某水电站排冰泄洪闸闸室结构研究

刘文胜

(水电水利规划设计总院，北京 100120)

1 工程概况

某水电站位于白俄罗斯境内西德维纳河上，电站总装机容量40 MW，多年平均年发电量1.5亿kW·h，枢纽布置从左至右分别为左岸土坝、船闸、连接土坝、排冰泄洪闸、厂房、右岸土坝。排冰泄洪闸布置在主河床靠左侧，从上游往下游依次由铺盖、闸室段、消力池、护坦、海漫、防冲槽等组成。

电站位于寒冷地区，年平均气温5.1 ℃，其中11月至次年3月月平均气温均低于0 ℃，积雪一般形成于每年12月，一直持续到次年3月。电站的主汛期为春汛洪水，春汛多发生在冰雪融化的3月～4月，2 000年一遇校核洪水洪峰流量为3 340 m3/s。另外，西德维纳河发源于俄罗斯的小德维纳湖，属于严寒地区。每年春天来临，气候变暖，冰雪融化，上游湖泊和河道中化解的冰块随着融化的雪水洪流漂流而下，这要求泄水建筑物在泄洪的同时还需快速排泄漂浮的冰块，使其不在水库坝前簇拥聚集。为此，在设计阶段，针对排冰泄洪闸开展了一系列研究工作，使其满足泄洪的同时还能在小流量工况下顺利排冰。排冰泄洪闸的设计从上游破冰开始，到闸室体形结构，以及接下来的消能防冲布置均需进行相应的考虑，而其中闸室结构又是实现排冰泄洪的核心。本文从排冰泄洪闸方案选择、水工模型试验模拟排冰研究，闸室细部结构研究等方面对排冰泄洪闸闸室进行介绍，以期为类似工程提供参考和借鉴。

2 排冰泄洪闸方案比选

经分析研究，泄洪闸既能满足各工况泄洪要求又能在小流量下进行排冰的解决方案主要有两种，即堰孔双层排冰泄洪闸或大孔口舌瓣门排冰泄洪闸[1]。某水电站在可行性研究阶段对这2种方案进行了比较研究。

2.1 堰孔双层排冰泄洪闸

堰孔双层排冰泄洪闸与普通泄洪闸的区别主要是在闸室中设置横梁，将闸室分为2层。闸室上层为表孔，这时横梁为表孔闸门的底坎；闸室下层为底孔，这时横梁为底孔的门楣。堰孔双层闸纵剖面见图1。可研阶段闸室的尺寸拟定为表孔12 m×6.2 m(宽×高)，底孔12 m×3.2 m(宽×高)，均设置6孔，表孔堰顶高程132.8 m，底孔进口高程126.0 m。

图1 堰孔双层泄洪闸纵剖面(单位：尺寸cm；高程m)

堰孔双层闸解决泄洪和排冰的主要思路为在小流量情况下仅开启部分表孔闸门，此时可排冰或排泄漂浮物，随着来流量的变化依次开启其他闸门满足不同工况下泄洪排冰的要求。

堰孔双层闸泄流能力计算不同于普通的泄洪闸，经研究可采用循环试算法[2]。

(1)在假定的下游水位条件下进行初步试算。表孔泄流量采用开敞式溢洪道泄流能力公式计算[3]，即

(1)

式中，Q为表孔流量，m3/s；σs为堰流淹没系数；σc为侧收缩系数；m为堰流流量系数；n为闸孔宽度，m；g为重力加速度，m/s2；H0为计入行程流速的堰上水头，m。

底孔泄流量按孔流公式计算[3]，即

(2)

式中，Q′为底孔流量，m3/s；σ′s为淹没系数；μ为流量系数；e为孔口高度，m；a为闸孔个数；b为单孔闸宽度，m；ε为收缩系数；g为重力加速度，m/s2；H0为计入行程流速的堰上水头，m。

(2)根据初步计算得出的流量和下游河道的水位流量关系曲线确定新的下游水位并再次按上述公式进行计算。

(3)循环第2步的动作直到得出的流量和下游水位符合水位流量关系曲线的关系。

堰孔双层闸泄流能力计算较为繁琐，实际运行后调度运行也较为复杂。经计算，堰孔双层泄洪闸总泄量可以满足泄流能力要求。同时，单个表孔宽高仅为12 m×6.2 m，可以满足来流量较小情况下的排冰要求。

