小型水電站前池退水閘改造設計

郭蓉

(常德市武陵區水利局 湖南常德 415000)

小型水電站在農村中有很重要的作用，其不僅能夠有效調節農村的能源結構，而且對農民的生活燃料需求中也有很重要的作用。就目前而言，我國小型水電站的發展已經有了長足的進步，但是在發展中仍會有一些問題的存在，本文引用A村小型水電站的工程實例來做出了分析。

1 A村水電站的改造現狀

A村小型水電站始建于1971年，是一座較為老化的水電站，這座水電站為渠道引水式電站，引渠的長度達13.6公里，這座水電站有3臺機組，裝機的容量為8.4MW。由于這座水電站始建的年代較為久遠，因此在水電站中有不少問題存在，比如渠道和渠系的建筑物由于長年失修，老化破損嚴重，機電設備陳舊落后、超期服役等情況，這些情況不僅造成電站在運行時的安全可靠程度很低，而且電站的損耗大，發電的效益往往不足，也有不少的安全隱患存在。而A村的這種情況具有代表性，在我國的很多農村地區，像A村這樣的小型水電站還有很多。就A村的電站而言，通過復核結果發現，如果機組的負荷為零，即使考慮前池現有底孔退水閘的排泄作用，那么前池的水位仍會超標，其最高水位可以高出堰頂0.85m。再者，由于受壅水的影響，A村水電站的部分渠道不滿足壅水高度，也有部分渠系建筑物也不滿足壅水的高度，因此急需改造或擴建。而要從更全面的方向上改造A村水電站，那么有必要在改造的基礎上再進行擴建，擴建和改造都要對安全和經濟同時考慮周全，而考慮這兩者所制定的改造措施，以改造溢流堰前池退水閘的改造更能滿足安全和經濟這兩個條件。

2 小型水電站前池退水閘的改造

在A村的水電站中，其前池的位置有溢流堰的設置，溢流堰的堰長達10m，堰高有6.6m，溢流堰的兩側擋墻墻高8m，擋墻的厚度為1.1m，在溢流堰的底部位置有退水閘，退水閘的面積為2.25m2，使用1.5m×1.5m的規格，其方案改造和設計改造如下：

改造的方案分為對啟閉式閘門的改造和水力自動翻板閘門的改造。水力自動翻板的閘門改造則是要利用杠桿的力矩平衡原理，運用這種原理在水壓力和閘門自重的共同作用下讓閘門繞水平鉸軸轉動，從而避免了專用動力的使用，達到自動啟閉的效果，從一定的程度上節約了資源的運用。在水力自動翻板閘門的改造中，要對改造中這種閘門的問題進行合理分析，就水力自動翻板閘門而言，一般存有兩類問題，一是運行的穩定性不強，由于閘門的啟閉通常是運用閘門受到的水壓和閘門自重在門鉸處力矩的變化引起，這種情況對需要的條件要求比較高，而且在翻板閘門進行泄水的時候，因其門葉是在流失內的位置，所以門葉很容易出現撞擊、振動而導致磨損、破壞的情況出現，故而要對這方面問題進行仔細考慮。第二個問題是水力自動翻板閘門在運行的過程中，由于在這個過程中對水質有較高要求，如果在水流中有過多的雜物，那么出現雜物堵塞的情況會使得鉸座周圍的閘門啟閉受到很多的影響，如果水流的速度過大，那么雜物堵塞可能使閘門的控制失去作用，也可能出現閘門卡死的情況，因此改造方案中，考慮了對雜物處理、保證水質的措施。

圖1 現狀平面圖

圖2 現狀縱面圖

在啟閉式閘門的改造中，要在現有的基礎上進行考慮。A村的水電站現有的前池退水閘，其是底孔啟閉式閘門，（見圖1和圖2，兩圖中的陰影部分為需要拆除的部分），在現有的孔底啟閉式閘門中的金結埋件已經大部分失去效果，而埋件的維修具有很大的難度，因此以拆除后新建的方式為改造方法，改造主要是把現有的底孔進行有效封堵，然后再新建一個底孔的啟閉式閘門，并且在其上部位置建立啟備設備，從而滿足排泄水量的要求。對于水力自動翻板閘門而言，雖然其具有過流強、水位壅高少、施工方便等優點，但是在A村的水電站中，其引水渠比較長，而引水渠又要穿插在各個村莊中，因此在引水的過程中難免有雜物出現的情況，雜物如果出現堵塞，那么會影響閘門的啟閉。而自動翻板閘門對啟閉運用水位的要求較高，閘門啟閉的過程中，存有潛在危險比較多，因此對于運用啟閉式閘門來說，其是解決這些因素的良好措施，因啟閉式閘門只需要滿足自身的啟閉熔容量，并且保證金結構件完好，那么就可以達到自如啟閉的效果，所以改造啟閉式閘門是小型水電站前池退水閘的有效措施。

3 改造結構設計

3.1 設計思路

3.1.1抗滑穩定和抗傾穩定的計算

改造結構的設計思路首先是結構進行復核，復核的內容主要是結構的穩定性。對于A村的水電站前池退水閘的改造，采取啟閉式閘門的方案。由于采取這種方案進行施工，在施工的過程中要對部分混凝土進行鑿除，為了考慮到施工的安全以及結構的安全，那么要對鑿除混凝土后兩側剩余擋墻的穩定性進行充分考慮，考慮要結合抗滑穩定和抗傾穩定來考慮，并結合兩者的計算公式來考慮，抗滑穩定的公式為：

