小型水电站前池退水闸改造设计

郭蓉

(常德市武陵区水利局 湖南常德 415000)

小型水电站在农村中有很重要的作用，其不仅能够有效调节农村的能源结构，而且对农民的生活燃料需求中也有很重要的作用。就目前而言，我国小型水电站的发展已经有了长足的进步，但是在发展中仍会有一些问题的存在，本文引用A村小型水电站的工程实例来做出了分析。

1 A村水电站的改造现状

A村小型水电站始建于1971年，是一座较为老化的水电站，这座水电站为渠道引水式电站，引渠的长度达13.6公里，这座水电站有3台机组，装机的容量为8.4MW。由于这座水电站始建的年代较为久远，因此在水电站中有不少问题存在，比如渠道和渠系的建筑物由于长年失修，老化破损严重，机电设备陈旧落后、超期服役等情况，这些情况不仅造成电站在运行时的安全可靠程度很低，而且电站的损耗大，发电的效益往往不足，也有不少的安全隐患存在。而A村的这种情况具有代表性，在我国的很多农村地区，像A村这样的小型水电站还有很多。就A村的电站而言，通过复核结果发现，如果机组的负荷为零，即使考虑前池现有底孔退水闸的排泄作用，那么前池的水位仍会超标，其最高水位可以高出堰顶0.85m。再者，由于受壅水的影响，A村水电站的部分渠道不满足壅水高度，也有部分渠系建筑物也不满足壅水的高度，因此急需改造或扩建。而要从更全面的方向上改造A村水电站，那么有必要在改造的基础上再进行扩建，扩建和改造都要对安全和经济同时考虑周全，而考虑这两者所制定的改造措施，以改造溢流堰前池退水闸的改造更能满足安全和经济这两个条件。

2 小型水电站前池退水闸的改造

在A村的水电站中，其前池的位置有溢流堰的设置，溢流堰的堰长达10m，堰高有6.6m，溢流堰的两侧挡墙墙高8m，挡墙的厚度为1.1m，在溢流堰的底部位置有退水闸，退水闸的面积为2.25m2，使用1.5m×1.5m的规格，其方案改造和设计改造如下：

改造的方案分为对启闭式闸门的改造和水力自动翻板闸门的改造。水力自动翻板的闸门改造则是要利用杠杆的力矩平衡原理，运用这种原理在水压力和闸门自重的共同作用下让闸门绕水平铰轴转动，从而避免了专用动力的使用，达到自动启闭的效果，从一定的程度上节约了资源的运用。在水力自动翻板闸门的改造中，要对改造中这种闸门的问题进行合理分析，就水力自动翻板闸门而言，一般存有两类问题，一是运行的稳定性不强，由于闸门的启闭通常是运用闸门受到的水压和闸门自重在门铰处力矩的变化引起，这种情况对需要的条件要求比较高，而且在翻板闸门进行泄水的时候，因其门叶是在流失内的位置，所以门叶很容易出现撞击、振动而导致磨损、破坏的情况出现，故而要对这方面问题进行仔细考虑。第二个问题是水力自动翻板闸门在运行的过程中，由于在这个过程中对水质有较高要求，如果在水流中有过多的杂物，那么出现杂物堵塞的情况会使得铰座周围的闸门启闭受到很多的影响，如果水流的速度过大，那么杂物堵塞可能使闸门的控制失去作用，也可能出现闸门卡死的情况，因此改造方案中，考虑了对杂物处理、保证水质的措施。

图1 现状平面图

图2 现状纵面图

在启闭式闸门的改造中，要在现有的基础上进行考虑。A村的水电站现有的前池退水闸，其是底孔启闭式闸门，（见图1和图2，两图中的阴影部分为需要拆除的部分），在现有的孔底启闭式闸门中的金结埋件已经大部分失去效果，而埋件的维修具有很大的难度，因此以拆除后新建的方式为改造方法，改造主要是把现有的底孔进行有效封堵，然后再新建一个底孔的启闭式闸门，并且在其上部位置建立启备设备，从而满足排泄水量的要求。对于水力自动翻板闸门而言，虽然其具有过流强、水位壅高少、施工方便等优点，但是在A村的水电站中，其引水渠比较长，而引水渠又要穿插在各个村庄中，因此在引水的过程中难免有杂物出现的情况，杂物如果出现堵塞，那么会影响闸门的启闭。而自动翻板闸门对启闭运用水位的要求较高，闸门启闭的过程中，存有潜在危险比较多，因此对于运用启闭式闸门来说，其是解决这些因素的良好措施，因启闭式闸门只需要满足自身的启闭熔容量，并且保证金结构件完好，那么就可以达到自如启闭的效果，所以改造启闭式闸门是小型水电站前池退水闸的有效措施。

3 改造结构设计

3.1 设计思路

3.1.1抗滑稳定和抗倾稳定的计算

改造结构的设计思路首先是结构进行复核，复核的内容主要是结构的稳定性。对于A村的水电站前池退水闸的改造，采取启闭式闸门的方案。由于采取这种方案进行施工，在施工的过程中要对部分混凝土进行凿除，为了考虑到施工的安全以及结构的安全，那么要对凿除混凝土后两侧剩余挡墙的稳定性进行充分考虑，考虑要结合抗滑稳定和抗倾稳定来考虑，并结合两者的计算公式来考虑，抗滑稳定的公式为：

