高窄大孔口多分瓣式主縱梁潛孔弧門技術(shù)探討

王興恩，陸一婷，徐 祎，高 偉，盧修迪

(中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 概 述

弧門是水利水電工程潛孔工作閘門較常采用的門型之一，其結(jié)構(gòu)主要有主橫梁和主縱梁兩種形式，原則上寬高比較大的宜采用主橫梁形式，寬高比較小的可采用主縱梁形式[1～5]?；谶\輸方便考慮，目前已建工程中的大孔口潛孔弧門多采用寬高比較大的主橫梁形式(見表1)，其原因主要是主橫梁形式弧門采用橫向分節(jié)制造不影響閘門主框架結(jié)構(gòu)，閘門制作單元外形尺寸可控，分節(jié)數(shù)量可根據(jù)運輸要求確定，但閘門跨度較大會增加泄水壩段寬度，其制造、運輸及安裝單元較多，工程建設(shè)周期長，投資也會有所增加，經(jīng)濟性相對較差；而采用寬高比較小的主縱梁形式，因傳統(tǒng)門葉采用縱向?qū)ΨQ布置的左右分兩瓣結(jié)構(gòu)技術(shù)，基于運輸寬度不超3.5 m限制，閘門孔口寬度原則上不超7 m，否則運輸難度太大，故采用主縱梁的大孔口潛孔弧門孔口尺寸通常為高窄形式；此外，因隧洞轉(zhuǎn)彎半徑對弧門門葉長度的限制和過長的懸臂門葉結(jié)構(gòu)不利于閘門的整體穩(wěn)定，故主縱梁潛孔弧門的孔口高度不宜過高(≯20 m)，寬高比也不宜過小(≮0.4)，因此，在已建工程中采用主縱梁結(jié)構(gòu)的潛孔弧門孔口尺寸普遍偏小，這對于泄洪規(guī)模較大的工程，尤其是閘壩工程，會增加泄洪閘孔數(shù)量，繼而加大工程開挖量，并增加閘墩混凝土澆筑量，經(jīng)濟性也較差；此外，對于大孔口潛孔弧門，其啟閉設(shè)備選型及布置的合理性對整個工程的技術(shù)經(jīng)濟性、美觀性及工程投運后期運行維護的方便性會產(chǎn)生影響，也是潛孔弧門設(shè)計中不容忽視的一個關(guān)鍵性技術(shù)問題。

針對上述潛孔弧門存在的一些問題，筆者依托四川省大渡河枕頭壩一級水電站泄洪閘8×16-39 m潛孔弧門開展了高窄大孔口主縱梁潛孔弧門多分瓣與啟閉設(shè)備選型及布置的技術(shù)研究，通過工程實踐取得的一些思路與解決問題的技術(shù)方法可供探討。

1 門葉結(jié)構(gòu)研究

1.1 門葉分瓣研究

在高窄大孔口潛孔弧門設(shè)計中，采用較小閘門孔口寬度方案雖有利于運輸，但會減少閘門單孔泄量，為滿足泄洪規(guī)模，需增設(shè)閘門孔口數(shù)量，繼而加大工程開挖量和閘墩混凝土澆筑量，工程投資也會有所增加，有時還會導(dǎo)致工期延長，推遲發(fā)電時間使電站效益受損；因此，從工程投資角度考慮，在技術(shù)和運輸方案可行情況下，采用較大規(guī)模的高窄大孔口泄洪閘門方案較優(yōu)。

枕頭壩一級水電站泄洪閘潛孔弧門孔口寬高比8/16=0.5<1，根據(jù)規(guī)范和工程經(jīng)驗，門葉結(jié)構(gòu)采用主縱梁結(jié)構(gòu)形式較合理，但按傳統(tǒng)雙主縱梁左右對稱分兩瓣技術(shù)，門葉運輸外形尺寸20.14 m×4 m×3.6 m(長×寬×高)，質(zhì)量約105 t，屬于三超件，采用水路運輸又不能直達工地，而鐵路運輸限寬3.4 m，故門葉鐵路運輸因超寬基本不能實現(xiàn)；若按公路運輸，沿途需加固橋梁和改造道路，經(jīng)預(yù)算成本很高。就單個項目而言，投入的社會成本過大，從工程投資角度考慮，采用傳統(tǒng)技術(shù)方案的經(jīng)濟性很差，故該閘門若采用主縱梁結(jié)構(gòu)需研究將門葉運輸外形尺寸及質(zhì)量減小至可運輸范圍的技術(shù)方案。