2.2 大孔口舌瓣门泄洪闸

大孔口舌瓣门排冰泄洪闸与普通泄洪闸的区别在于弧形工作闸门上带一个舌瓣门[4]，舌瓣门排冰泄洪闸闸室纵剖面示意见图2。大孔口舌瓣门方案孔口尺寸为20 m×9 m(宽×高)，设置3孔，堰型为WES实用堰，堰顶高程130 m。舌瓣门布置在弧形工作闸门上部中间位置，尺寸为11 m×2.5 m(宽×高)，底部设有可转动的支铰与弧形工作闸门铰接，舌瓣门的侧边和底边与弧形闸门止水配合，舌瓣门的背面与液压启闭机吊耳铰接，液压启闭机构设置在弧形闸门结构部件上，通过液压启闭机操作绕支铰转动来实现舌瓣门的开启和关闭，以满足小流量泄洪、排冰、排漂等要求。

图2 大孔口带舌瓣门泄洪闸纵剖面示意(单位：尺寸cm；高程m)

2.3 方案比较

堰孔双层排冰泄洪闸是一个表层排冰过漂浮物，底部过泥沙的布置方案，目前国内应用案例较少。经收集资料发现，国内的甘肃省迭部县白龙江干流尼傲加尕水电站泄洪闸进行了应用[5]。根据有关文献，堰孔双层泄流在孔口进口门槽会出现涡带现象[6]，且没有很好的解决措施[7]。在运行过程中，表孔开启运行后，尤其是表孔有浮冰漂流通过时，再通过门式启闭机抓取开启底孔闸门时存在一定的干扰和困难[8]，这也是制约堰孔双层闸布置的原因。

大孔口舌瓣门排冰泄洪闸打破常规，通过设置较宽的孔口和应用比较成熟的舌瓣门技术很好地实现了小流量排较大冰块的功能[9]。若通过开启弧形工作闸门排冰，则下泄水量较大，电量损失也较大；若弧形闸门局部开启，冰块又不能从弧门底部排走，而舌瓣门的启闭可以降低弧形闸门小开度开启频率，可避免闸门因局部开启可能带来的门叶振动、门底水封损坏等问题。

综上，大孔口舌瓣门泄洪闸与堰孔双层排冰泄洪闸比较，具有闸门开启更加灵活、可以在更小的流量下排冰排漂，且不会带来涡带现象，不会出现闸门开启相互干扰等优点。虽然较大的孔口尺寸会要求更高的基础承载力[2]、更复杂的门机大梁、更高的配筋率等方面的问题，但在现有的技术条件下均可解决，故某排冰泄洪闸最终推荐采用大孔口舌瓣门方案。

表1 排冰试验工况下各水位流量参数

图3 正常蓄水位139.0 m中孔舌瓣门的过冰过程流态(Q=62.5+495 m3/s)

3 水工模型试验研究

为了进一步研究大孔口舌瓣门排冰泄洪闸的排冰性能，在设计阶段的水工模型试验中对排冰情况和运行方式进行了专题研究[10]。排冰试验选取上游水位为正常蓄水位139.0 m，研究舌瓣门一孔开启、两孔开启和三孔开启情况下的过冰情况，各试验工况下的水位流量参数见表1。

排冰试验模拟的冰块为正方形，边长分别为1、2 m和7 m，过冰流态见图3。从图3可以看出，当过舌瓣门冰块尺寸小于2 m，三孔舌瓣门打开，下游水深2.477 m时，冰块轻微撞击堰面。通过进一步观察，当过舌瓣门冰块尺寸为1 m，下游水深达到约4 m时，冰块不会直接撞击堰面，此时下游水位约为131.936 m，下泄流量约为1 080 m3/s。当过舌瓣门冰块尺寸为2 m，下游水深约4.564 m时，冰块不会直接撞击堰面，此时下游水位为132.5 m，下泄流量约为1 270 m3/s。当过舌瓣门冰块尺寸为7 m，下游水深4.564 m时，冰块会直接撞击堰面。试验同时还观察到，冰块在水舌落点附近由于水流的旋滚做往复运动，冰块对堰面和闸墩有轻微的撞击。通过试验可以得出，下游消力池水面越高，冰块对堰面和闸墩的作用就越小；过舌瓣门的冰块尺寸越小，对堰面和闸墩的作用就越小。

根据电站的运行方式，当来流量大于1 270 m3/s时，机组停止发电，没有必要非通过舌瓣门排冰，且大冰块通过舌瓣门下落会撞击堰面，这时泄洪闸三孔全开敞泄可以降低库水位，减小上下游的水位差，大冰块过堰时不会撞击堰面，因此试验建议当来流量大于1 270 m3/s时，采取泄洪闸三孔全开敞泄的这种方式排冰，这种运行方式和洪水期电站的运行方式是完全一致的。

小冰块排冰时，下游水位不宜小于131.936 m，因此试验建议，当下泄流量达到1 080 m3/s时，可以通过舌瓣门排小于1 m的小冰块；当下泄流量达到1 270 m3/s时，可以通过舌瓣门排小于2 m的小冰块；当来流量大于1 270 m3/s时，可以采取泄洪闸3孔全开敞泄的方式排冰。当流量较小，而冰块较大时需采取一定的措施破碎冰块以减小冰块对下游结构的影响。

