HYDROPLUS的设计

2004年8月水利水电快报EWRHI第25卷第16期水工建筑物文章编号:1006-0081( 2004 )16-0016-04HYDROPLUS的设计.摘要:Hydroplus是-种自溃闸门系统。它由-组安置在溢洪道底槛上的独立单元构成当发生规定量级的洪水时这些单元开始按预定的顺序倾覆而不致使大坝遭受漫顶的危险。重现期主要根据预测的溃坝后果设定。关键词:自溃闸门系统结构设计经济效益可靠性，安全分析中图分类号:TV651. 15文献标识码A在进行大坝溢洪道设计时必须对以下方案进行受阻碍地自由泄洪。比较后作出选择:(1)自流式溢洪道的优点是运行绝对可靠缺设计说明点是相对于坝高的有效库容的损失可达到满库容的HYDROPLUS设计基于如下过程:1/3.(2 )闸控溢洪道的优点是大坝运行可达到满库(1 )独立式单元并排布置在溢洪道底槛上形成一道不透水挡水屏障;容只有在打开闸门时才泄洪缺点是闸门由于机械(2)每个单元靠在下游边缘的小支座上。每个故障、失去电源或误操作经常发生事故。如果在洪水期间不能开启任何闸门则大坝安单元配有配重,以抵抗静水压力;全将受到威胁(闸控大坝失事的30%是由于闸门打(3)设置排水孔以排走沿底面的任何渗水;(4)当上游水位达到高于每个单元顶部的特定不开)此外如果在正常运行期间,任何闸门误开,下水位时进水口竖管允许水进入底面。泄的人为洪水可能危及下游居民的生命和财产。这些单元一起形成了HYDROPLUS自溃闸门。当库水位高于进水竖管上口边缘时,水就通过对此问题已进行了以下研究:( 1 )试图使闸门的运行更可靠,但是尽管制造竖管进入底板下面。当排水孔不能排走全部渗流厂家精心设计制造闸门事故的风险仍不能完全排时在自溃闸门下面的压力开始，上升最后使其脱离底槛倾覆水流速度超过3 m/s时将其冲向下游。除且往往被低估;(2 )创造新的控制系统,如挡水闸板、自溃式自溃闸门的进水竖管上缘可设置在不同高度。堤、充气堰等;但是尽管试验了几十年，没有哪种方这是当上游水位继续.上升时控制闸i门]倾覆次序的一种精确方法。案完全令人满意。Hydroplus系统试图结合闸控和自流式溢洪道因此HYDROPLUS设计可保证:( 1 )小洪水和中等洪水能翻过挡水闸板下泄;的优点而避开其缺点来解决这个难题。Hydroplus是一种自溃闸门系统。 它由一组安(2)大洪水能按逐渐脱离溢洪道底槛倾倒的挡置在溢洪道底槛上的独立单元构成,当 发生规定量水单元所需的个数通过不断增大开口下泄。中国煤化工级的洪水时这些单元开始按预定的顺序倾覆这仅FYHCNMHG]倾覆的洪水重现期足仅是.上游水位增加的结果,以致于最终整个底槛不够长(20~200a，或者如业主要求的话还可更长),收稿日期2004-05-08.HYDROPLUS的设计以致该系统在足够长时期内正常运行所得到的效益宫形堰顶,可降低堰顶水头下泄中等洪水。已开发大大超过因失去第-个闸门门单元带来的不便和相应的迷宫堰的长度约为混凝土底槛长度的3倍。的水损失;水斗高度通常为1~6.5m ,视要求而定。通(2)如果发生设计洪水(或安全评估流量),所常水斗高度相当于在没有自溃闸i门时底槛以上最有的单元能足够早地倾覆,以防止库水位超过最高大洪水水深的40% ~ 80%。水位;已有2个标准的宽/高比。(3)对于处于两种极端情况之间的洪水,这些迷宫形自溃闸门由钢或混凝土制成或者钢制挡水单元按设计的顺序依次倾覆,以防下泄流量突水斗和混凝土压力室相结合而成。进水井总是用钢然增加。制成。所有钢制部件均经过抗腐蚀保护处理。由于其固有的灵活性，这种设计可应用于许多重型自溃闸[门和安装在交通不便的坝址的自溃现有的大坝:闸门可预制成水斗和进水井部件,在溢洪道底槛.上(1)利用自由式溢洪道能回收年溢洪量的直接组装。80%利用这种方式增加大坝的有效库容,而不会提2.1.2 直线堰顶自溃闸门TM高最高水位;有3种直线堰顶自溃闸门:(2)在安装HYDROPLUS自溃闸门之前降低设计这些单元旨在承受自溃闸门堰顶上的高水溢洪道堰顶高程以提高溢洪道安全度而不牺牲库头。对于这样高的水头,迷宫堰顶的效率下降,因容。将这两种效益相结合并改善防洪大坝的性能是此简单的直线堰顶更实用。直线堰顶自溃闸门可可能的其办法是大大降低经常性洪水期间的溢洪做成合适的形状以得到最佳流量系数通常由在现量同时增加溢洪道容量(在某些情况下增加50%场浇筑的实体混凝土构成。