結(jié)合現(xiàn)有的閘門制造、安裝技術(shù)，基于不影響主縱梁結(jié)構(gòu)整體性的要求，通過研究，枕頭壩一級水電站泄洪閘潛孔弧門采取縱向多分瓣(≥3)的制造、運輸，在工地通過螺栓及焊接組合拼裝成整體的技術(shù)解決了這個難題。

該技術(shù)的門葉結(jié)構(gòu)由一瓣及以上的中門葉和對稱設(shè)置的兩瓣邊門葉并合拼裝而成，通過門葉的縱向多分瓣技術(shù)減小門葉的制造、運輸外形尺寸及質(zhì)量。考慮增強門葉結(jié)構(gòu)的整體性，主縱梁設(shè)置在邊門葉上，中門葉和邊門葉的并合處均設(shè)有連接板，連接板上設(shè)有一組螺栓孔，一組螺栓孔中包括一些鉸制孔，其余為配鉆螺栓孔，便于左右兩瓣邊門葉與中門葉之間的安裝對位，中門葉連接板經(jīng)螺栓與邊門葉一側(cè)的連接板連接。中門葉和邊門葉的迎水面的弧形面板和連接板的邊緣設(shè)有對稱的焊接坡口，弧形面板上的焊接坡口與連接板上的焊接坡口焊接；中門葉和邊門葉的背水面設(shè)有后翼緣板，后翼緣板和連接板的邊緣設(shè)有對稱的焊接坡口，后翼緣板上的焊接坡口與連接板上的焊接坡口焊接；中門葉和邊門葉的連接板設(shè)有操作孔，便于現(xiàn)場安裝人員裝配螺栓；中門葉和邊門葉上連接板的操作孔相對的邊緣設(shè)有對稱的焊接坡口；兩塊連接板的操作孔上的焊接坡口在螺栓連接之后焊接并磨平，增強了中門葉和邊門葉之間螺栓的抗剪能力。

枕頭壩一級水電站泄洪閘潛孔弧門采用上述方案，其門葉(見圖1)按左、中、右分3瓣對稱制作，最大件為左右兩瓣邊門葉，最大運輸尺寸20.14 m×3.1 m×3.6 m(長×寬×高)，質(zhì)量約87 t，較傳統(tǒng)設(shè)計方案使門葉的運輸尺寸及質(zhì)量得到有效降低，使公路和鐵路運輸均得以實現(xiàn)，節(jié)省了加固橋梁和改造道路的運輸成本，技術(shù)經(jīng)濟性較傳統(tǒng)方案優(yōu)。

圖1 枕頭壩一級水電站泄洪閘潛孔弧門門葉縱向分瓣結(jié)構(gòu)示意

1.2 主框架結(jié)構(gòu)研究

傳統(tǒng)潛孔弧門的主縱梁為上下兩根支臂支撐的雙懸臂結(jié)構(gòu)，主縱梁與支臂之間通常不設(shè)置其它支撐結(jié)構(gòu)，有些工程也在主縱梁與支臂之間設(shè)置一些增強閘門整體剛度的斜撐，但均為一些剛度不大的槽鋼、角鋼及鋼管等組成的桁架結(jié)構(gòu)，設(shè)計時均未考慮其作用，也未對其進行強度復(fù)核，這在常規(guī)孔口不大的潛孔弧門中影響不大，但在高窄大孔口潛孔弧門中，其影響較大，因兩支臂中心主縱梁跨度較大，因此，在水壓力作用下主縱梁的變形也較大，會導(dǎo)致斜撐因剛度脆弱或強度不夠而發(fā)生失穩(wěn)或斷裂破壞，故對于設(shè)置斜撐的高窄大孔口潛孔弧門應(yīng)對其斜撐進行強度、剛度及穩(wěn)定性復(fù)核以免發(fā)生破壞誘發(fā)工程事故。

