、增加發電量的目的。經濟效益顯著,發展空間大,值得推廣。