郭蓉

(常德市武陵區(qū)水利局 湖南常德 415000)

小型水電站在農(nóng)村中有很重要的作用，其不僅能夠有效調(diào)節(jié)農(nóng)村的能源結(jié)構(gòu)，而且對(duì)農(nóng)民的生活燃料需求中也有很重要的作用。就目前而言，我國(guó)小型水電站的發(fā)展已經(jīng)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是在發(fā)展中仍會(huì)有一些問(wèn)題的存在，本文引用A村小型水電站的工程實(shí)例來(lái)做出了分析。

1 A村水電站的改造現(xiàn)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(zhǎng)度達(dá)13.6公里，這座水電站有3臺(tái)機(jī)組，裝機(jī)的容量為8.4MW。由于這座水電站始建的年代較為久遠(yuǎn)，因此在水電站中有不少問(wèn)題存在，比如渠道和渠系的建筑物由于長(zhǎng)年失修，老化破損嚴(yán)重，機(jī)電設(shè)備陳舊落后、超期服役等情況，這些情況不僅造成電站在運(yùn)行時(shí)的安全可靠程度很低，而且電站的損耗大，發(fā)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(guó)的很多農(nóng)村地區(qū)，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(guò)復(fù)核結(jié)果發(fā)現(xiàn)，如果機(jī)組的負(fù)荷為零，即使考慮前池現(xiàn)有底孔退水閘的排泄作用，那么前池的水位仍會(huì)超標(biāo)，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(mǎn)足壅水高度，也有部分渠系建筑物也不滿(mǎn)足壅水的高度，因此急需改造或擴(kuò)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(chǔ)上再進(jìn)行擴(kuò)建，擴(kuò)建和改造都要對(duì)安全和經(jīng)濟(jì)同時(shí)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(mǎn)足安全和經(jīng)濟(jì)這兩個(gè)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(shè)置，溢流堰的堰長(zhǎng)達(dá)10m，堰高有6.6m，溢流堰的兩側(cè)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(guī)格，其方案改造和設(shè)計(jì)改造如下：

改造的方案分為對(duì)啟閉式閘門(mén)的改造和水力自動(dòng)翻板閘門(mén)的改造。水力自動(dòng)翻板的閘門(mén)改造則是要利用杠桿的力矩平衡原理，運(yùn)用這種原理在水壓力和閘門(mén)自重的共同作用下讓閘門(mén)繞水平鉸軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而避免了專(zhuān)用動(dòng)力的使用，達(dá)到自動(dòng)啟閉的效果，從一定的程度上節(jié)約了資源的運(yùn)用。在水力自動(dòng)翻板閘門(mén)的改造中，要對(duì)改造中這種閘門(mén)的問(wèn)題進(jìn)行合理分析，就水力自動(dòng)翻板閘門(mén)而言，一般存有兩類(lèi)問(wèn)題，一是運(yùn)行的穩(wěn)定性不強(qiáng)，由于閘門(mén)的啟閉通常是運(yùn)用閘門(mén)受到的水壓和閘門(mén)自重在門(mén)鉸處力矩的變化引起，這種情況對(duì)需要的條件要求比較高，而且在翻板閘門(mén)進(jìn)行泄水的時(shí)候，因其門(mén)葉是在流失內(nèi)的位置，所以門(mén)葉很容易出現(xiàn)撞擊、振動(dòng)而導(dǎo)致磨損、破壞的情況出現(xiàn)，故而要對(duì)這方面問(wèn)題進(jìn)行仔細(xì)考慮。第二個(gè)問(wèn)題是水力自動(dòng)翻板閘門(mén)在運(yùn)行的過(guò)程中，由于在這個(gè)過(guò)程中對(duì)水質(zhì)有較高要求，如果在水流中有過(guò)多的雜物，那么出現(xiàn)雜物堵塞的情況會(huì)使得鉸座周?chē)拈l門(mén)啟閉受到很多的影響，如果水流的速度過(guò)大，那么雜物堵塞可能使閘門(mén)的控制失去作用，也可能出現(xiàn)閘門(mén)卡死的情況，因此改造方案中，考慮了對(duì)雜物處理、保證水質(zhì)的措施。

