超大型潛孔斜支臂弧形閘門設計及試驗研究

鄔顯強，鄭建坤，劉 星

(1.長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，廣東 廣州 510623;2. 廣西壯族自治區(qū)柳州水利電力勘測設計研究院，廣西 柳州 545005)

落久水利樞紐是國務院加快推進的172項重大節(jié)水供水水利工程之一，其溢洪道弧形工作閘門孔口尺寸、設計水頭和總水壓力三項指標均處于國內(nèi)同類閘門前列，該閘門要求任意開度，局部操作，使用頻繁。閘門的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及抗振性能尤為重要[1- 2]。

傳統(tǒng)的平面體系法主要計算主框架平面內(nèi)受力情況，部分結(jié)構(gòu)計算結(jié)果比實測值大20%～40%，在一些關(guān)鍵部位安全富裕度又不夠。對于落久溢洪道弧形閘門這類大孔口，高水頭弧門，門體剛度大，空間效應強，平面體系法計算很難準確反映整個閘門各構(gòu)件間的空間變形協(xié)調(diào)關(guān)系[3- 4]。國內(nèi)如周建方[5]、曾又林[6]等多位學者采用有限元計算方法對弧形閘門進行計算分析研究。劉世康[7]采用自編有限元程序?qū)⌒伍l門進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，劉禮華[8]，蔡元奇[9]等對弧門布置、結(jié)構(gòu)尺寸進行一體化優(yōu)化分析設計。但國內(nèi)高水頭、深孔弧形閘門有限元計算及優(yōu)化設計研究主要集中在直支臂結(jié)構(gòu)弧門，高水頭、深孔弧門斜支臂結(jié)構(gòu)方面研究較為少見。而這類閘門工況復雜，振動又受閘門結(jié)構(gòu)、流道體型、運行工況、自然條件等多方面因素的影響，需要具體問題具體分析，試驗研究必不可少[10- 12]。

本文以落久水利樞紐溢洪道超大型斜支臂弧形閘門為例，開展高水頭、深孔斜支臂弧門有限元計算及流激振動研究，為類似超大型弧形閘門設計及安全運行提供參考。

1 工程概況

落久水利樞紐位是貝江干流規(guī)劃七級開發(fā)方案中的第六個梯級，工程是以防洪為主，兼顧灌溉、城鎮(zhèn)供水、發(fā)電和航運等任務的綜合性水利樞紐工程。泄洪壩段共設5孔泄洪工作閘門，布置于溢流壩事故檢修閘門的下游側(cè)，平時水庫水位維持在正常蓄水位153.50m運行，入庫流量通過水輪機(發(fā)電)下泄；汛期按照水庫的調(diào)度要求開閘泄洪，庫內(nèi)水位降低至汛限水位142.00m；當下游遭遇超標準洪水時，閘門關(guān)閉擋水，水庫可蓄水至161.00m(防洪高水位)。

根據(jù)水工樞紐布置，工作閘門型式為潛孔斜支臂弧形鋼閘門，液壓啟閉機操作，牛腿支承。閘門孔口尺寸10m×12.91m(寬×高)，底檻高程130.10m，設計水頭30.9m，閘門面板半徑21.0m，吊點距9.0m，支鉸高度14.2m。溢流壩弧形工作閘門的操作方式為動水啟閉、局部開啟。選用2×3200kN弧形閘門液壓啟閉機操作，啟閉機可現(xiàn)地和遠方控制。啟閉機采用1門1機的布置方式，啟閉機油缸安裝在閘墩上，油缸支承鉸點安裝高程157.892m。液壓泵站設在壩頂161.80m的泵房內(nèi)每臺啟閉機由1套液壓泵站控制，共設5套泵站。樞紐泄洪壩段弧形閘門布置如圖1所示。

圖1 落久水利樞紐泄洪壩段弧形閘門布置圖(高程單位：m)

2 閘門結(jié)構(gòu)設計

2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化布置

弧形閘門結(jié)構(gòu)設計難點在于優(yōu)化主框架結(jié)構(gòu)布置，在保證閘門安全、可靠前提下，滿足經(jīng)濟性的要求。該閘門跨度大，為保證閘門的整體剛度，便于制造安裝，閘門采用主橫梁結(jié)構(gòu)。主橫梁與左右支臂構(gòu)成閘門剛性承重體系，閘門門體高度達到12.9m，高度大，可采用三支臂結(jié)構(gòu)，但三支臂結(jié)構(gòu)有三個主框架，結(jié)構(gòu)布置復雜，制造安裝難度大，為降低閘門制造、安裝難度，閘門仍采用雙主梁布置結(jié)構(gòu)。

