张村小型水电站前池退水闸改造设计

2011-02-28赵宁

水科学与工程技术 2011年1期

关键词：前池挡墙水闸

赵宁

（黄河勘测规划设计有限公司，郑州450003）

张村小型水电站前池退水闸改造设计

赵宁

（黄河勘测规划设计有限公司，郑州450003）

小水电经过一定时段运行后，电站收入将会减少，相应的运行维修费用也会增加，需要对其进行必要的维修和改造。以张村小水电站前池退水闸的改造设计为例，分别从改造方案比选、结构设计、采用补偿收缩混凝土来解决工程实际问题3方面介绍了整个改造过程的设计，同时提出了对小水电改造的思考。

技术改造；方案比选；补偿收缩混凝土

1 张村小型水电站改造工程现状

小水电是促进社会可持续发展的可再生能源，在调节农村能源结构、解决农民生活燃料方面发挥了巨大作用。目前，我国小水电经过几十年的运行，需要更新改造、扩容的小水电站为8000MW，这些电站普遍技术性能差，存在许多不同程度的技术问题。

张村电站是长水、张村、崛山这3座梯级电站中的1座。这3座电站建于20世纪70～80年代。其中张村电站建于20世纪70年代，为渠道引水式电站，引渠长度13.5km，3台机组，装机容量8.4MW。

3座梯级电站出现的问题为：渠道及渠系建筑物年久失修，病坏严重，渠道淤积严重，机电设备陈旧落后、老化失修、制造厂家繁杂、不同程度的超期服役等。上述问题导致电站运行时安全可靠性低、损耗大、发电效益低下，事故隐患较多，并且由于上游禹门河、崇阳两级电站的相继建成和故县水库运行方式的改变，为达到有效利用洛河水资源，进一步提高电站性能的目的，需对3座电站从结构和设备上进行改造。

就张村电站而言，在对张村电站进行复核时发现：当机组全部丢弃负荷时，即使考虑前池现有底孔退水闸的排泄作用，前池中的最高水位仍会高出堰顶0.83m，受壅水影响，会有相当一部分渠道及渠系建筑物因不满足壅水高度而需要改造或扩建，且相关的工程量较大。同时考虑安全和经济两个方面，发现改造溢流堰前池退水闸要比改造渠道及渠系建筑物更可行。

2 电站前池退水闸的技术改造

张村电站前池设有溢流堰，堰长10m，堰高6.6m，两侧挡墙高8m，厚1.1m，堰底设有一座1.5m×1.5m的退水闸。尽管前池总体工程量较小，但为了优化设计，对其进行以下方案比选。

2.1 方案比选

2.1.1 水力自动翻板闸门

利用杠杆的力矩平衡原理在水压力及闸门自重的共同作用下使闸门绕水平铰轴转动，从而达到自动启闭的目的，无需专用动力资源。优点是过流能力强、水位壅高少、结构简单、施工方便。存在问题：①运行稳定性差，因其启闭主要是由闸门所受水压力和其自重在门铰处力矩的变化引起的，对启闭运用条件要求较高，且翻板闸门泄水时门叶处于流水之中，容易发生磨损、撞击和振动等不良现象；②运行时对水质的要求较高，若杂物堵塞在铰座周围会严重影响闸门的启闭，而且当来水速度较大时，杂物极易使闸门失控或卡死［1］。

2.1.2 启闭式闸门

现状退水闸为底孔启闭式闸门（见图1、2，图中阴影为拆除部分），其金结埋件失效较多，考虑到对埋件进行维修的难度较大，可通过封堵现有底孔，新建一底孔启闭式闸门及上部启闭设备以达到排泄水量的目的。

综合考虑以上方案，尽管水力自动翻板闸门过流能力强、水位壅高少、结构简单、施工方便等诸多优点，但结合工程的实际情况，由于张村电站的引水渠较长，引渠又途经村庄，电站前池肯定会出现一些杂物，这就会影响闸门的启闭。又由于自动翻板闸门对启闭运用水位的要求较高，闸门启闭潜在的危险性较大。对启闭式闸门而言，尽管启闭时需要专门配置启闭设备，不是很经济，但只要启闭容量满足一定要求，金结构件完好，就能完全保证闸门的启闭。综合考虑，最终决定采用启闭式闸门方案。

2.2 结构设计

2.2.1 设计思路

（1）对结构进行稳定复核。采用启闭式闸门方案改造，施工时要凿除一部分混凝土，将会影响到现有结构的安全，具体表现为凿除混凝土后两侧剩余挡墙的稳定性问题，分别对其进行抗滑和抗倾稳定性分析。

抗滑稳定按式（1）计算：

式中 Kc为抗滑稳定安全系数；［Kc］为允许的抗滑稳定安全系数；f为挡墙基础底面与地基的摩擦系数；ΣG为作用于挡墙的竖向荷载之和（kN）；ΣH为作用于挡墙的水平荷载之和（kN）。

抗倾稳定按式（2）计算：

式中 K0为抗倾覆稳定安全系数；［K0］为允许的抗倾覆稳定安全系数；ΣMV为全部荷载相对挡墙前趾的抗倾覆力矩（kN·m）；ΣMH为全部荷载相对挡墙前趾的倾覆力矩（kN·m）。

计算结果表明，凿除混凝土后两侧剩余挡墙的抗倾不满足要求，为了保证施工安全，要求在施工过程中，必须采取相应的支护措施。

（2）对闸底板进行基底应力复核。改造后闸底板的受力情况及受力部位发生了改变，为了避免产生不均匀沉降，通过式（3）对基底应力进行复核：

式中 ΣG为全部竖向荷载之和（kN）；A为基底面面积（m2）；ΣH为水平荷载之和（kN）；ΣM为全部荷载对闸底板垂直水流方向的形心轴的力矩之和（kN·m）；W为基底对于该底面垂直水流方向的形心轴的截面矩（m3）。

复核结果表明闸底板最大最小应力比满足设计要求。

（3）结构设计。对各部分新建结构按照各自的受力情况，进行具体的结构设计。

2.2.2 细部处理

技术改造工程在现有工程的基础上进行，新老材料界面间的处理比较关键，对于张村电站前池退水闸而言，新老材料间的止水和新材料的抗裂要求比较高。设计过程中，为达到优化设计的目的，新老材料界面间不但进行了植筋处理，而且新浇筑混凝土没有采用常规的普通混凝土，而是用了补偿收缩混凝土。

补偿收缩混凝土是利用膨胀剂产生较高的膨胀率，利用缓凝高效减水剂和粉煤灰降低水泥用量和水化热，从而减少冷缩值，也就是说在大体积混凝土施工时，采用补偿收缩混凝土，可适当放宽温控指标，可不用冷却砂石、在混凝土中埋设冷却管等传统方法，就可以达到防裂、抗渗的原理［2］。从补偿收缩混凝土防裂、抗渗的原理可以看出，其以自身适度的膨胀抵消收缩裂缝，达到与限制体的紧密结合，自身的抗裂性也较普通混凝土大为提高。

在张村电站前池退水闸技术改造中，补偿收缩混凝土充分发挥了自身防裂、抗渗作用，简化了混凝土的施工工艺。

现该工程已改造完成，运行情况良好，说明补偿收缩混凝土的应用非常成功。