水電站高水頭封堵門(mén)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及受力分析

劉 浩，孔 劍，張 莉

(長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010)

對(duì)于長(zhǎng)距離深埋隧洞的引水式電站，為了節(jié)約工期，一般根據(jù)線路情況將隧洞分成多段同時(shí)施工以縮短工期，相應(yīng)的布置多條施工支洞，待施工完畢，部分施工支洞采用混凝土進(jìn)行永久封堵，部分施工支洞作為電站的檢修通道，利用鋼閘門(mén)進(jìn)行封堵，電站運(yùn)行時(shí)關(guān)閉封堵門(mén)，檢修時(shí)開(kāi)啟封堵門(mén)對(duì)隧洞進(jìn)行維護(hù)。

某引水式電站，施工支洞為馬蹄形，在支洞與地下電站壓力鋼管連接處附近，局部澆筑鋼筋混凝土，支洞截面縮小為2 235 mm×2 235 mm的方形，長(zhǎng)37 m。在方形截面支洞端部埋設(shè)支撐埋件作為封堵門(mén)擋水時(shí)的支撐結(jié)構(gòu)，封堵門(mén)中心高程587.6 m，設(shè)計(jì)水位高程1 055 m，封堵門(mén)中心的水頭差467.4 m，屬于超高水頭，為減小封堵時(shí)產(chǎn)生滲流，在支撐埋件后焊接5 m長(zhǎng)的方形鋼襯。

1 封堵門(mén)設(shè)計(jì)難點(diǎn)

封堵門(mén)一般有平面式與橢球體式兩種形式，低水頭一般采用平面閘門(mén)[1-2]，高水頭采用橢球式封堵門(mén)，平面封堵門(mén)制造簡(jiǎn)單，橢球體式封堵門(mén)受力良好，但占用空間較大，由于受洞室尺寸的限制，本工程選用平開(kāi)式平面封堵門(mén)。為節(jié)省投資及便于后期的運(yùn)行維護(hù)，封堵門(mén)不設(shè)置機(jī)械啟閉，手動(dòng)操作啟閉，防止封堵門(mén)啟閉時(shí)受到支洞底部污物的影響，封堵門(mén)底部不設(shè)置支撐軌道。

由于封堵門(mén)承受的水頭差巨大，如果采用普通鋼材，梁系按照常規(guī)的主橫梁布置方式，為了滿足強(qiáng)度與剛度要求，導(dǎo)致門(mén)體所用的板材增厚，梁高增大，梁間距減小，從而引起以下不利結(jié)果：①主梁間距小，無(wú)法布置進(jìn)人孔；②鋼板焊接變形大，影響材料力學(xué)性能與門(mén)體制作精度；③門(mén)體厚度大，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法安裝與運(yùn)行；④門(mén)體自重增加，啟閉困難。

此外，由于閘門(mén)不設(shè)置啟閉機(jī)，底部不設(shè)置支撐軌道，門(mén)體在自重作用下產(chǎn)生的傾斜力將會(huì)給啟閉門(mén)造成很大困難。綜上所述，封堵門(mén)設(shè)計(jì)面臨兩大難點(diǎn)：①承受接近500 m高的水頭差，如此高的水頭在國(guó)內(nèi)外水電站中非常少見(jiàn)，另外門(mén)體厚度受到運(yùn)行條件的制約，面板中布置進(jìn)人孔等給都門(mén)體設(shè)計(jì)增加了難度。②無(wú)動(dòng)力啟閉裝置，僅靠手動(dòng)推拉門(mén)體進(jìn)行啟閉。

這些都超出了設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)范圍，現(xiàn)有的資料并無(wú)相關(guān)與類(lèi)似的設(shè)計(jì)實(shí)例。針對(duì)第一個(gè)難點(diǎn)，本文從材料、門(mén)體結(jié)構(gòu)布置及計(jì)算手段等方面進(jìn)行改進(jìn)。材料上采用壓力容器高強(qiáng)鋼板07MnMoVR[3]代替普通鋼材，該材料強(qiáng)度高，可焊性強(qiáng)。結(jié)構(gòu)上與常規(guī)的主橫梁布置方式不同，門(mén)體采用主橫梁與主縱梁的聯(lián)合受力體系，因此不能按照相關(guān)規(guī)范[4]簡(jiǎn)化為平面問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算[5]，選用ANSYS有限元程序?qū)﹂T(mén)體進(jìn)行空間受力分析[6]，通過(guò)改變主梁間距、高度及板材厚度等關(guān)鍵因素，試算多種模型，得到優(yōu)化合理的門(mén)體設(shè)計(jì)方案。針對(duì)第2個(gè)難點(diǎn)，弄清封堵門(mén)啟閉過(guò)程中支座的受力特性與工作原理，采用自潤(rùn)滑滑動(dòng)軸承與自潤(rùn)滑推力關(guān)節(jié)軸承聯(lián)合受力的支鉸形式能大大降低啟閉力。自潤(rùn)滑滑動(dòng)軸承減小門(mén)體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)水平力在軸與軸套間產(chǎn)生的摩擦力，推力關(guān)節(jié)軸承減少門(mén)體自重在鉸支座連接板間產(chǎn)生的摩擦力，確保依靠手動(dòng)推拉能啟閉封堵門(mén)。

