紅花水電站泄水閘平面工作閘門設計

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簡介： 紅花泄水閘工作門屬于超大型平板閘門，控泄調度頻繁，本文針對閘門及門槽設計方案的選定、閘門結構設計和模型試驗等進行了介紹，并對其中所運用的新技術、新材料和新思路進行了論述，為類似工程設計提供參考。
關鍵字：平面閘門，門槽型式，荷載分配，模型試驗

1 概述

　　紅花水電站位于廣西壯族自治區(qū)柳江縣境內(nèi)，是珠江流域西江水系柳江綜合利用規(guī)劃確定的柳江干流最下游一個梯級。電站總體布置由右岸廠房、左岸船閘、中間泄水閘及兩岸門庫段、土壩等組成。

　　泄水閘共18孔，主要起擋、泄水作用，最大泄洪流量達44800m³/s。泄水閘工作閘門采用平面定輪鋼閘門，孔口尺寸（寬×高-設計水頭）為16m×18m-17.598m，18孔18扇，采用固定卷揚式啟閉機操作，一門一機布置。為了檢修閘室、閘門及其埋件，工作閘門上、下游分別設置檢修門。

2 泄水閘工作閘門及門槽型式選擇

　　紅花水電站泄水閘經(jīng)水工模型試驗確定采用開敞式改進機翼堰形式，泄水閘上游校核洪水位（P=0.1%）為91.52m，校核洪水流量為42000m³/s，上游設計洪水位（P=1%）為86.43m，設計洪水流量為32700m³/s，正常蓄水位為77.5m，下游校核洪水位為90.95m，下游設計洪水位為86.05m，下游最低水位為59.79m，堰頂高程60.0m，壩頂高程94.65m。

　　泄水閘工作閘門設計水頭乘孔口尺寸達5068m³，屬于超大型閘門，在國內(nèi)已建同類型工程中，規(guī)模位列前茅。泄水閘運行方式包括18孔全開，18孔均勻開啟，8孔均勻開啟，5孔均勻開啟和4孔均勻開啟等方式。水庫流量調度比較復雜，泄水閘工作閘門局部開啟控泄頻繁，按常規(guī)首選門型為弧門，以改善泄流時的水流流態(tài)。根據(jù)《水利水電工程鋼閘門設計規(guī)范》（SL 74-95）5.1.7款規(guī)定：露頂式弧形閘門面板曲率半徑與閘門高度的比值可取為1.0~1.5；弧門支鉸宜布置在過流時支鉸不受水流及漂浮物沖擊的高程上；水閘的露頂式弧形閘門，支鉸位置可布置在閘門底檻以上2/3H~H處。由于本工程上、下游泄洪水位高出正常蓄水位較多，無法完全滿足規(guī)范推薦方式布置，考慮盡量減少水流及漂浮物對支鉸的沖擊和減少弧門全開時支臂對水流的阻擋，支鉸布置在略高于下游設計洪水位的高程?？紤]弧門支鉸不宜上翹太高以減小豎直向上的水壓力，必須增大弧門面板曲率半徑，閘室順水流方向長度將大大增加。因此，弧門方案不管是金屬結構還是土建工程量都將較高，大大增加工程投資。

　　參考國內(nèi)已建同類工程項目四川省樂山縣龔嘴電站溢洪道工作門12×18-23.5m、貴州省清鎮(zhèn)縣東風電站溢洪道工作門15×21-21m、四川省武勝縣東西關電站泄洪閘工作門14×19-18.5m均采用平面定輪鋼閘門。湖南凌津灘水電站泄洪閘系統(tǒng)共布置9孔高坎泄洪閘及5孔低坎泄洪閘，高坎泄洪閘工作門18×15-15m；低坎泄洪閘工作門18×16-16m。設計時考慮由于上游水位變幅大及下游洪水位高的特點，工作閘門門型選定為平面定輪鋼閘門。鑒于目前國內(nèi)大型平面定輪鋼閘門應用于泄洪工作門已有一些嘗試，隨著技術不斷發(fā)展，而本工程水位又特殊，故泄水閘工作閘門門型選定為平面定輪鋼閘門。