圖1 現(xiàn)狀平面圖

圖2 現(xiàn)狀縱面圖

在啟閉式閘門(mén)的改造中，要在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進(jìn)行考慮。A村的水電站現(xiàn)有的前池退水閘，其是底孔啟閉式閘門(mén)，（見(jiàn)圖1和圖2，兩圖中的陰影部分為需要拆除的部分），在現(xiàn)有的孔底啟閉式閘門(mén)中的金結(jié)埋件已經(jīng)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(xiàn)有的底孔進(jìn)行有效封堵，然后再新建一個(gè)底孔的啟閉式閘門(mén)，并且在其上部位置建立啟備設(shè)備，從而滿(mǎn)足排泄水量的要求。對(duì)于水力自動(dòng)翻板閘門(mén)而言，雖然其具有過(guò)流強(qiáng)、水位壅高少、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，但是在A村的水電站中，其引水渠比較長(zhǎng)，而引水渠又要穿插在各個(gè)村莊中，因此在引水的過(guò)程中難免有雜物出現(xiàn)的情況，雜物如果出現(xiàn)堵塞，那么會(huì)影響閘門(mén)的啟閉。而自動(dòng)翻板閘門(mén)對(duì)啟閉運(yùn)用水位的要求較高，閘門(mén)啟閉的過(guò)程中，存有潛在危險(xiǎn)比較多，因此對(duì)于運(yùn)用啟閉式閘門(mén)來(lái)說(shuō)，其是解決這些因素的良好措施，因啟閉式閘門(mén)只需要滿(mǎn)足自身的啟閉熔容量，并且保證金結(jié)構(gòu)件完好，那么就可以達(dá)到自如啟閉的效果，所以改造啟閉式閘門(mén)是小型水電站前池退水閘的有效措施。

3 改造結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思路

3.1.1抗滑穩(wěn)定和抗傾穩(wěn)定的計(jì)算

改造結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路首先是結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)核，復(fù)核的內(nèi)容主要是結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。對(duì)于A村的水電站前池退水閘的改造，采取啟閉式閘門(mén)的方案。由于采取這種方案進(jìn)行施工，在施工的過(guò)程中要對(duì)部分混凝土進(jìn)行鑿除，為了考慮到施工的安全以及結(jié)構(gòu)的安全，那么要對(duì)鑿除混凝土后兩側(cè)剩余擋墻的穩(wěn)定性進(jìn)行充分考慮，考慮要結(jié)合抗滑穩(wěn)定和抗傾穩(wěn)定來(lái)考慮，并結(jié)合兩者的計(jì)算公式來(lái)考慮，抗滑穩(wěn)定的公式為：

在抗滑穩(wěn)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(chǔ)底面于地基的摩擦系數(shù)，[Kc]是允許的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，而Kc是抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，通過(guò)這個(gè)公式的建立，可以詳細(xì)分析出抗滑穩(wěn)定的安全程度。

對(duì)于抗傾穩(wěn)定的計(jì)算而公式為：

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

通過(guò)這兩個(gè)公式的計(jì)算，A村水電站前池退水閘的兩側(cè)擋墻在鑿除混凝圖后，它的抗傾能力達(dá)不到規(guī)范要求，因此為了充分保證施工的安全，有必要加強(qiáng)支護(hù)。

3.1.2 基底應(yīng)力復(fù)核

對(duì)基底部的應(yīng)力復(fù)核是為了考慮閘底板是否符合設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，符合標(biāo)準(zhǔn)之后才能夠?qū)ζ渫度胧┕?，其基底?yīng)力復(fù)核的公式為

