峽江水利樞紐弧形閘門設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究

應(yīng)國華，楊貴海，徐禮鋒

（中鐵水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，江西 南昌，330029）

0 引言

峽江水利樞紐工程位于江西省吉安市峽江縣境內(nèi)贛江中游河段，壩址下游距峽江老縣城巴邱鎮(zhèn)6km，是一座以防洪、發(fā)電、航運(yùn)為主，兼顧灌溉等綜合利用的大（1）型水利樞紐工程。樞紐工程主要建筑物和布置：單線單級船閘布置于左岸；河床式電站廠房布置于右岸；18孔開敞式泄水閘位于河道主流區(qū)、船閘與電站廠房之間；左、右岸灌溉取水口布置在左、右混凝土重力壩壩身；魚道布置在電站廠房安裝間壩段右側(cè)；泄水閘檢修門庫布置在船閘和泄水閘之間。工程于2013年第一臺機(jī)組發(fā)電，2015年9臺機(jī)組全部發(fā)電，樞紐全部于2016年建設(shè)完成。分別獲2017～2018年度中國水利優(yōu)質(zhì)（大禹）工程獎(jiǎng)和2018～2019年度中國建設(shè)工程魯班獎(jiǎng)。本工程泄水閘工作閘門屬大（Ⅲ）型，接近超大型，為贛江上最大的泄水閘門，優(yōu)選合理的閘門、啟閉設(shè)備的型式和金屬結(jié)構(gòu)總體布置至關(guān)重要。曾智懌等[1]總結(jié)了泄水閘金屬結(jié)構(gòu)安裝質(zhì)量控制的幾點(diǎn)施工管理經(jīng)驗(yàn)，對關(guān)鍵技術(shù)和值得注意的問題進(jìn)行了分析，對安裝調(diào)試中出現(xiàn)的缺陷及故障等問題進(jìn)行了充分研究并提出了解決措施。冷濤等[2]以本工程為實(shí)例，利用有限元軟件對閘門結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力、自振特性、脈動(dòng)壓力頻譜等進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示，各工況條件下的閘門應(yīng)力均在材料強(qiáng)度的允許范圍內(nèi)，且閘門各方向的位移均較小，表明閘門結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度均可滿足設(shè)計(jì)要求。筆者分析了閘門運(yùn)行過程中可能存在的問題，并從設(shè)計(jì)角度提出了解決措施，最后通過模型試驗(yàn)加以論證。

1 泄水閘金屬結(jié)構(gòu)布置

泄水系統(tǒng)由18孔泄水閘組成，水閘為寬頂堰開敞型式，孔口尺寸16.0m×17.0m，閘底高程30.0m（黃海高程，下同），閘頂高程51.2m，水庫正常蓄水位46.0m，死水位44.0m，防洪高、設(shè)計(jì)、校核洪水位49.0m；壩下游校核（P=0.05%）洪水位 47.41m、設(shè)計(jì)（P=0.2%）洪水位46.62m。根據(jù)泄水閘擋水或控制泄量調(diào)節(jié)庫水位的功能要求，每孔閘設(shè)有一道工作閘門和啟閉設(shè)備，在工作閘門上、下游設(shè)置了2套檢修閘門和啟閉設(shè)備，在泄水閘左側(cè)設(shè)有門庫，布有臺車啟閉機(jī)用于檢修閘門的存放移位。泄水閘金屬結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

圖1 泄水閘金屬結(jié)構(gòu)布置圖

2 弧形閘門設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 工作閘門和啟閉設(shè)備型式

泄水閘主要功能是調(diào)節(jié)泄流量保持正常庫水位，當(dāng)洪水時(shí)全開工作閘門泄洪，確保擋水建筑物安全。工作閘門型式根據(jù)水工建筑物功能、運(yùn)行要求、水位條件和建筑物尺寸等基本要求，有適合兩門型可供選擇，一是平面鋼閘門，另為弧形鋼閘門。平面鋼閘門結(jié)構(gòu)簡單、制造安裝容易、不受下游水位影響、閘門整體剛度大可靠性高；但啟閉機(jī)工作橋高至少需要20.0m，設(shè)有閘門槽影響泄流，容易產(chǎn)生閘門振動(dòng)、氣蝕等。因此，最終設(shè)計(jì)選擇了弧形鋼閘門作為工作閘門方案，該型式閘門在泄水閘中使用最廣泛，也是設(shè)計(jì)規(guī)范推薦優(yōu)選的閘門型式，具有美觀、啟閉力小、泄流條件好等優(yōu)點(diǎn)。