　　國內(nèi)外大量的工程運行經(jīng)驗表明：平面閘門門槽空化空蝕問題十分嚴重，甚至造成嚴重事故，選擇適當?shù)拈T槽形式以改善門槽附近的水力學條件，盡量避免不利工況，緩解空化空蝕問題非常重要。因此，對本門槽設計進行優(yōu)化，采用特殊體型，最終確定下游埋件用圓弧形的錯距門槽。本工作門門槽具體結構尺寸見表1。

表1 門槽幾何形狀參數(shù)比較表

　　根據(jù)已有科研成果及工程實例，此型門槽初生空穴數(shù)K_i=0.4~0.6，當實際工程中門槽附近的水流空穴數(shù)K＞K_i時，門槽一般不至于發(fā)生空蝕。水流空穴數(shù)可利用下式計算：K=，式中H₁為緊靠門槽上游附近的斷面平均壓力，H_a為大氣壓力，H_v為水的汽化壓力，V₁為緊靠門槽上游附近的斷面平均流速，g為重力加速度。根據(jù)本工程試驗結果可以看出：設計所采用的門槽體型是可行的。在敞開泄洪中門槽水流空穴數(shù)非常高，不會出現(xiàn)空化空蝕問題；而當閘門作局部開啟運行時，工作門門槽在大部分工況下具有一定的抗空化空蝕能力，但少部分小開度閘下自由出流工況下的門槽空化數(shù)安全裕度不大。因此，盡量避免在1.5m以下的閘門小開度狀態(tài)下運行，可基本保證門槽的運行安全。

3 閘門結構設計

　　泄水閘工作閘門共18孔，孔口凈寬16m，底檻高程59.902m，擋正常蓄水位77.5m，考慮超高后閘門設計高度18.0m。閘門設計水頭為17.598m，封水寬度為16.16m，支承跨度取為17.0m，閘門動力系數(shù)取1.2，總水壓力為30028kN。閘門結構主要材料為Q345，梁系采用多主橫梁同層結構布置，閘門總體結構布置見圖1。

圖1 閘門總體結構圖

3.1 閘門梁系設計

　　閘門主梁布置除底主梁外，上部主梁盡量等荷載布置，采用相同主梁截面，方便制造。底主梁采用雙腹板箱型梁，由于閘門底檻下游側有向下5°的偏角，為減少門底底主梁以下懸伸長度以減小底主梁荷載，同時又能滿足底主梁到底止水的距離符合底緣布置的要求，下游傾角設計為26.2°，底主梁與底檻的夾角則為31.2°＞30°。為改善水流流態(tài)，底主梁后翼緣與底次梁間采用鋼板進行密封。水平次梁采用槽鋼，近似按等跨連續(xù)梁設計，槽鋼肢尖向下，以防積水和積塵?？v梁（隔板）與主梁等高設計。為減小閘門運行過程中的振動，結構設計時考慮了適當提高閘門的整體剛度。