它们可以造得很大(20m宽)当溢流水头高达堰体高度的4倍时仍能~ 100% ) ,有时还增加了库容。这种设计可应用于所有新建的大坝无论大小,保持稳定。进水井用混凝土或钢制成。通过降低施工投资和增加运行安全性来优化设计。2.1.3过冰( 严寒环境)自溃闸门TM尤其是HYDROPLUS系统能用来减小溢洪道底槛设计这些自溃闸门是为了适应严寒的气候条.长度和坝高。件;闸门上游面的形状特殊表面特别光滑,以减少HYDROPLUS设计得到的实用自溃式闸门系过冰时的摩阻力和对闸门的磨损。这些高稳定性的统具有许多益处:自溃闸门]用钢或混凝土制成。(1)通用性;2.1.4 紧急自溃闸门TM(2)安装费用经济速度高;设计紧急自溃闸门是为了在漫顶前或就在刚刚(3)检查和维护工作量最小;漫顶时使其倾覆。这种闸门用作极大洪水事件或闸(4)安全可靠性。门故障时常规闸[门的后备。也可将其用于将大洪水分洪至沿河的分洪区,以保护其河岸。闸门高度为2 HYDROPLUS@系 统的通用性1~10m通常包括2个矩形的钢制或预制的挡水自溃闸门并排布置相互之间有止水缝。每扇板。自溃闸门由3部分构成挡水结构、底面上的压力室2.2进水井和进水竖管进水井)这些部件的每一件均可做成不同的体形以满足特殊要求。钢制进水井通常与水斗或直线形堰顶结构结合成-体。其顶部扩大成喇叭状用钢筋支撑一个抬2.1挡水结构 .升式盖。它的位置有助于向水舌掺气,这对高泄水挡水结构可有不同形状的溢洪堰顶。水位中国煤化工2.1.1 迷宫堰顶式自溃闸门TM“YHC N M H G很高的自溃闸门,可将采用水斗形状,以形成-一个迷宫形堰顶使其溢进水井与通气孔相结合,以控制水舌振动。流水舌可达到自溃闸门]高度的30% ~ 50%。自溃闸门上的进水井形状和位置及其进水喇叭水斗开口朝向上游。多个水斗排列形成-个迷口的设计要获得最优的水流条件。17●2004年8月水利水电快报EWRHI第25卷第16期(3 )自溃闸门的倾倒冲失不会对工程经济产生2.3压力室和底槛负面影响。( 1 )钢或混凝土压力室位于一个平坦而光滑的若按倾覆重现期内很长的时段分期偿还其更.混凝土底槛上。与底槛结合成-整体的混凝土或钢换费用通常不大。已倾覆的自溃闸门被水流冲到下支座凸缘将自溃闸门的静水推力传递到溢洪道。压游,它们被认为是- -次性耗用材料。力室的.上游缘有-条止水，以防止水库的水进入在业主要决定引起自溃闸i]倾覆的洪水重现期,压力室的其余部分与溢洪道底槛之间设有适当的接以优化工程成本实效( 20 a、200 a或500a一遇洪触界面。水决定于工程和地区)如果选择短重现期,也许(2)在特殊情况下,如果因技术问题难以降低在一个世纪内,很少有自溃闸门倾覆。因为显然洪底槛高度时,可将压力室做成适当的形状以便与标水可能频繁发生但水库部分腾空,因此洪水可拦蓄准反弧形堰顶剖面相匹配。但是如可行的话稍许在水库中。降低底槛,可更简单地得到类似的水力性能。在自溃闸门用于增加溢洪道的溢洪能力的特殊(3)另一方面,也可将各自溃闸门进水井一起情况下重现期经常超过100 ao布置在竖井中并设在溢洪道导流墙中而不是安装因此,该系统的总体寿命通常比对意外损失或在各个自溃闸门上。在这种情况下埋设在底槛中老化更敏感的其他系统的寿命长得多。的管道将水从进水井弓|到底部压力室。这种解决办最好是缩短第1个倾覆重现期,以使水库库容法使自溃闸门]的溢流堰顶不受阻碍,并使触发水位的增加最大。在这种情况下建议在坝址现场准备控制更加精确在某些情况下还使其可调整触发水1~2个备用自溃闸门作为洪水消退后马上更换之位。用。在某些情况下，让底槛设置在2个不同的高程(4)一个自溃闸门]的倾斜可通过埋在混凝土底处并使自溃闸门有适当的高度高度较小的闸门先槛中的管道允许水进入第2个压力室,从而激发相旋转这样可使水量损失最少。邻的自溃闸门。(5)底槛可做成阶梯形第1批倾覆的自溃闸4检 查和维修门设置在高程最高处。如果业主已决定采用较短的闸门倾覆重现期则这种布置可限制水量损失。与其他溢洪道控制系统不同,在大洪水期间操(6)自溃闸门在稍作修改之后可以成圆形布置作时不需要电力或机械动力。因此检查和维护工作量最少。在喇叭形溢洪道上。对每个工程为了使工地的特定要求具体化通2.4配重过与业主协商制订出检查指南。