在抗滑穩定的公式中，∑H是作用在擋墻上的水平荷載力之和，單位為kN，∑G是作用在擋墻豎向荷載力之和，f是擋墻基礎底面于地基的摩擦系數，[Kc]是允許的抗滑穩定安全系數，而Kc是抗滑穩定安全系數，通過這個公式的建立，可以詳細分析出抗滑穩定的安全程度。

對于抗傾穩定的計算而公式為：

在抗傾穩定的計算的公式中，K0是抗傾覆穩定安全系數；∑MV是全部荷載相對擋墻前趾的抗傾覆力矩，單位為kN·m，∑MH是全部荷載相對擋墻前趾的傾覆力矩，而[K0]為允許的抗傾覆穩定安全系數。

通過這兩個公式的計算，A村水電站前池退水閘的兩側擋墻在鑿除混凝圖后，它的抗傾能力達不到規范要求，因此為了充分保證施工的安全，有必要加強支護。

3.1.2 基底應力復核

對基底部的應力復核是為了考慮閘底板是否符合設計的標準，符合標準之后才能夠對其投入施工，其基底應力復核的公式為

在這個公式中，Pmax為閘板底最大應力，Pmin為閘板底最小應力，∑G是所有的豎向荷載力的總和，A是基底的面積，∑H為所有的水平荷載力總和，∑M是全部荷載對閘底板垂直水流方向的形心軸的力矩和，W是基底對于該底面垂直水流方向的形心軸的截面矩，W的單位為m3。通過基底應力復核公式的計算，發現閘底板的最大應力和最小應力都滿足設計的規范要求，因此可以投入改造施工運用中。

3.2 堰頂寬度及堰頂水深

在A村的退水側堰的堰頂寬度和堰頂水深可以劃分出一個公式來進行計算，這個公式主要是根據退水側堰的堰頂寬度及其堰頂水深根據分水角為直角時的側堰進行水力計算，如果最大流量為6.00m3/s時，那么公式為：

在這個公式中，Q為側堰的流量，單位為m3/s，c為側堰流量系數，可以取0.95m，m為正堰流量系數，而在本文中，根據工程WES的用堰考慮需要，取m=0.502，b為側堰的凈寬，H為堰上水頭，單位為m。然后引入公式計算，如果b=5m時，H=0.7m，加上安全超高等后，確定退水側眼堰的缺口高度為1.3m

3.2 改造細部處理

對于改造細部處理，其主要是在現有的工程基礎上改造，改造的新材料和工程基礎上的老材料結合處理是關鍵措施，對于這兩種材料結合的止水改造要嚴格進行，對于改造使用的新材料，其材料的抗裂程度要高。在設計中為了達到優化的目的，那么在兩種材料結合的界面中要使用植筋處理率，對于新材料的混凝凝土澆筑上，不應使用常規的混凝土，應使用有補償收縮的混凝土來實行澆筑。補償收縮混凝土和常規的混凝土不同之處在于，補償收縮混凝土運用的膨脹劑比例不同，膨脹劑的種類不同，這種膨脹劑能夠產生較高的膨脹率。并且使用了緩凝高效的減水劑，加入了粉煤灰，運用這兩者能夠對水凝的用量進行減少，同時也能降低水化熱，從而使冷縮知值獲得減低。換言之，在這種大體積的混凝土施工中，如果采用補償收縮混凝土來進行工程上的澆筑，那么其溫控指標可以適當放寬，指標適當放寬是指可以不埋設冷卻管，也可以不利用冷卻砂石來達到降溫的效果，避免使用這些對混凝土傳統的溫控方法，那么也能滿足抗滲、防裂的原理。在運用補償收縮混凝土中，從這種混凝土的抗滲、防裂的原理分析，這種混凝土的收縮裂縫可以被自身適度的膨脹而抵消，從而達到與限制體的緊密結合，而這種混凝土本身的抗裂性也很強，比常規的混凝土抗裂性要強上不少。經運用補償收縮混凝土施工后，在A村的前池退水閘改造中也簡化了不少施工的工藝，而且在整個工程完成以后，前池退水閘的運行良好，從這一點也證明了補償收縮混凝土的效果良好。

4 結語

綜上所述，小型水電站前池退水閘的改造設計，應對水電站的現狀進行考證，通過對現狀的考證分析出改造的方案。在本文研究的A村小型水電站前池退水閘改造設計中，運用了啟閉式閘門改造的方案，作出了改造的設計，并且結合抗傾穩定、抗滑穩定和復核基底應力的公式計算，有效分析了設計的可行性。在施工中結合設計方案在細部改造中，使用了補償收縮混凝土，通過這種混凝土的使用，提高了工程防滲、抗裂的能力。這多方面技術的結合，其不僅是提高工程質量的良好措施，也是保證施工安全的有力措施。

[1]苑明文，李楊，裴紅巖.小型水電站工程改造設計中若干問題的探討[J].科技咨詢導報，2007，30:67.

[2]何泉林.新型抽氣裝置在新林水電站前池虹吸進口的應用[J].水利水電技術，1987，06:56-58.

[3]陳燁興.浙江省小型水電站更新改造技術研究 [D].浙江大學,2012.

[4]唐天保.采用虹吸進水方式的電站前池設計經驗剖析[J].黑龍江水利科技,2012,07:50-51.