目前國內(nèi)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計基本采用容許應(yīng)力法，對于主縱梁，通常以跨中最大彎矩選擇截面尺寸，再通過選擇的截面尺寸驗算其強度、剛度及穩(wěn)定性，因此，對于跨中彎矩大的主縱梁，其截面尺寸也較大，故主縱梁框架設(shè)計應(yīng)基于減小其跨中彎矩進行方能達到滿足使用要求且節(jié)省材料的技術(shù)經(jīng)濟目的。

根據(jù)工程實踐，對于同一孔口尺寸的潛孔弧門，不同設(shè)計方案中上下兩支臂之間的主縱梁跨度相近，因此，通過調(diào)整上下兩支臂之間的主縱梁跨度減小跨中彎矩的方法其意義不大，故有效的方法是在上下兩支臂之間增設(shè)支座，通過增設(shè)支座的方法使主縱梁由雙懸臂簡支梁結(jié)構(gòu)變?yōu)殡p懸臂的多跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，從而使主縱梁跨度及相應(yīng)的跨中彎矩得到較大程度減小，達到減小主縱梁截面尺寸的目的，但支座剛度必須足夠大否則不能滿足使用要求。以枕頭壩一級水電站泄洪閘潛孔弧門為例，采用跨內(nèi)不設(shè)支座方案，跨中最大彎矩約12 500 kN·m，采用跨內(nèi)設(shè)支座方案，跨中最大彎矩約7 200 kN·m，兩方案比較，主縱梁跨中彎矩減少約42.4%，從而使主縱梁截面尺寸得到有效減小，故該閘門采用了跨內(nèi)設(shè)支座方案。

2 啟閉設(shè)備選型及布置研究

2.1 啟閉設(shè)備選型研究

目前潛孔弧門采用的啟閉設(shè)備主要有搖擺式液壓機、雙缸后拉式液壓機及固定卷揚式啟閉機三種類型，對于常規(guī)孔口的潛孔弧門以搖擺式液壓機居多，對于大孔口潛孔弧門以雙缸后拉式液壓機居多，少數(shù)不宜布置上述兩種液壓機的潛孔弧門采用固定卷揚式啟閉機或其它類型啟閉機，比如帶拉桿的垂直式液壓機、盤香式弧門啟閉機等。

對于采用搖擺式液壓機操作的潛孔弧門，通常依靠自重無法閉門，需液壓機施加下壓力，所以閘門吊耳一般設(shè)置在門葉頂部，故該種類型液壓機行程通常較閘門高度大，而對于大型液壓機而言，油缸行程越長，其制造加工及質(zhì)量控制難度也越大，成本也較大[6]，故在高窄大孔口潛孔弧門中使用搖擺式液壓機存在行程長，制造、運輸及安裝難度大等技術(shù)問題；對于閘壩工程，還存在液壓機外露部分多，工程美觀性較差及液壓機油缸長期大部分暴露于空氣中易發(fā)生銹蝕等技術(shù)問題。

綜上分析，枕頭壩一級水電站泄洪閘潛孔弧門采用傳統(tǒng)搖擺式液壓機操作主要存在：液壓機啟閉容量8 000 kN，行程18 m，屬大容量長行程液壓機，制造加工、質(zhì)量控制及運輸難度大；安裝時需在泄洪閘頂部設(shè)置啟閉平臺，啟閉平臺高度較現(xiàn)有泄洪閘頂部平臺高，土建結(jié)構(gòu)美觀性差等技術(shù)問題?；谠摑摽谆￠T自重足以閉門，不需要下壓力，可采用單作用力的雙缸后拉式液壓機或固定卷揚式啟閉機操作考慮，結(jié)合雙缸后拉式液壓機相對固定卷揚式啟閉機具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動效率高、緩沖效果好，有利于抗振、防震，不需要設(shè)置啟閉平臺，便于在水工建筑物上布置等優(yōu)點，故該潛孔弧門啟閉設(shè)備選用雙缸后拉式液壓機。