4 闸室细部结构研究

为了减轻冰块对泄洪闸的影响，闸室的细部结构方面也做了相应的研究。闸室的细部结构又包含金属结构和混凝土结构两个方面。金属结构方面主要在金属闸门结构体系、加热防冻系统、防静冰压力系统等方面采取了对应措施；混凝土结构方面主要在混凝土强度等级和抗冻标号、钢筋保护层厚度和闸墩墩头结构设计方面采取了相关措施。本文仅对混凝土结构方面进行重点论述。

4.1 混凝土强度等级和抗冻标号

电站的地理位置为北纬55°15′4.20″，东经30°9′37.81″，比我国北极村还靠北，属于高纬度地区。工程区多年平均气温为5.1 ℃，1月份最冷，平均气温-7.9 ℃，历史极端最低气温-41 ℃。根据《水工建筑物抗冰冻设计规范》电站所属区域为寒冷地区。

考虑到电站为寒冷地区且闸室有过冰的要求，经分析研究，闸室结构混凝土强度等级在C25的基础上进行了提高，堰体表面1 m和闸墩混凝土强度等级提高到C35混凝土；同时考虑到构件的年冻融循环次数基本小于100次，混凝土的抗冻等级确定为F200。

4.2 混凝土保护层厚度研究

泄洪闸所处的工作环境为露天环境，其中部分部位还处于水位变动区，按照《水工混凝土结构设计规范》，其对应的工作环境类别为二类或三类，为施工便捷需要，统一考虑为三类环境。根据DT/T 5057—2009《混凝土结构规范》第12.2.2条，纵向受力钢筋的混凝土最小保护层厚度，根据构件类别“板、墙”、“梁、柱、墩”和“截面厚度不小于2.5 m的底板及墩墙”等三类环境分别对应30、45 mm和50 mm，为简便计，统一考虑为50 mm。

根据《水工建筑物抗冰冻设计规范》“溢流面、底孔、尾水闸墩、尾水墙和大型水闸的墙、墩等受冻严重且有抗冲耐磨要求的部位，以及有抗冻要求的梁、板、柱、墙、墩的钢筋净保护层，其厚度宜适当增加”的要求，同时考虑到冰块对闸室结构有轻微撞击和磨损并结合国内水电工程经验通行的大体积混凝土的保护层厚度，根据计算与论证，创新性将其保护层厚度增加至150 mm。

4.3 墩头结构设计

由于排冰泄洪闸孔口尺寸较大，其相应的闸墩设置厚度达6 m。在初步设计阶段，考虑到闸前流速并不大，闸墩墩头体形采用“方头圆角”方案。墩头迎水面为平面，以半径为1 m的90°角圆弧过渡至侧向流面。施工详图阶段，考虑到闸墩迎水面比较宽，当上游漂流下来的浮冰体型比较大时，可能被挡在闸墩前面不能顺着闸孔飘走。逐修改墩头的体型至“圆尖头”形状，由2个半径6 m的圆弧交合构成墩头形状。此墩头还具有一定的破冰功能，当上游来的冰块以一定的速度和墩头接触时，可被劈开顺利流向下游。为了保护墩头不被破坏，设计对墩头用角钢和钢板进行保护，泄洪闸方形墩头和尖型墩头示意及墩头保护大样见图4、5。

图4 泄洪闸方形墩头和尖型墩头示意(单位：cm)

图5 墩头保护大样

目前钢板保护的尖型墩头结构已运行几年，运行状况良好，无破损的迹象，且起到一定的破冰效果。

5 结 语

某泄洪闸位于寒冷地区，在春汛季节需考虑小流量排冰措施。经对堰孔双层和大孔口舌瓣门两种方案进行对比分析，推荐采用大孔口舌瓣门排冰泄洪闸方案。为了进一步研究大孔口舌瓣门排冰泄洪闸的排冰性能，通过水工模型试验对排冰情况和运行方式进行了专题研究。试验证明大孔口舌瓣门过冰块情况良好，试验结果也要求当来流量较小时，上游需采取一定的措施破碎冰块以减少冰块对下游结构的影响。为了适应泄洪闸过冰的能力，设计同时还在混凝土强度等级、混凝土保护层厚度和闸室墩头等细部结构方面进行了分析研究并采取了相应的措施。

某排冰泄洪闸于2017年投入运行，至今已历经5个冬季，目前运行情况良好，其相关设计指标已成为西德维纳河后续梯级电站排冰泄洪闸所遵循的技术要求。某排冰泄洪闸的体形不仅可以应用于东欧平原、西伯利亚以及我国北方等其他高寒、寒冷或严寒地区水电站工程，也可以为其他类似工程抗冰冻设计提供借鉴。