水電站溢洪道超大型弧形工作閘門設計解析

茍小偉

摘? ? 要：隨著我國水利事業(yè)不斷發(fā)展，當今水利電站工程數量越來越多，為了能夠全面保障水電站運行安全性、穩(wěn)定性，必須要加強溢洪道超大型弧形工作閘門設計工作，其不僅要具備防洪、保護的功能，同時也要確保閘門使用效率與功能?；诖?，本文重點探究水電站溢洪道超大型弧形工作閘門設計方案。

關鍵詞：水電站;溢洪道;超大型弧形工作閘門;設計

1? 引言

溢洪道作為水利建筑的防洪設備，通常都建設在水壩的一側，就像是一個大槽，如果水庫水位超過了安全界限，水就會從溢洪道向下游流出，避免水壩被破壞。溢洪道想要實現排、堵水的功能，就必須要保證工作閘門設計的規(guī)范性，在水位超過標準時，閘門可以自動打開向下游排水，從而確保水電站的安全性。

2? ?工程概況

某水電工程溢洪道主要設置了4孔閘門，孔口尺寸的寬度和高度分別為13m、22m，校核泄洪量為13330m3/s;設計泄洪量為11478m3/s。泄洪道每個孔都設置一道閘門，總共4扇閘門。閘門主要的作用是泄洪、調節(jié)水庫水位、動水啟閉、局部開啟等。由于本工程溢流堰頂高程在死水位的15m以下，所以超大型弧形閘門通常是處于關閉狀態(tài)來保障發(fā)電水位。

由于發(fā)電站水庫帶有調節(jié)功能，所以弧門的啟閉十分頻繁，再加上閘門本體體積較大，所以閘門設計是否穩(wěn)定、安全會直接影響水電工程安全性能。常規(guī)的設計手段主要是對構件進行處理分析，無法反應內部構件的受力情況。為了能夠保障閘門設計質量，掌握閘門內部構件受力特性、振動性能。在CATIA平臺上采用三維有限元對弧門進行了分析，并計算整個弧門正常擋水情況下構件所受到的靜應力、位移系數、穩(wěn)定性能，之后再對閘門活動狀態(tài)下的動態(tài)特性進行分析。

3? ?水電站溢洪道超大型弧形工作閘門設計

3.1? 閘門結構設計

在閘門結構設計當中，需要按照最不利于工況標準進行設計，確保閘門能夠應對任何的事故。結合工程概況，閘門設計水頭23.94m下的啟門工況。在實際設計當中，需要重點考慮閘門結構不同部位的動力系數。

在弧門框架設計過程中，要按照主梁正、負彎矩大致相同的原則，在閘門開啟當中，弧門框架除了會受到水壓荷載力之外，還需要承受液壓啟閉機的啟門作用力，為了保障梁臂位置的最大彎矩以及跨中最大彎矩向接近，主梁懸臂端長度設計為19m，從而達到又經濟、又可靠的目的。為了降低支臂彎矩以及框架反作用力，在能夠滿足以上條件基礎上，要盡可能增加支鉸中心到側墻之間的距離。

本工程弧門框架主梁、支臂單位剛度比為：上框架為6.656;中框架6.243;下框架為6.195。在截面選擇過程中，由于中、下主梁會受到啟門力的影響，因此中、下主梁、支臂設計采用箱型截面，受力較小的上主梁、支臂采用了“工”字截面。支臂在弧門當中發(fā)揮著重要作用，支臂除了能夠滿足上述剛度、強度外，在實際使用中也必須要保持穩(wěn)定性?；￠T破壞的主要形式就是支臂失穩(wěn)，會造成嚴重的事故。為了能夠強化支臂穩(wěn)定性，需要在上、中支臂之間以及中、下支臂之間增加連接系統(tǒng)以及斜向連接系統(tǒng)。針對支臂截面尺寸較大的問題，可以在支臂腹板上增設筋肋，這樣可以提高腹板局部的穩(wěn)定性。

3.2 閘門零部件設計

3.2.1? 止水設計

為了保障弧門的密封性，側水封采用了無節(jié)型橡塑復合止水裝置，水封座材料為不銹鋼，這樣可以減少水封磨損，延長整個系統(tǒng)的使用時間，也能夠減少水摩擦、提高閘門的啟門性能。底止水和底坎采用了I130-20止水，根據實際工程情況對夾角進行切割處理，并保留5mm的預壓縮量，這樣即可滿足水壩的止水標準。

