蘇丹上阿溢流壩表孔弧門加裝翻板門的設(shè)計與應(yīng)用

楊娟麗

(中國水利電力對外有限公司，北京 100120)

蘇丹上阿特巴拉水利樞紐項目(the Dam Complex of Upper Atbara Project)位于蘇丹東部的卡薩拉州與加達(dá)里夫州交界處，距首都喀土穆公路約460 km。該項目由位于Atbara河的Rumela(C1-A標(biāo))和位于Setit河的Burdana(C1-B標(biāo))兩座大壩及其附屬工程組成，該樞紐主要功能為灌溉和供水，并兼顧發(fā)電。項目建成后，將形成兩條河流聯(lián)通的一個約30億m3庫容的水庫，灌溉面積達(dá)50萬公頃，為當(dāng)?shù)丶爸苓?00萬人口解決灌溉用水問題，為300萬人口提供飲用水保障，為上百萬人提供電力供應(yīng)，蘇丹三分之一的人口將因此直接受益。對于促進蘇丹經(jīng)濟發(fā)展、改善當(dāng)?shù)厝嗣裆罹哂兄匾膽?zhàn)略意義。

發(fā)電廠房位于Rumela(C1-A標(biāo))大壩右岸下游，為壩后式廠房。電站裝有4臺混流式水輪發(fā)電機組，總裝機容量320 MW，四條直徑為8.8 m的壓力鋼管引水至水輪發(fā)電機組。

上阿特巴拉水利樞紐工程C1-A和C1-B標(biāo)金屬結(jié)構(gòu)由廠房進水口、溢流壩、泄洪底孔及尾水系統(tǒng)的攔污柵和閘門組成，C1-A標(biāo)還包括壓力鋼管，兩標(biāo)啟閉設(shè)備由門機和液壓啟閉機組成。其中C1-A標(biāo)溢流壩表孔設(shè)置1孔弧形工作閘門，C1-B標(biāo)溢流壩表孔設(shè)置2孔弧形工作閘門，兩標(biāo)的弧門起升設(shè)備均為液壓啟閉機。

1 一體化表孔弧門設(shè)計方案

為實現(xiàn)蘇丹上阿特巴拉水利樞紐蓄水和泄洪功能，在C1-A和C1-B標(biāo)段均設(shè)計了表孔溢流壩段，上設(shè)弧形閘門。我們在分析水利樞紐的運行實際時發(fā)現(xiàn)，泄水閘門還需要滿足調(diào)節(jié)水庫的上游水位、排泄水面漂浮物等多種功能，這就需要弧形工作閘門長期在小開度開啟狀態(tài)下工作，一方面會影響弧門的使用壽命，增加維修和檢修工作量；另一方面又難以實現(xiàn)水面漂浮物的排泄。為此我們與咨詢經(jīng)過多次溝通研究，經(jīng)過對弧門面板厚度、實際過流能力、翻板門鎖定機構(gòu)形式、液壓啟閉機起升量、超高運輸及分節(jié)安裝等實際問題深入探討，提出了弧形閘門門葉上加裝弧形翻板門的一體化設(shè)計方案[1]。

弧門結(jié)構(gòu)按雙主橫梁斜支臂布置，為增加弧門剛度和整體穩(wěn)定性，梁系采用實腹式齊平連接。翻板門的側(cè)邊和底邊與弧形閘門止水配合。弧門頂部鉸接的翻板門由單獨的液壓啟閉機操作[2]。表孔弧門和翻板門結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 弧門和翻板門結(jié)構(gòu)圖

表孔弧門和翻板門的設(shè)計是從結(jié)構(gòu)強度、剛度和穩(wěn)定性出發(fā)，要確保質(zhì)量，做到技術(shù)先進、經(jīng)濟合理和運行安全可靠。首先綜合考慮了支鉸高程的合理設(shè)置，因為弧門支鉸的位置直接影響到弧門承受的總水壓力、面板弧長、閘門自重，進而影響液壓啟閉機的容量；其次是液壓缸上懸吊點位置的合理選擇，這直接關(guān)系到弧門啟閉力的大小、閘門能否落到底坎或能否開啟到設(shè)計高程；再次是弧門主框架懸臂長度的合理取值，因為合適的懸臂長度可以平衡設(shè)計荷載條件下主框架的內(nèi)力值，這樣可充分發(fā)揮鋼材的性能，節(jié)省鋼材[3]。只有遵循上述設(shè)計原則，才能達(dá)到技術(shù)可行、經(jīng)濟合理的目的。

2 弧門和翻板門設(shè)計計算

2.1 采用的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

由于本項目咨詢單位為德國拉美爾工程咨詢公司(Lahmeyer International)，因此弧門和翻板門的設(shè)計計算采用以下德國、歐洲標(biāo)準(zhǔn)及日本標(biāo)準(zhǔn)：

DIN 19704-1，水工鋼結(jié)構(gòu)第1部分：設(shè)計和計算標(biāo)準(zhǔn)。

DIN 19704-2，水工鋼結(jié)構(gòu)第2部分：設(shè)計和制造。

DIN 18800-1，鋼結(jié)構(gòu)第1部分：設(shè)計和結(jié)構(gòu)。

DIN 18800-2，鋼結(jié)構(gòu)第2部分：線性構(gòu)件和框架翹曲安全性分析。

DIN 18800-3，鋼結(jié)構(gòu)第3部分：鋼板翹曲的穩(wěn)定性分析。

JIS，閘門和壓力管道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 設(shè)計材料及標(biāo)準(zhǔn)