在這個(gè)公式中，Pmax為閘板底最大應(yīng)力，Pmin為閘板底最小應(yīng)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(duì)閘底板垂直水流方向的形心軸的力矩和，W是基底對(duì)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(guò)基底應(yīng)力復(fù)核公式的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)閘底板的最大應(yīng)力和最小應(yīng)力都滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的規(guī)范要求，因此可以投入改造施工運(yùn)用中。

3.2 堰頂寬度及堰頂水深

在A村的退水側(cè)堰的堰頂寬度和堰頂水深可以劃分出一個(gè)公式來(lái)進(jìn)行計(jì)算，這個(gè)公式主要是根據(jù)退水側(cè)堰的堰頂寬度及其堰頂水深根據(jù)分水角為直角時(shí)的側(cè)堰進(jìn)行水力計(jì)算，如果最大流量為6.00m3/s時(shí)，那么公式為：

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

3.2 改造細(xì)部處理

對(duì)于改造細(xì)部處理，其主要是在現(xiàn)有的工程基礎(chǔ)上改造，改造的新材料和工程基礎(chǔ)上的老材料結(jié)合處理是關(guān)鍵措施，對(duì)于這兩種材料結(jié)合的止水改造要嚴(yán)格進(jìn)行，對(duì)于改造使用的新材料，其材料的抗裂程度要高。在設(shè)計(jì)中為了達(dá)到優(yōu)化的目的，那么在兩種材料結(jié)合的界面中要使用植筋處理率，對(duì)于新材料的混凝凝土澆筑上，不應(yīng)使用常規(guī)的混凝土，應(yīng)使用有補(bǔ)償收縮的混凝土來(lái)實(shí)行澆筑。補(bǔ)償收縮混凝土和常規(guī)的混凝土不同之處在于，補(bǔ)償收縮混凝土運(yùn)用的膨脹劑比例不同，膨脹劑的種類(lèi)不同，這種膨脹劑能夠產(chǎn)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(yùn)用這兩者能夠?qū)λ挠昧窟M(jìn)行減少，同時(shí)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(bǔ)償收縮混凝土來(lái)進(jìn)行工程上的澆筑，那么其溫控指標(biāo)可以適當(dāng)放寬，指標(biāo)適當(dāng)放寬是指可以不埋設(shè)冷卻管，也可以不利用冷卻砂石來(lái)達(dá)到降溫的效果，避免使用這些對(duì)混凝土傳統(tǒng)的溫控方法，那么也能滿(mǎn)足抗?jié)B、防裂的原理。在運(yùn)用補(bǔ)償收縮混凝土中，從這種混凝土的抗?jié)B、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(dá)到與限制體的緊密結(jié)合，而這種混凝土本身的抗裂性也很強(qiáng)，比常規(guī)的混凝土抗裂性要強(qiáng)上不少。經(jīng)運(yùn)用補(bǔ)償收縮混凝土施工后，在A村的前池退水閘改造中也簡(jiǎn)化了不少施工的工藝，而且在整個(gè)工程完成以后，前池退水閘的運(yùn)行良好，從這一點(diǎn)也證明了補(bǔ)償收縮混凝土的效果良好。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，小型水電站前池退水閘的改造設(shè)計(jì)，應(yīng)對(duì)水電站的現(xiàn)狀進(jìn)行考證，通過(guò)對(duì)現(xiàn)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(shè)計(jì)中，運(yùn)用了啟閉式閘門(mén)改造的方案，作出了改造的設(shè)計(jì)，并且結(jié)合抗傾穩(wěn)定、抗滑穩(wěn)定和復(fù)核基底應(yīng)力的公式計(jì)算，有效分析了設(shè)計(jì)的可行性。在施工中結(jié)合設(shè)計(jì)方案在細(xì)部改造中，使用了補(bǔ)償收縮混凝土，通過(guò)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(shù)的結(jié)合，其不僅是提高工程質(zhì)量的良好措施，也是保證施工安全的有力措施。

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