弧形閘門啟閉設(shè)備通常有3種型式可供選擇，即前拉式固定卷揚(yáng)機(jī)，后拉式固定卷揚(yáng)機(jī)和液壓啟閉機(jī)。若采用前拉式固定卷揚(yáng)機(jī)，容量規(guī)模約2×2 000kN，啟閉機(jī)工作橋面高度至少需要10.0m，影響閘頂景觀，更重要的是啟閉機(jī)工作橋需要占用一定的閘頂長度影響交通橋和上游檢修閘門布置。又若采用后拉式卷揚(yáng)啟閉機(jī)，容量規(guī)模較大約2×4 000kN，卷揚(yáng)機(jī)導(dǎo)向定滑輪組安裝高程需要在閘頂上抬高約5.0m，影響閘頂景觀；重要的是啟門速度較慢難滿足開門速度要求。因此，設(shè)計(jì)方案選擇液壓啟閉機(jī)（QHLY 2×3 200kN-8.8m）。該機(jī)型不需設(shè)置啟閉機(jī)工作橋，具有結(jié)構(gòu)小巧便于布置、整體美觀、技術(shù)先進(jìn)和自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)。

弧形閘門底坎高程30.0m，孔口寬16.0m，閘門高17.0m。工作閘門的擋水位和運(yùn)行水位均為水庫正常蓄水位46.0m，對應(yīng)下游無水，總水壓力23 870kN。面板的曲率半徑R=21.0m，支鉸的安裝高程為45.50m。閘門結(jié)構(gòu)為雙主橫梁、“A”形斜支臂、自潤滑球鉸形式，主橫梁和支臂為箱形截面，材料為Q345B，上、下支臂的夾角分別為26.5度。閘門動(dòng)水啟閉，啟閉設(shè)備為QHLY-2×3 200kN液壓式啟閉機(jī)，油缸鉸座安裝高程為51.36m。每孔設(shè)一座控制及動(dòng)力泵站，泵站設(shè)在孔口左側(cè)閘頂。

2.2 弧形閘門運(yùn)行條件及可能存在的問題

弧形閘門底高程30.0m，閘頂高程51.2m。水庫上游校核（設(shè)計(jì)）洪水位49.0m、正常蓄水位46.0m；壩下游校核洪水位47.41m、設(shè)計(jì)洪水位46.62m。洪水時(shí)，泄水閘過閘洪峰流量大，最大泄量32 800m3/s，上、下游水位差較小，校核（設(shè)計(jì)）洪水位相差1.59（2.38）m。下游校核洪水位高于弧門支鉸1.91m，下游設(shè)計(jì)洪水位高于弧門支鉸1.15m。9臺機(jī)組發(fā)電尾水位36.61m高于閘門底坎6.61m，設(shè)計(jì)洪水淹沒底板深度16.62m。