2 封堵門(mén)計(jì)算分析

2.1 門(mén)體布置

門(mén)體厚750 mm，面板尺寸3 135 mm×3 135 mm。面板與翼緣板厚45 mm，腹板與加勁板厚30 mm，主橫梁與主縱梁均勻布置，中間主梁下翼緣寬200mm，邊梁翼緣寬400 mm，面板上布置直徑為600 mm進(jìn)人孔，并布置方形的檢修門(mén)。門(mén)體右側(cè)安裝2個(gè)水平旋轉(zhuǎn)的支鉸，封堵門(mén)啟閉時(shí)繞支鉸旋轉(zhuǎn)，擋水時(shí)，水壓力通過(guò)門(mén)體支撐塊傳至隧洞四邊混凝土墻面上，支撐跨度為2 835 mm。門(mén)體下游立視與俯視見(jiàn)圖1。

2.2 有限元計(jì)算

根據(jù)門(mén)體布置，采用ANSYS19.0建立三維有限元模型，門(mén)體材料07MnMoVR的力學(xué)性能見(jiàn)表1，其彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3，采用8節(jié)點(diǎn)的SHELL281單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將水頭差467.4 m的水壓力荷載施加在上游面板與側(cè)向腹板上，在4個(gè)邊梁后翼緣上施加約束，有限元網(wǎng)格見(jiàn)圖2。

表1 材料力學(xué)性能

根據(jù)相關(guān)的規(guī)范要求，材料容許應(yīng)力[σ]=0.55×490=269.5 MPa。由于門(mén)體屬于空間受力體系，因此采用Mises應(yīng)力判斷其強(qiáng)度，用三個(gè)主應(yīng)力σ1、σ2、σ3表示為

門(mén)體Mises應(yīng)力見(jiàn)圖3，總變形見(jiàn)圖4。由圖3可知，門(mén)體最大Mises應(yīng)力為244.2 MPa，發(fā)生在面板中部的區(qū)格內(nèi)，小于材料的容許應(yīng)力269.5 MPa，強(qiáng)度滿足要求。由圖4可知，門(mén)體最大變形為2.5 mm，也發(fā)生在面板區(qū)格中部，最大變形小于容許撓度[f]=2 835/500=5.67 mm，剛度也滿足要求。

圖2 門(mén)體有限元網(wǎng)格圖

圖3 門(mén)體Mises應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖4 門(mén)體總變形圖(單位：mm)

2.3 支座計(jì)算

在啟閉過(guò)程中，門(mén)體右側(cè)受到支座的約束力可以分解為水平方向與豎直向上的分力。根據(jù)靜力平衡方程，豎直向上的分力N3、N4與門(mén)體自重平衡，N3、N4大小相等，為106.5 kN，水平方向的分力N1、N2平衡自重對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)中心線產(chǎn)生的力矩，N1、N2大小相等，方向相反，大小為263.9 kN，受力簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖5。

根據(jù)支座的受力特點(diǎn)，采用自潤(rùn)滑滑動(dòng)軸承與自潤(rùn)滑推力關(guān)節(jié)軸承聯(lián)合受力的鉸支座形式。自潤(rùn)滑滑動(dòng)軸承減小門(mén)體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)水平力N1、N2在軸與軸套間

圖5 支座受力簡(jiǎn)化圖(單位：mm)

產(chǎn)生的摩擦力，推力關(guān)節(jié)軸承減少豎向力N3、N4在支座連接板間產(chǎn)生的摩擦力。按照摩擦力的大小選取合適的自潤(rùn)滑滑動(dòng)軸承與推力關(guān)節(jié)軸承，經(jīng)計(jì)算，當(dāng)推力力臂為3 m時(shí)，790 N的推力能啟閉封堵門(mén)，顯然能通過(guò)手動(dòng)進(jìn)行啟閉。鉸支座裝配圖見(jiàn)圖6，圖6左側(cè)與門(mén)體相連，右側(cè)與支座埋件相連。

圖6 鉸支座裝配圖

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)在選材及結(jié)構(gòu)上對(duì)水電站高水頭封堵閘門(mén)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，運(yùn)用有限元計(jì)算出其應(yīng)力及應(yīng)變均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范，表明本設(shè)計(jì)所采用的如下的優(yōu)化設(shè)計(jì)合理：

1)門(mén)體材料上采用高強(qiáng)鋼板07MnMoVR，結(jié)構(gòu)上采用主橫梁與主縱梁的布置方式，減小了板厚與門(mén)體厚度，增大了主梁間距，減小了制造與安裝難度；

2)支座上采用自潤(rùn)滑滑動(dòng)軸承與自潤(rùn)滑推力關(guān)節(jié)軸承聯(lián)合受力的鉸支座形式，降低了平開(kāi)封堵門(mén)的啟閉力，使得手動(dòng)即能啟閉封堵門(mén)。