2.2 閘門平面體系計算

弧形工作閘門主框架設計采用平面體系假定進行分析計算，閘門面板按四邊固定彈性薄板方法進行計算，并考慮2mm腐蝕裕度。承重構(gòu)件的驗算方法采用容許應力法，其他零部件均按有關(guān)規(guī)定驗算其強度、剛度及穩(wěn)定性。

閘門采用“π”型斜主框架，主框架計算簡圖如圖2所示。

圖2 主橫梁“π”型斜主框架計算簡圖(單位：mm)

3 空間有限元法計算

3.1 有限單元法建模及參數(shù)選取

閘門有限元計算選取一個由殼單元、桿單元、塊體單元在空間聯(lián)結(jié)而成的組合有限元模型，面板、主橫梁、縱梁、次梁、支臂等構(gòu)件用8節(jié)點二次殼單元模擬，門葉斜桿用桿單元模擬，支鉸用塊體單元模擬。二次殼單元共12890個，塊體單元共260個，桿單元共4個。節(jié)點數(shù)共37942個。

閘門結(jié)構(gòu)材料為Q345(16Mn)，材料按線彈性材料模型計算。

材料參數(shù)：彈性模量E=206000MPa，泊松比μ=0.3，質(zhì)量密度ρ=7.85g/cm3。

計算荷載：閘門在擋水條件下，承受上游水壓荷載和自重，設計水頭為30.9m。水壓力考慮1.1的動力系數(shù)。

約束條件：閘門只有底部壩體的支撐約束和支鉸的柱狀約束(釋放切向約束)。

3.2 計算結(jié)果分析

3.2.1應力結(jié)果

(1)橫梁應力分布規(guī)律。中間大，兩頭小，上、中、下三根橫梁中間下游面受拉，三根橫梁應力值基本相同。主橫梁受力最大位置在支座處(主橫梁和支臂連接部位)，最大值為128.6MPa，這是因為支座處由于支臂的作用剛度加強，承受的剪力和面板傳遞的荷載較大。

(2)縱隔板應力分布規(guī)律。上懸臂段向下游彎曲，上游面受拉，上下主框架之間向下游彎曲，下游面受拉。與支臂相連的縱隔板應力較大，這是因為與支臂相連的縱隔板承受支撐的剛度最大，分擔的荷載最多。

(3)支臂應力分布規(guī)律。翼緣、腹板基本上均勻受壓，上、下支臂受力基本相等，應力比值約1∶1，靠近主橫梁后翼緣位置壓應力最大為104.2MPa，相對于材料的容許應力較小。很好地符合了上下主框架等荷載布置原則。支臂主要承受軸心壓力，還承受主框架平面內(nèi)和主框架平面外的雙向彎矩作用，支臂發(fā)生雙向彎曲變形，這是平面體系無法體現(xiàn)的。

(4)縱梁、面板和底梁交匯處受力復雜，雖然通過計算能滿足要求，但考慮到實際制造安裝可能存在缺陷，運行中會存在地震荷載、破浪荷載、漂浮物沖擊等不可預知的荷載及長期鋼板銹蝕對強度的影響等因素，閘門設計中應特別注意這類復雜應力區(qū)域。

平面體系與有限單元法計算結(jié)果見表1。

表1 閘門主要構(gòu)件有限單元法計算結(jié)果與平面體系計算結(jié)果對比表

表1可知，平面體系與有限單元法兩種計算結(jié)果基本吻合，但存在10%～15%以內(nèi)的偏差，有限單元法能夠反映閘門整體各構(gòu)件的協(xié)同受力情況。對于空間效應較強的閘門僅僅從單一主框架去考慮是遠遠不夠的，還需要考慮弧門空間作用，既要反映水平“π”型框架作用，又要反映豎向支臂框架作用。

3.2.2變形結(jié)果

(1)閘門總位移。閘門最大位移出現(xiàn)在中部，在門體面板位置，最大位移8.291mm，頂橫梁最大位移6.5mm，上下主梁的位移分別是5.59mm和5.5mm。主梁跨中位移允許撓度為[f]=l/750=13.33mm，上下主梁剛度滿足規(guī)范要求。中部橫梁最大位移7.7mm，出現(xiàn)在跨中；縱梁及橫隔板最大徑向位移7.48mm，出現(xiàn)在跨中；支臂位移最大出現(xiàn)在第一道斜撐部位，最大位移7.1mm，上下支臂受壓變形位移4.78mm。閘門總位移如圖3所示。

(2)變形模式。對于閘門整體而言，閘門總位移最大出現(xiàn)在上下框架的中間面板梁格位置，其次變形發(fā)生在上部懸臂中段，主橫梁在跨中位置變形最大，向下游彎曲。主橫梁翼緣除發(fā)生彎曲變形外，還存在一定程度的扭曲變形。支臂發(fā)生壓縮變形，支臂在彎曲矩面內(nèi)發(fā)生彎曲變形，變形特征與理論吻合度高。閘門整體變形模式如圖4所示。