　　本設計中主梁荷載分配采用了少用的連續(xù)梁法。目前主梁荷載計算方法有相鄰間距和之半法、力矩法和連續(xù)梁法，一般資料都推薦采用前兩種方法，但這兩種方法均只考慮了水壓力作用，沒有考慮縱梁對主梁的約束作用。而現(xiàn)在一般閘門的縱梁因構造要求均與主梁等高，縱梁經(jīng)主梁分隔后跨度又都很小，縱梁對主梁的相對剛度較大，多主梁閘門的荷載計算，實際上是一個超靜定問題。但在以前的工程設計中，受制于求解多次超靜定連續(xù)梁內(nèi)力的繁瑣計算，一般都采用了前兩種計算方法，或將閘門設計成多節(jié)以適應假定體系。計算結果有時會有較大誤差；分節(jié)設計制造繁雜，大大降低了閘門整體剛度，不利于避振。隨著計算機技術的快速發(fā)展和計算機應用的廣泛普及，許多工程軟件日趨成熟，簡單、快速求解多次超靜定連續(xù)梁內(nèi)力已成為可能。采用連續(xù)梁法，將縱向單位寬度面板當作支承在主梁上的連續(xù)梁，根據(jù)閘門的傳力特點，這樣更接近于結構的實際受力情況。利用相關軟件可求得各主梁處的支反力即主梁所分得的單寬荷載，累加后即得主梁荷載，見圖2。再按受均布荷載的簡支梁進行主梁結構設計。連續(xù)梁法計算結果誤差較小，且閘門不分節(jié)設計，設計效率較高，閘門結構簡單，整體剛度較大，相對節(jié)省工程量，提高了閘門的避振效果。

圖2 閘門主梁布置及其荷載

3. 2 閘門主支承設計

　　此類大孔口閘門主支承以前多采用臺車式結構，但臺車式支承結構非常復雜，制作不便，而且需要較大的門槽深度，要求更寬的閘墩寬度，增加工程布置的難度。隨著新材料和新技術的不斷發(fā)展，水工專用關節(jié)軸承已應運而生，為方便布置，本閘門主輪采用后置式帶輪架線接觸簡支輪，主輪軸套采用自潤滑關節(jié)軸承，以適應因閘門變形而在梁端形成的偏角，確保滾輪的線接觸特性，解決了大跨度、高輪壓主支承輪的設置難題。主輪支座處采用偏心軸套，既方便了主輪調平，又克服了傳統(tǒng)偏心軸帶來的密封偏心問題。為充分利用材料，主輪盡量近似按等荷載布置。邊柱看作支承在主輪上的連續(xù)梁，受主梁傳遞來的集中荷載作用，于是利用相關軟件可求得各主輪處的支反力即主輪所承受的荷載，見圖3。主輪輪徑為Φ900mm，材料采用ZG35CRMo，主軌采用鑄鋼軌道，材料為ZG50Mn2，均調質處理。

圖3 閘門主輪布置及其荷載

4 模型試驗

　　為了進一步確保本閘門及門槽在工程運行中的安全性，設計過程中特委托南京水利科學研究院進行了模型試驗研究。

4.1 模型試驗研究的內(nèi)容

　　根據(jù)紅花泄水閘的運行工況及閘門水力結構特征，通過對以下內(nèi)容的試驗研究，論證設計方案的合理性，揭示其存在問題，從而確保工程的運行安全。

　　a）門槽空化空蝕問題研究。門槽空化空蝕問題重點考察閘門在局部開啟狀態(tài)下門槽及其下游相鄰區(qū)域的壓力分布特性、流態(tài)，特別是下泄水流對門槽產(chǎn)生局部水流分離，可能導致空化空蝕的水流脈動壓力引起的間隙性空化。取得閘門不同運行工況下的門槽水流空化數(shù)，研究門槽的空化性能。

　　b）閘門水動力荷載研究。閘門運行過程中出現(xiàn)強烈振動的根本原因在于水流荷載與閘門結構動力特性二者的不利組合作用，危害性最大的是發(fā)生共振。重點研究作為閘門結構振動的外部誘因的水動力荷載對閘門的作用情況。

　　c）閘門結構振動特性研究。閘門結構的振動特性包括固有頻率、振型、質量、剛度、阻尼等參數(shù)。一旦結構體型確定，閘門結構的固有特性亦隨之確定，這些特性構成了閘門結構是否會發(fā)生強烈振動的內(nèi)因。

