淺談張村小型水電站前池退水閘改造設計

趙寧

（黃河勘測規劃設計有限公司，河南鄭州450003）

1 張村小型水電站改造工程現狀

小水電是促進社會可持續發展的可再生能源，在調節農村能源結構、解決農民生活燃料方面發揮了巨大的作用。目前，我國小水電經過幾十年的運行，需要更新改造、擴容的小水電站約為8000 MW，這些電站普遍技術性能差，存在許多不同程度的技術問題。

張村電站建于上世紀70年代，為渠道引水式電站，引渠長度約13.5 km，3臺機組，裝機容量8.4 MW（1×3.2 MW+1×3.6 MW+1×1.6 MW）。電站出現的問題為：渠道及渠系建筑物年久失修，病壞嚴重，渠道淤積嚴重，機電設備陳舊落后、老化失修、制造廠家繁雜、不同程度的超期服役等。上述問題導致電站運行時安全可靠性低、損耗大、發電效益低下、事故隱患較多，并且，由于上游禹門河、崇陽兩級電站的相繼建成和故縣水庫運行方式的改變，為有效利用洛河水資源、進一步提高電站性能，需對電站從結構和設備上進行必要的改造。在對張村電站進行復核時還發現：當機組全部丟棄負荷時，即使考慮前池現有底孔退水閘的排泄作用，前池中的最高水位仍會高出堰頂0.83 m，受涌水影響,會有相當一部分渠道及渠系建筑物因不滿足涌水高度而需要改造或擴建，且相關的工程量較大。同時考慮安全和經濟兩方面，發現改造溢流堰前池退水閘要比改造渠道及渠系建筑物更可行。

2 張村電站前池退水閘的技術改造

張村電站前池設有溢流堰，堰長10 m，堰高6.6 m，兩側擋墻高8 m，厚1.1 m，堰底設有一座1.5 m×1.5 m的退水閘。盡管前池總體工程量較小，但為了優化設計，對其進行以下方案比選。

2.1 方案比選

2.1.1 水力自動翻板閘門方案

水力自動翻板閘門的工作原理：利用杠桿的力矩平衡原理，在水壓力及閘門自重的共同作用下使閘門繞水平鉸軸轉動，從而達到自動啟閉的目的，無需專用動力資源。優點是過流能力強、水位涌高少、結構簡單、施工方便。存在的問題：首先，運行穩定性差，因其啟閉主要是由閘門所受水壓力和其自重在門鉸處力矩的變化引起的,對啟閉運用條件要求較高，且翻板閘門泄水時門葉處于流水之中,容易發生磨損、撞擊和振動等不良現象；其次，運行時對水質的要求較高，若雜物堵塞在鉸座周圍會嚴重影響閘門的啟閉，而且當來水速度較大時，雜物極易使閘門失控或卡死[1]。

2.1.2 啟閉式閘門方案

現狀退水閘為底孔啟閉式閘門（見圖1，圖中陰影為拆除部分），其金結埋件失效較多，考慮到對埋件進行維修的難度較大，可通過封堵現有底孔，新建一底孔啟閉式閘門及上部啟閉設備以達到排泄水量的目的。

綜合考慮以上兩方案，盡管水力自動翻板閘門有過流能力強、水位涌高少、結構簡單、施工方便等諸多優點，但結合工程實際情況，由于張村電站的引水渠較長，引渠又途經村莊，電站前池肯定會出現一些雜物，這會影響閘門的啟閉；又由于自動翻板閘門對啟閉運用水位的要求較高，閘門啟閉潛在的危險性較大。對啟閉式閘門而言，盡管需要專門配置啟閉設備，不是很經濟，但只要啟閉容量滿足一定要求，金結構件完好，就能完全保證閘門的啟閉。綜合考慮，最終決定采用啟閉式閘門方案。

圖1 底孔啟閉式閘門示意圖Fig.1 Sketch of the hoisting gate at the bottom hole

2.2 結構設計

2.2.1 設計思路

首先，對結構進行穩定復核。采用啟閉式閘門方案改造，施工時要鑿除一部分混凝土，這會影響到現有結構的安全，具體表現為鑿除混凝土后兩側剩余擋墻的穩定性問題，分別對其進行抗滑和抗傾穩定性分析。

抗滑穩定按下式計算：

式中，Kc：抗滑穩定安全系數;

[Kc]：允許的抗滑穩定安全系數;

f：擋墻基礎底面與地基的摩擦系數;

ΣG：作用于擋墻的豎向荷載之和，kN;

ΣH：作用于擋墻的水平荷載之和，kN。

抗傾穩定按下式計算:

式中，K0：抗傾覆穩定安全系數;

[K0]：允許的抗傾覆穩定安全系數;

ΣMV：全部荷載相對擋墻前趾的抗傾覆力矩，kNm;

ΣMH：全部荷載相對擋墻前趾的傾覆力矩，kNm。

計算結果表明，鑿除混凝土后兩側剩余擋墻的抗傾不滿足要求，為了保證施工安全，要求施工過程中必須采取相應的支護措施。

其次，對閘底板進行基底應力復核。改造后，閘底板的受力情況及受力部位發生了改變，為了避免產生不均勻沉降，通過下式對基底應力進行復核：

式中，ΣG：全部豎向荷載之和，kN；

A：基底面面積，m2；

ΣM：全部荷載對閘底板垂直水流方向的形心軸的力矩之和，kNm；

W：基底對于該底面垂直水流方向的形心軸的截面矩，m3；

復核結果表明閘底板最大最小應力比滿足設計要求。

再次，結構設計。對各部分新建結構按照各自的受力情況進行具體的結構設計。

2.2.2 細部處理

技術改造工程是在現有工程的基礎上進行的，新老材料界面間的處理比較關鍵。對于張村電站前池退水閘而言，新老材料間的止水和新材料的抗裂要求也比較高。設計過程中，為達到優化設計的目的，新老材料界面間不但進行了植筋處理，且新澆筑混凝土沒有采用常規的普通混凝土而是用了補償收縮混凝土。補償收縮混凝土是利用膨脹劑產生較高的膨脹率，利用緩凝高效減水劑和粉煤灰降低水泥用量和水化熱，從而減少冷縮值，也就是說在大體積混凝土施工時,采用補償收縮混凝土,可適當放寬溫控指標,可不用冷卻砂石、在混凝土中埋設冷卻管等傳統方法,就可以達到防裂、抗滲的原理[2]。從補償收縮混凝土防裂、抗滲的原理可以看出，其以自身適度的膨脹抵消收縮裂縫，達到與限制體的緊密結合，自身的抗裂性也較普通混凝土大為提高。

在張村電站前池退水閘技術改造當中，補償收縮混凝土充分發揮了自身防裂、抗滲的作用，而且簡化了混凝土的施工工藝。

現該工程已改造完成，運行情況良好，說明補償收縮混凝土的應用是很成功的。

3 有關小水電改造的思考

關于張村電站前池退水閘的改造，從安全和經濟兩方面，對結構設計進行了比較細致全面的考慮，并提出了采用補償收縮混凝土來改善結構的防裂、抗滲性，為以后同類工程提供了借鑒。

結合張村電站前池退水閘的改造，個人認為盡管小水電技術改造工程是基于現有工程進行的局部改造，但不能只是簡單的修修補補、以新換舊，應盡力做到設計、施工及設備等方面的再次創新。■

[1]吳衛峰，李靖誼.液控翻板閘門的設計與應用[J].中國水利,2009(20),54.

[2]李長河，安喜民.補償收縮混凝土的優越性及其在市政工程中應用[J].黑龍江科技信息，2008(11),181.