3.2.2 側向支承設計

為了避免閘門啟閉過程中造成中門葉傾斜卡阻問題，確保側水封能夠正常使用，在閘門邊柱腹板位置上增設了筒支側輪，并在側輪底部安裝了橡膠墊（15mm），側軌與側輪之間保持5mm的距離。每節(jié)門葉布置2個，總統(tǒng)布置了16個。

3.2.3 支鉸設計

閘墩與閘門傳力的主要零部件就是支鉸，在結構設計當中十分重要。支鉸設計需要考慮其受力，要結合最不利于工況的基礎下進行支鉸設計，包括水壓力、啟門力、止水摩擦力、重力等，從而獲得支鉸座板平面垂直應力以及支鉸座的平衡應力（側推力）。再者，需要正確選擇支鉸軸型式，對于超大型弧門通常都選擇球鉸或者圓柱鉸。在性能選擇中，結合工程實際情況，要求動荷載在60850kN以上;靜荷載在101420kN以上。

3.3? 閘門三維線彈性有限元設計

在三維線彈性有限元分析當中，在實際設計當中需要重點計算弧形閘門在擋水工程下的位移、靜應力、穩(wěn)定性、閘門自由狀態(tài)下的動態(tài)性能，采用四面體單元形式進行計算，將整個閘門模型劃分為502452個單元、163623個節(jié)點，在進行動力分析當中，對閘門時間質量之后，在增加任何約束的情況下，確保閘門能夠實現自由開啟狀態(tài)，對閘門的自由模型進行分析，分析閘門自由狀態(tài)下的運行頻率，從而獲得閘門在各個振動頻率狀態(tài)下的振動模態(tài)，這樣即可得得到閘門在動態(tài)情況下的運行特征。本工程的三維線彈性有限元計算結果為：

（1）在正常擋水情況下，閘門不會受到較大應力，大部分情況下閘門所受到的應力都可以控制在100MPa以內，最大變形處位于上肢臂，位移距離為20mm。

（2）在正常擋水情況下，對屈曲系數進行分析可知，各個模態(tài)屈曲系數都保持在1以上，表明閘門運行穩(wěn)定性符合規(guī)定標準;。

（3）閘門在自由狀態(tài)下，振動頻率能夠控制在0～5Hz之間。大體上來看，模態(tài)數量和閘門變形系數成正比，也就是模態(tài)數量增加約會增加閘門變形系數。通過分析自由振動系數，表明閘門上肢臂抗震性較弱（與最大變形成正比）。

從整體方面來看，在三維線彈性有限元參照比較當中，本工程閘門設計的安全性、可靠性符合設計標準。

3.4? 啟閉機選型布置

現如今，液壓技術不斷發(fā)展和進步，其先進性也逐漸被設計人員認可，在設計中液壓技術的應用也愈加廣泛。在漏頂式弧門，特別是超大型弧門設計當中，雙缸液壓機已經成為了設計當中的首要選擇。這是因為液壓啟閉機在超大型弧門設計當中具有十分明顯的優(yōu)勢，例如布置緊湊、結構清晰、自重小、承載性能強、抗緩沖能力強、調速效率高、可以實現自動化等等。特別是在近幾年，隨著液壓啟閉機在實際應用中愈加成熟，應用水平也有所提高，因此新型液壓技術也廣受大型金屬結構設計者的歡迎，并且在實際應用中取得了不錯的成效。因此，本工程溢洪道弧門主要是采用了液壓啟閉機作為弧門啟閉裝置。

在雙缸懸掛式啟閉機布置過程中，其核心要點是如何將啟閉機油缸正確安裝在掛點位置，讓啟閉機在啟閉門時能夠實現最佳性能。通過采用作圖法對不同設計方案進行對比，可以找出弧門油缸的最佳掛點，并提出相應的工作行程。本工程的溢洪道弧門啟閉機容量為2*4500kN，工作行程為14m。

4? 結束語

綜上所述，為了能夠保障水電站工程運行的安全性、穩(wěn)定性，確保溢洪道閘超大型弧門運行功能。本文結合了某工程概況與特點，對弧門進行設計分析，包括閘門結構、零部件、三維線彈性有限元、啟閉機等，該設計在實際投入使用中可以完全滿足溢洪道排水、調節(jié)功能，提高了水電站的運行效益。

參考文獻：

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