鑒于上述水位條件，閘門經(jīng)常要在高淹沒度條件下啟、閉，局部開度運(yùn)行，水閘泄流條件極為復(fù)雜。可能存在的主要問題：①閘門局部開啟淹沒出流，閘門存在流激振動(dòng)；②設(shè)計(jì)洪水閘門全開泄流時(shí)，弧門支鉸和弧門支臂后端被水流淹沒沖擊，附加了沖擊荷載，對支鉸密封及軸承材料要求更高；③閘門全開泄洪時(shí)處在高位可能側(cè)向失穩(wěn)，對支臂的選型及側(cè)軌高度和安裝精度提出了更高要求；④上游未設(shè)置事故閘門，對工作閘門可靠性要求更高。因此，工作閘門結(jié)構(gòu)的可靠性直接關(guān)系到整個(gè)樞紐工程運(yùn)行的安全性，為了確保閘門結(jié)構(gòu)安全可靠，針對上述可能存在的問題，設(shè)計(jì)過程中采取了“A”形箱式支臂結(jié)構(gòu)形式及工程措施。除上述相關(guān)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)設(shè)計(jì)外，還針對閘門結(jié)構(gòu)和布置型式的最終方案，和河海大學(xué)合作進(jìn)行了有限元數(shù)值分析、水力學(xué)及流激振動(dòng)模型試驗(yàn)研究。2.3“A”形箱式支臂結(jié)構(gòu)

目前國內(nèi)外常采用的弧形閘門支臂結(jié)構(gòu)形式主要有3種：一是桁架結(jié)構(gòu)；二是“∧”形結(jié)構(gòu)；三是“A”形結(jié)構(gòu)。桁架結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)使用最廣泛的、也是最成熟的形式。但桁架結(jié)構(gòu)的構(gòu)件及焊接節(jié)點(diǎn)較多，構(gòu)件受力不明確，制造、安裝較麻煩；以往表孔弧形閘門出現(xiàn)事故大多原因是支臂設(shè)計(jì)單薄，穩(wěn)定性不夠；“∧”形和“A”形結(jié)構(gòu)傳力簡潔、明確，制造、安裝方便；這兩種結(jié)構(gòu)尚屬探索性使用，工程實(shí)例不多。本工程弧形閘門采用“A”形斜支臂的基礎(chǔ)上，支臂設(shè)計(jì)為全封閉箱形截面，以配合液壓啟閉機(jī)布置方案，并滿足流激振動(dòng)時(shí)支臂的穩(wěn)定及可靠度要求，詳見圖2。

圖2 支臂結(jié)構(gòu)圖

支臂為一偏心受壓桿件，除應(yīng)滿足強(qiáng)度、局部穩(wěn)定要求外，還應(yīng)在外力作用下，不失去其整體穩(wěn)定。支臂失穩(wěn)形態(tài)有兩種可能情況：一是在彎矩作用平面內(nèi)，因外力過大以致外力和構(gòu)件內(nèi)力不能繼續(xù)保持靜力平衡，使彎矩變形急劇增加而失去穩(wěn)定。一是彎矩作用平面外，即垂直彎矩作用的平面，構(gòu)件以彎扭變形而失去穩(wěn)定。因此支臂必須進(jìn)行彎矩作用平面內(nèi)和外的穩(wěn)定驗(yàn)算。不管是那種支臂結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度和彎矩作用平面內(nèi)、外的穩(wěn)定計(jì)算方法、公式、構(gòu)件參數(shù)取值等是相似的。這些內(nèi)容在有關(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)手冊中均有明示。本工程弧形閘門“A”支臂結(jié)構(gòu)的主要特性參數(shù)、控制工況的內(nèi)力及穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 支臂結(jié)構(gòu)特性參數(shù)表

2.4 自潤滑關(guān)節(jié)軸承

弧形閘門的支鉸承受全部水壓力、部分啟閉力和門重，將荷載傳至閘墩并保證閘門能繞水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)斜支臂角度的大小，支鉸結(jié)構(gòu)形式主要有三種：圓柱鉸，圓錐鉸和球鉸，傳統(tǒng)的軸套材料為青銅和膠木；自潤滑關(guān)節(jié)軸承具有自潤滑性能、可以任意方向轉(zhuǎn)動(dòng)、可同時(shí)承受徑向和橫向荷載，又具有承載力高、摩擦系數(shù)小、少維護(hù)、使用壽命長等特點(diǎn)，尤其是能夠長期浸泡在水中工作。