2.2 液壓機布置研究

雙缸后拉式液壓機油缸主要有端部鉸接與中部轉(zhuǎn)動鉸接兩種支承形式[7]，根據(jù)工程實施案例，目前以采用端部鉸接支承居多一些。

對于端部鉸接的油缸支承座，其通常采用整體固定式圓筒形結(jié)構(gòu)，因制造簡單，因此，在工程中采用較多；但對于一些高度較低的閘墩，因油缸支承座上掛點中心處于閘墩頂部平臺以上，在閘墩上部需設(shè)置混凝土墩固定油缸支承座，造成壩面布置美觀性差，有時甚至影響壩面交通，故采用在油缸中部設(shè)置轉(zhuǎn)動鉸形式，該種型式油缸雖然有部分外露于壩面以上影響美觀，但油缸整體位于閘孔側(cè)不影響壩面交通。

對于中部轉(zhuǎn)動鉸接支承，一般采用由外筒體及內(nèi)筒體組成的轉(zhuǎn)動式圓環(huán)筒體結(jié)構(gòu)，其中外筒體為固定式圓筒形結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒體為外端帶油缸固定支承座的組合結(jié)構(gòu)，外筒體及內(nèi)筒體之間通過高強復(fù)合材料軸套或球鉸轉(zhuǎn)動連接，安裝時內(nèi)筒體與液壓油缸通過鉸軸連接固定成一體；也有少數(shù)工程采用非常規(guī)支承形式，比如王春等[8]在越南SonLa水電站溢洪道潛孔弧門的液壓機油缸支承座采用固定在順水流向兩個鋼牛腿上的支撐鋼梁結(jié)構(gòu)。

枕頭壩一級水電站泄洪閘頂部平臺高程626.5 m，底檻高程585.00 m，泄洪閘頂部平臺至底檻高度達41.5 m，泄洪閘墩有足夠高度滿足雙缸后拉式液壓機采用端部支承的要求，故該泄洪閘雙缸后拉式液壓機采用端部支承形式(見圖2)；此外，考慮壩頂平臺至液壓機油缸支承座上掛點中心高度較大達6.45 m，從頂部開澆筑孔澆筑二期混凝土，落差很大，精度不易控制。因此，采用壩頂平臺與液壓泵房平臺高程不同的臺階式閘墩結(jié)構(gòu)方案。該方案根據(jù)液壓機油缸支承座中心高程及埋設(shè)要求確定合理的液壓泵房平臺高程，壩頂平臺與液壓泵房平臺之間設(shè)置臺階連通，除便于現(xiàn)場人員運行維護外還可減少閘墩混凝土的澆筑量從而節(jié)省投資。

圖2 枕頭壩一級水電站泄洪閘潛孔弧門及液壓機布置

3 結(jié) 語

高窄大孔口主縱梁潛孔弧門采用縱向多分瓣(≥3)的制造、運輸，在工地通過螺栓及焊接組合拼裝成整體的技術(shù)使門葉運輸尺寸及自重得到有效降低，為門葉大件運輸提供了解決問題的思路及技術(shù)方案。

隨著川滇黔等指標較好交通便利的水電工程逐步開發(fā)完畢，未來水電開發(fā)地區(qū)的交通條件普遍相對較差，而高窄大孔口主縱梁潛孔弧門采用的縱向多分瓣技術(shù)重點解決制約工程建設(shè)的金屬結(jié)構(gòu)大件運輸技術(shù)問題，在交通運輸不便的水電工程中均可采用，故該技術(shù)可為后續(xù)類似工程提供一些借鑒和參考，且可為該類型工程的項目立項提供技術(shù)支撐。