　　d）閘門水彈性振動研究。泄水閘運行時，閘門結構在水動力作用下產(chǎn)生振動，為了真實地測取閘門振動的加速度、動位移及動應力等參數(shù)，利用全水彈性相似模型，研究閘門在不同運行水位、不同開度條件下的振動特征。明確閘門振動的性質和危害程度，尋求振動產(chǎn)生的原因并提出減振措施。

　　e）閘門結構動態(tài)研究。根據(jù)對閘門水動力學荷載試驗、結構彈性模量試驗和閘門水彈性振動研究成果的綜合分析，找出造成閘門有害振動的原因，在此基礎上對閘門結構進行針對性動態(tài)修改。

　　f）閘門運行操作規(guī)程的制定。通過系統(tǒng)試驗研究，為泄水閘制定兼顧門槽良好水力條件又保證閘門平穩(wěn)運行的操作規(guī)程，以確保泄水建筑物的安全運行。

4.2 模型試驗研究的結論和建議

　　通過模型試驗研究，最終得出以下結論并提出相應建議，確保泄水閘門槽及閘門的運行安全。

　　a）紅花水電站泄水閘工作門在不同運行水位及開度下的水動力試驗成果表明，在選定的駱峰堰條件下，采用的Ⅱ型門槽體型總體上是可行的。門槽的水流空化數(shù)的分析計算結果表明：在工作門全開泄洪閘暢泄條件下，門槽段邊界不會受到空化空蝕威脅；當工作門作局部開啟運行時，大部分運行工況門槽水流空化數(shù)較高，但部分小開度工況，尤其當閘門開度小于1.5m時，水流空化數(shù)較低，安全裕度小，為安全起見，盡量避免閘門在小開度下運行。

　　b）水流流態(tài)觀測表明：工作閘門局部開啟運行條件下，閘門下游的水躍情況主要發(fā)生在臨界水位以上。當下游水位較高時呈現(xiàn)淹沒出流狀態(tài)，閘后淹沒水躍及涌浪對門體的振動將產(chǎn)生影響；水位較低時呈現(xiàn)自由出流狀態(tài)，閘下流態(tài)對門體不構成威脅。

　　c）閘門模態(tài)試驗結果顯示，考慮水流附加質量對閘門自振特性的影響，一階基頻約為5.0 Hz。從總體上看該閘門的基頻較高，對結構抗振有利。

　　e）泄流狀態(tài)下閘門結構的振動量以順水流方向為最大，側向次之，垂向較??；在一定上下游水位條件下，振動量隨閘門開度的增加而加大。在設計給定的試驗工況下，當閘門處于1.0m～6.35m局部開啟范圍時，最大振動量出現(xiàn)在上游水位76.5m，下游水位72.13m，閘門開度6.35m的運行工況。閘門振動的主能量集中在0～5Hz范圍，說明閘門振動的振源系下泄水流淹沒水躍在下游消力池內(nèi)高度紊動及表旋滾回拍門體產(chǎn)生的。

　　f）在設計給定工況下，閘門結構在大部分運行工況不會出現(xiàn)強烈振動，閘門的總體設計是合理的。從控制振動量角度看，閘門運行時要密切關注出現(xiàn)較大振動量的運行工況，并力求避免在上述工況下作局部開啟運行。此外，閘門的振動還與水封的制造安裝精度﹑漏水情況等密切相關，因此制造施工階段應當加強閘門及其埋件的質量控制，確保運行安全。

5 結 語

　　本文簡要介紹了紅花水電站泄水閘工作閘門門型及門槽的選定，閘門結構設計和模型試驗研究情況。一期工程8扇閘門已下閘蓄水，二期工程10扇閘門在制作過程中。模型試驗驗證了閘門結構及門槽設計的合理性，采用新的主梁、主輪荷載分配算法后，設計計算結果同有限元復核計算結果相吻合，可為同類工程提供一定的參考作用。影響閘門振動的因素很多，閘門運行時應加強現(xiàn)場觀測，避開振動較大的運行工況，確保閘門運行安全。