結(jié)合弧形閘門使用條件：支鉸荷載大、軸承摩擦面上速度低（線速度0.001m/s以下）、有一定的側(cè)推力、設(shè)計(jì)洪水全開泄流時(shí)被水流淹沒，本工程選用GEH型關(guān)節(jié)軸承，設(shè)有密封裝置和油槽，以提高其性能、防止沙塵進(jìn)入；關(guān)節(jié)軸承內(nèi)徑560mm，技術(shù)參數(shù)為：靜荷載 4 043.2t，動(dòng)荷載 2 234.4t，最大摩擦系數(shù) f＜0.12，自潤滑層≥10mm，其它尺寸應(yīng)符合圖紙要求。

2.5 門槽頂部活動(dòng)式側(cè)軌

針對閘門全開泄洪時(shí)處在高位可能側(cè)向失穩(wěn)，在門槽頂部采用活動(dòng)式側(cè)軌，當(dāng)閘門運(yùn)行至正常蓄水位時(shí)可以確保閘門每側(cè)至少有兩個(gè)側(cè)輪仍留在閘槽里，對閘門的側(cè)向穩(wěn)定作用極大；當(dāng)閘門側(cè)輪需要檢修或更換時(shí)拆除側(cè)軌的活動(dòng)部分即可。

活動(dòng)式側(cè)軌沿側(cè)輪軌跡中心線總長2 640mm，由上中下三部分組成，上、下為固定部分，中間為活動(dòng)部分；上部與鎖定裝置的埋件焊成整體，下部與原側(cè)軌對接，中間活動(dòng)部分與上下兩部分采用螺栓固定，詳見圖3。

圖3 活動(dòng)式側(cè)軌

活動(dòng)式側(cè)軌與弧形閘門同時(shí)安裝，在安裝過程中活動(dòng)式側(cè)軌可以調(diào)整其相對位置，通過在安裝現(xiàn)場與安裝人員交流，閘門運(yùn)行安全平穩(wěn)與側(cè)軌的精準(zhǔn)安裝關(guān)系密切；前六孔弧門安裝時(shí)曾出現(xiàn)困難，通過加強(qiáng)側(cè)軌的安裝精度及增加活動(dòng)式側(cè)軌以后，后十二孔的安裝非常順利。

2.6 電動(dòng)推桿式鎖定裝置

設(shè)計(jì)洪水閘門全開泄流時(shí)，弧門支鉸和弧門支臂后端被水流淹沒沖擊，閘門每側(cè)只有一個(gè)側(cè)輪留在閘槽里，對閘門的側(cè)向穩(wěn)定不利；另外由于弧門支臂較長，閘門全開后其自重產(chǎn)生的力矩較大，長時(shí)間的開啟對液壓啟閉機(jī)的液壓系統(tǒng)穩(wěn)定不利。為避免上述不利情況在閘墩頂設(shè)電動(dòng)推桿式鎖定裝置，鎖定梁為電動(dòng)插入式結(jié)構(gòu)，操作靈活、安全可靠。

3 水力學(xué)模型試驗(yàn)

3.1 水力學(xué)模型試驗(yàn)

根據(jù)運(yùn)行條件擬定試驗(yàn)工況如表2。

表2 弧形閘門試驗(yàn)工況

試驗(yàn)研究時(shí)，建立水力學(xué)物理模型，進(jìn)行水力學(xué)模型試驗(yàn)；對整個(gè)閘門結(jié)構(gòu)建立三維有限元模型，進(jìn)行有限元靜力計(jì)算分析，得到應(yīng)力應(yīng)變指標(biāo)；并建立包含閘門及一定范圍水體的三維有限元模型，數(shù)值分析水體與結(jié)構(gòu)相互作用的閘門結(jié)構(gòu)自振特性，根據(jù)模型試驗(yàn)測定的水流脈動(dòng)壓力數(shù)據(jù)，對閘門進(jìn)行動(dòng)力分析。試驗(yàn)、計(jì)算和分析主要結(jié)果如下：