检查很简单无需自溃闸门的整体稳定性是在设计中考虑其形状专门培训是作为大坝通常例行检查的组成部分。和建筑材料而确定的。唯一要求的例行责任是:配重是额外加重的材料,用于精确控制各扇自( 1 )定期检查确认排水孔和进水井不堵塞;溃闸门倾覆所需的压力。其主要目的是控制自溃闸(2)在10a大坝检查期间检查压力室的情况门倾覆的次序。(必要时抬高自溃闸门的前部)配重可采用混凝土、钢或铸铁块。必要时要作下列工作:( 1 )维护钢部件控制锈蚀;3系 统的经济性(2)更换橡胶止水。该系统的通用性使其能根据业主的要求,以最5可 靠性和安全性低廉的费用适用于每种情况。(1 )底槛制作简单在大多数情况下，设一个平中国煤化工大的安全余量,但是,坦的水平表面用于安置自溃闸门;设i.MYHC N M H G况下决不会使大坝下游(2)自溃闸门安装快速，安装高度为3 m的自的生命和财产受到危害。因此要对每个单独的工溃闸门只需几天，安装高度为6. 5 m的只需几个星.程分析危险情况的影响。期;尤其是以下2个安全水位影响着自溃闸门的设.8.HYDROPLUS的设计计:室的试验,审查了冲击、波浪和飘浮物的影响结果( 1 )极限稳定水位超过该水位时,自溃闸门仅表明这些因素对系统的影响非常少。在静水压力的作用下,无需扬压力参与即可倾覆。设计人员保证即使这样的事件就在自溃闸门旋计算每个自溃闸门的有限稳定水位,即使某些或全转之前发生,它们也不会触发其他自溃闸门同时倾部进水井堵塞也能确保不危及大坝安全。覆。对进水井高度之差和配重差作了相应的计算。(2 )最低倾覆水位低于该水位时,即使在压力(2)在加拿大纽芬兰,圣 约翰的国家研究院海室中有最大的扬压力,自溃闸门也不会倾覆。洋动力学研究所对冰的问题作了专题研究。在这两种主要故障的情况下,其安全特性是在温带气候的高山坝址处在大多数时间里将HYDROPLUSB设计所特有的其他系统则不具备。冬季水库运行水位设定在低于自溃闸[门的底部不会(3)审查了每个工程的地震影响。在没有出现有任何妨碍。大洪水的情况下,自溃闸门的稳定裕度通常足以防在寒冷季节必须针对各种情况进行相应检查,止由地震所引发的问题。而且特大洪水在一个世使其能抵御冰的压力而不致损坏,甚至可可采用特纪中的总历时只有几十小时,，同时发生地震的概率殊的过水自溃闸门。大大低于设计洪水超越概率。对所有其他可能想到的问题都作了考虑,因此,马元挺译 自《国际水综述》该系统是在逐一考虑这些情况的基础上设计的:赵树湘(编辑刘忠清)(1 )参考法国和其他一些国家著 名水力学实验*.....*....................................................................*.(上接第10页)要职责应是负责协调解决流域治理开发中的重大3对 我国流域水协作管理的几点具体建议问题监督、检查流域水资源管理工作并行使国务院授予的其他职权。水资源的多功能性与流域性对经济社会的保障在现阶段也可采取循序渐进的方式,在流域范，作用的共通性要求我国的流域管理应高度重视并围内成立较为松散的流域水协作组织,并形成相应借鉴国际流域管理的经验教训。笔者对我国流域水的机制建立相应的制度。协作管理提出如下几点具体建议:3.3将现有的流域管理机构改组为流域水资源协3.1在国家涉水部门之间 建立部际水协作机制调(管理委员会的办事机构解决现今存在的条条"之间的矛盾,实现水资经改组后流域管理机构在流域协调(管理)倭源权属管理与开发利用管理分开。由水行政主管部员会的领导或指导下通过具体地工作促成实现水门代表国家行使水资源权属管理，,开 发利用部门只资源按流域进行统-管理,实现水量与水质统- -管负责水资源的开发利用及其管理不负责水的权属理;促成国家建立以流域为单元对水资源实行统一管理。规划、统一调配、统--监督管理的体制。3.2成立流域协调( 管理委员会3.4成立流域用水协 会类协调组织重在解决现今存在的块块”之间的矛盾，实现水资源的流域综合的统-管理。大江大河尽早建立建立有效的参与机制使包括各类用水者在内综合性、高规格的流域水资源协调(管理)委员会。的流域众多利益相关者的意见能够得到充分的反映该委员会由国务院有关部门、有关省政府和流域管和协调。理机构负责人及用水户代表组成委员会的主任由中国煤化工(编辑周惟道)国务院领导兼任。该委员会属非常设性组织其主MHCNMHG19