在抗滑稳定的公式中，∑H是作用在挡墙上的水平荷载力之和，单位为kN，∑G是作用在挡墙竖向荷载力之和，f是挡墙基础底面于地基的摩擦系数，[Kc]是允许的抗滑稳定安全系数，而Kc是抗滑稳定安全系数，通过这个公式的建立，可以详细分析出抗滑稳定的安全程度。

对于抗倾稳定的计算而公式为：

在抗倾稳定的计算的公式中，K0是抗倾覆稳定安全系数；∑MV是全部荷载相对挡墙前趾的抗倾覆力矩，单位为kN·m，∑MH是全部荷载相对挡墙前趾的倾覆力矩，而[K0]为允许的抗倾覆稳定安全系数。

通过这两个公式的计算，A村水电站前池退水闸的两侧挡墙在凿除混凝图后，它的抗倾能力达不到规范要求，因此为了充分保证施工的安全，有必要加强支护。

3.1.2 基底应力复核

对基底部的应力复核是为了考虑闸底板是否符合设计的标准，符合标准之后才能够对其投入施工，其基底应力复核的公式为

在这个公式中，Pmax为闸板底最大应力，Pmin为闸板底最小应力，∑G是所有的竖向荷载力的总和，A是基底的面积，∑H为所有的水平荷载力总和，∑M是全部荷载对闸底板垂直水流方向的形心轴的力矩和，W是基底对于该底面垂直水流方向的形心轴的截面矩，W的单位为m3。通过基底应力复核公式的计算，发现闸底板的最大应力和最小应力都满足设计的规范要求，因此可以投入改造施工运用中。

3.2 堰顶宽度及堰顶水深

在A村的退水侧堰的堰顶宽度和堰顶水深可以划分出一个公式来进行计算，这个公式主要是根据退水侧堰的堰顶宽度及其堰顶水深根据分水角为直角时的侧堰进行水力计算，如果最大流量为6.00m3/s时，那么公式为：

在这个公式中，Q为侧堰的流量，单位为m3/s，c为侧堰流量系数，可以取0.95m，m为正堰流量系数，而在本文中，根据工程WES的用堰考虑需要，取m=0.502，b为侧堰的净宽，H为堰上水头，单位为m。然后引入公式计算，如果b=5m时，H=0.7m，加上安全超高等后，确定退水侧眼堰的缺口高度为1.3m

3.2 改造细部处理

对于改造细部处理，其主要是在现有的工程基础上改造，改造的新材料和工程基础上的老材料结合处理是关键措施，对于这两种材料结合的止水改造要严格进行，对于改造使用的新材料，其材料的抗裂程度要高。在设计中为了达到优化的目的，那么在两种材料结合的界面中要使用植筋处理率，对于新材料的混凝凝土浇筑上，不应使用常规的混凝土，应使用有补偿收缩的混凝土来实行浇筑。补偿收缩混凝土和常规的混凝土不同之处在于，补偿收缩混凝土运用的膨胀剂比例不同，膨胀剂的种类不同，这种膨胀剂能够产生较高的膨胀率。并且使用了缓凝高效的减水剂，加入了粉煤灰，运用这两者能够对水凝的用量进行减少，同时也能降低水化热，从而使冷缩知值获得减低。换言之，在这种大体积的混凝土施工中，如果采用补偿收缩混凝土来进行工程上的浇筑，那么其温控指标可以适当放宽，指标适当放宽是指可以不埋设冷却管，也可以不利用冷却砂石来达到降温的效果，避免使用这些对混凝土传统的温控方法，那么也能满足抗渗、防裂的原理。在运用补偿收缩混凝土中，从这种混凝土的抗渗、防裂的原理分析，这种混凝土的收缩裂缝可以被自身适度的膨胀而抵消，从而达到与限制体的紧密结合，而这种混凝土本身的抗裂性也很强，比常规的混凝土抗裂性要强上不少。经运用补偿收缩混凝土施工后，在A村的前池退水闸改造中也简化了不少施工的工艺，而且在整个工程完成以后，前池退水闸的运行良好，从这一点也证明了补偿收缩混凝土的效果良好。

4 结语

综上所述，小型水电站前池退水闸的改造设计，应对水电站的现状进行考证，通过对现状的考证分析出改造的方案。在本文研究的A村小型水电站前池退水闸改造设计中，运用了启闭式闸门改造的方案，作出了改造的设计，并且结合抗倾稳定、抗滑稳定和复核基底应力的公式计算，有效分析了设计的可行性。在施工中结合设计方案在细部改造中，使用了补偿收缩混凝土，通过这种混凝土的使用，提高了工程防渗、抗裂的能力。这多方面技术的结合，其不仅是提高工程质量的良好措施，也是保证施工安全的有力措施。

[1]苑明文，李杨，裴红岩.小型水电站工程改造设计中若干问题的探讨[J].科技咨询导报，2007，30:67.

[2]何泉林.新型抽气装置在新林水电站前池虹吸进口的应用[J].水利水电技术，1987，06:56-58.

[3]陈烨兴.浙江省小型水电站更新改造技术研究 [D].浙江大学,2012.

[4]唐天保.采用虹吸进水方式的电站前池设计经验剖析[J].黑龙江水利科技,2012,07:50-51.