圖3 閘門綜合位移

圖4 閘門變形模式

4 流激振動試驗研究

4.1 模型設計

試驗的閘門門體及支臂結(jié)構(gòu)采用完全水彈性模型進行制作，并展開動水作用下閘門流激振動特性研究。全水彈性模型既滿足水動力學相似，同時滿足結(jié)構(gòu)動力學相似及流固耦合振動相似，能夠較好的預報閘門結(jié)構(gòu)的流激振動特性。

從本質(zhì)上講，閘門流激振動屬于水彈性振動范疇，在動水作用下的運行符合如下動力方程：

(1)

4.2 工作閘門振動加速度特征

為獲得閘門運行過程中的振動特性，在閘門的重點部位共布置8組三向振動加速度傳感器。在161、153.5、146.5m三級水位下出現(xiàn)的較大振動加速度均方根值見表2。

事實上，閘門全開一部分測點的優(yōu)勢能量集中在低頻段部分，大部分能量仍然集中在5Hz以內(nèi)，另一部分測點的能量分布較寬，在10～25Hz。一方面反映了水流的低頻作用，另一方面也可能是邊界的影響。從表2看出，事故閘門全開時，上游水位下降后，振動加速度也隨之降低。

閘門在設計水位161m高程下，門體與支臂振動加速度隨工作開度變化折線圖如圖5—6所示。

從圖5—6可以看出，上游水位161m，工作門局部開啟運行時，閘門門體上各點對應方向上的振動加速度均方根值大小接近，小開度及大開度(尤其是大開度工況)時出現(xiàn)較大的數(shù)值。測量范圍內(nèi)的較大的ρ向振動加速度均方根值為0.76m/s2，θ向振動加速度均方根值為0.31m/s2，z向振動加速度均方根值為0.43m/s2，除去一些大值后多數(shù)在0.3m/s2以內(nèi)。

表2 各級水位下出現(xiàn)的較大振動加速度均方根值 單位：m/s2

圖5 局部開啟門體振動加速度折線圖(單位:m/s2)

圖6 局部開啟支臂振動加速度折線圖(單位:m/s2)

閘門支臂上各點的振動加速度均方根值在大開度時出現(xiàn)較大的數(shù)值，且隨著相應流態(tài)變化而變化，其中z向上的測點振動加速度均方根值相對較其他兩個方向大。支臂ρ向振動加速度均方根值為0.36m/s2，θ向振動加速度均方根值為0.60m/s2，z向振動加速度均方根值多數(shù)在0.5m/s2以內(nèi)。

5 結(jié)論及建議

針對落久水利樞紐溢洪道超大型斜支臂弧形閘門進行了結(jié)構(gòu)設計、安全復核、振動試驗的系統(tǒng)性研究，得到了以下幾方面的結(jié)論，并在此基礎上提出幾點對應的設計意見。

(1)弧形閘門是一個受力復雜的空間薄板結(jié)構(gòu)，對于落久水利樞紐溢洪道弧形閘門這種高水頭、大孔口、總水壓力大，斜支臂支承的弧形閘門，采用有限單元法和平面體系方法分別計算了弧形閘門擋水工況下閘門的應力與變形，計算結(jié)果相似度高，閘門的應力、變形滿足規(guī)范要求。采用有限單元法計算，可以更準確地反映閘門的整體結(jié)構(gòu)及各構(gòu)件空間相互協(xié)調(diào)性。

(2)有限單元法計算時認為閘門主橫梁前翼緣與面板完全粘結(jié)，成為一個整體。閘門制作時一定要采取措施，保證主橫梁前翼緣與面板完全連接。由于支臂斜支臂扭曲的原因，支臂連接桿翼緣與支臂翼緣不在同一個平面，在放樣、焊接時要特別注意。邊縱梁底部有應力集中現(xiàn)象，此部位在安裝時要注意。

(3)基于水彈性模型的試驗研究表明，閘門工作振動優(yōu)勢頻率集中在0～5Hz，且閘門振動強度隨著水頭的降低而降低。工作閘門小開度和大開度(尤其嚴重)二個區(qū)間存在較大振動，建議運行中避開上述區(qū)間進行泄流。水封漏水引起的閘門振動是工程上經(jīng)常出現(xiàn)的現(xiàn)象。因此，水封材質(zhì)的選取因考慮其耐久性和抗磨損能力。此外，嚴格控制止水的材質(zhì)、制造及安裝精度，從而有效避免止水漏水誘發(fā)閘門振動。