溢流壩表孔弧門和翻板門由弧門門葉、翻板門門葉、支臂裝置、支鉸裝置、側(cè)輪裝置及附件(扶手、爬梯)等組成。主要材料為Q345B和1Cr18Ni9，支鉸材料采用鑄鋼ZG310-570，支鉸軸采用40Cr。

弧門和翻板門所用材料遵照國際標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，和中國標(biāo)準(zhǔn)等同的材料標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)表見表1。

表1 材料標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)表

2.3 設(shè)計計算

設(shè)計計算至關(guān)重要。根據(jù)上述設(shè)計原則，在擬定閘門梁格布置和相應(yīng)構(gòu)件尺寸的基礎(chǔ)上，根據(jù)閘門孔口的性質(zhì)和相關(guān)參數(shù)，計算梁格所受荷載，驗算門葉厚度，次梁、隔板的結(jié)構(gòu)強度和剛度。進行主橫梁框架結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算和穩(wěn)定性計算，對閘門的啟閉力進行核算，確定啟閉機的容量，驗算吊耳孔和支鉸強度。

為了設(shè)計出弧門和翻板門的合理尺寸及容量滿足要求的啟閉設(shè)備，需要對以下方面進行一系列的結(jié)構(gòu)力學(xué)計算，具體包括弧門的主橫梁布置、框架荷載、主橫梁總水壓，支鉸座中心壓力、最大開度、支臂裝配應(yīng)力、鎖扣安全分析、起升設(shè)備、弧門重心、弧門操作力及絞座等，以及翻板門主水平梁、旋轉(zhuǎn)鉸鏈及起升設(shè)備等方面的計算。

以C1-A標(biāo)弧門為例，主要計算成果匯總表見表2。

表2 弧門主要計算成果匯總表 MPa

由表2計算結(jié)果可知，各項計算結(jié)構(gòu)的強度和剛度均在容許范圍內(nèi)，且滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定要求，證明我們所擬定的閘門結(jié)構(gòu)尺寸是合理的。表孔弧門和翻板門選用的液壓啟閉機均滿足啟閉要求。C1-A標(biāo)和C1-B標(biāo)溢流壩表孔弧門和翻板門及液壓啟閉機參數(shù)見表3。

表3 C1-A標(biāo)和C1-B標(biāo)溢流壩表孔弧門和翻板門及液壓啟閉機參數(shù)表

2.4 設(shè)計優(yōu)化

設(shè)計計算完成后，還需結(jié)合加工制作過程的實際情況，對弧門和翻板門進行設(shè)計優(yōu)化。例如，翻板門止水埋件使用的是安裝在弧門門葉結(jié)構(gòu)上的兩道箱型梁，為保證整體剛度需要在加工時對箱型內(nèi)部進行優(yōu)化設(shè)計，布置加強筋板。對弧門門葉爬梯、弧門支鉸座埋件錨筋及翻板門側(cè)擋分節(jié)等局部設(shè)計進行優(yōu)化。

優(yōu)化后的一體化閘門不僅各主要構(gòu)件的強度和剛度滿足設(shè)計要求，而且結(jié)構(gòu)空間布局合理，外觀緊湊，操作靈活，大大減少了弧門的小開度啟閉次數(shù)，減少了弧門的振動和止水的磨損，保證了弧門的正常運行實效。

3 設(shè)計優(yōu)點

將表孔弧形閘門門葉設(shè)計為“凹”字型，上面加裝弧形翻板門，組成一體化弧門形式，并配置不同啟閉力的液壓啟閉機來單獨操作運轉(zhuǎn)弧門和翻板門。此種設(shè)計可根據(jù)水庫實際水位調(diào)度需要，靈活啟閉弧門或翻板門，自動化控制程度高，功能上各盡其用，運轉(zhuǎn)安全也大為提高。同時可降低弧形工作閘門小開度開啟的頻率，避免弧門高頻率的小開度開啟而產(chǎn)生的傾斜、振動及止水磨損等問題，降低門槽氣蝕幾率，消除安全運行隱患。已安裝的C1-A標(biāo)和C1-B標(biāo)表孔弧門和翻板門見圖2。

圖2 已安裝的C1-A標(biāo)和C1-B標(biāo)表孔弧門和翻板門圖

4 結(jié) 語

在有限的水工結(jié)構(gòu)空間內(nèi)，通過創(chuàng)新設(shè)計方法，在溢流壩表孔弧門上部開凹槽，加裝翻板門，形成一體化弧門形式，實現(xiàn)弧門和翻板門兼具的泄洪、蓄水、控制水庫上游水位以及排漂等多種功能。與常規(guī)的表孔弧門和翻板門相比，提高了操作靈活性，提高了自動化控制程度，簡化了結(jié)構(gòu)布置，降低了投資成本。本項目C1-A標(biāo)和C1-B標(biāo)溢流壩表孔弧門的一體化設(shè)計為表孔弧門的設(shè)計和應(yīng)用提供了新的思路，應(yīng)用前景廣闊。

C1-A標(biāo)和C1-B標(biāo)溢流壩弧門和翻板門安裝完成后經(jīng)試驗、驗收，各項技術(shù)指標(biāo)均滿足設(shè)計和使用要求，值得推廣應(yīng)用。