（1）閘下水位較低的自由出流工況（工況9、10）時(shí)，閘下的水躍漩滾對閘門沒有沖擊等不利影響。在淹沒出流狀態(tài)：上下游水位差較小時(shí)，閘門上下游水流平穩(wěn)，水面波動(dòng)較小，過閘水流沒有在閘門后形成明顯的漩滾；上下游水位差較大，當(dāng)閘門開啟高度較小時(shí)（小于孔口高度的20%），上下游水流仍然較平穩(wěn)，水面波動(dòng)不大，閘門后漩滾較弱；當(dāng)開啟高度較大時(shí)（工況4、7，約孔口高度的50%），上下游水流波動(dòng)劇烈，閘門后形成明顯的強(qiáng)烈漩滾，而且水流漩滾對閘門有明顯的拍擊作用；

（2）閘門上下游面板的時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)總體上呈底部大、上部小、上游大、下游小的規(guī)律分布，上下游時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)差值較大（33～47kPa）出現(xiàn)在工況4、9和10門底緣處（對應(yīng)高程34.15m），結(jié)果表面動(dòng)水壓強(qiáng)小于閘門相應(yīng)擋水靜水壓強(qiáng)；

（3）閘門啟閉過程中，相同開度條件下啟門力大于閉門力。閘門開啟過程中總體上啟門力隨著開度的增加而增加，在開度0.6附近啟門力達(dá)到最大值，之后啟門力稍有減小后再有所增加。最大啟門力出現(xiàn)在工況4的0.6開度，啟門力為3 145kN，沒有超過啟閉機(jī)的容量（3 200kN)；

（4）閘門擋水開啟瞬時(shí)最大啟門力出現(xiàn)在工況9（上游水位47.0m，下游水位33.0m），最大啟門力為3 169kN；

（5）隨著閘門擋水水位的升高，支鉸推力也隨之增加，相同上游水位，支鉸推力隨下游水位的升高而減小；

（6）閘門擋水啟閉瞬時(shí)支鉸推力比相應(yīng)擋水工況有較大的增加，實(shí)測最大支鉸推力為12 475kN（上游水位47.00m，下游水位30.00m），設(shè)計(jì)支鉸推力為17 800 kN；

（7）閘門啟閉過程中支鉸推力總體上不大，支鉸推力基本一致，同一開度條件下，上下游水位差對支鉸推力的影響較顯著。

（8）為了減小閘門支鉸推力，運(yùn)行中盡量在擋水位較低或者水位差較小時(shí)啟閉閘門。

3.2 安全性結(jié)論和建議

試驗(yàn)、計(jì)算和分析結(jié)果表明，弧形工作閘門結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定滿足規(guī)范要求；啟閉機(jī)容量滿足運(yùn)行要求；閘門不會產(chǎn)生共振和危害性破壞。因此，閘門結(jié)構(gòu)是安全可靠的。

當(dāng)上游水位49.0m對應(yīng)下游水位44.0m～45.5m，閘門開啟開度約為孔口高度的50%時(shí)，上、下游水流波動(dòng)劇烈，閘門后形成明顯的強(qiáng)烈漩滾，而且水流漩滾對閘門有明顯的拍擊作用。因此，建議閘門運(yùn)行時(shí)，盡可能避開在此水位范圍對應(yīng)約50%開度區(qū)域停留。盡量在擋水位較低或者水位差較小時(shí)啟閉閘門。

4 結(jié) 語

峽江水利樞紐工程發(fā)電引水和泄水系統(tǒng)閘門及啟閉設(shè)備安裝完成后經(jīng)過了安全鑒定、驗(yàn)收和高水位條件下運(yùn)行的檢驗(yàn)。檢驗(yàn)情況和結(jié)果表明閘門和啟閉設(shè)備選型和布置合理、經(jīng)濟(jì)，結(jié)構(gòu)安全。壩頂、閘頂簡潔美觀，啟閉設(shè)備先進(jìn)、自動(dòng)化程度高，人性化設(shè)計(jì)，管理和維護(hù)方便。針對泄水系統(tǒng)工作閘門結(jié)構(gòu)和布置進(jìn)行了數(shù)值分析、水力學(xué)及流激振動(dòng)模型試驗(yàn)研究，從而大大降低了工程的安全風(fēng)險(xiǎn)。