大藤峽泄水閘金屬結構關鍵技術研究

袁 偉，范小付，其其格

(1.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130021；2.廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責任公司，廣西 南寧 530200)

1 工程概述

大藤峽水利樞紐是一座以防洪、航運、發(fā)電、補水壓咸、灌溉等綜合利用的大型水利樞紐工程。樞紐建筑物包括擋水壩、泄水閘、船閘、河床式發(fā)電廠房、魚道、生態(tài)泄水建筑物、灌溉取水口及開關站等[1]。水庫正常蓄水位為61.0 m，汛期洪水起調水位和死水位為47.6 m，防洪高水位和1 000年一遇設計洪水位為61.0 m，5 000年一遇校核洪水位為61.1 m，防洪庫容和調節(jié)庫容均為1.5×109m3，電站裝機容量8×200 MW(左岸廠房3臺機組，右岸廠房5臺機組)。金屬結構設備主要布置在泄水閘、發(fā)電系統(tǒng)、航運系統(tǒng)、灌溉和生態(tài)系統(tǒng)及魚道系統(tǒng)等部位，其中泄水閘設在黔江主壩，共26孔泄洪設備[2]。

2 泄水閘金屬結構布置

大藤峽泄水閘布置在黔江主河床偏左岸，泄水孔分別布置在碾壓混凝土縱向圍堰壩段兩側，左側設20個低孔和1個高孔，右側設1個高孔和4個低孔。高孔主要滿足泄洪和排漂功能，采用開敞式實用堰，堰面采用WES冪曲線[3]，在堰頂附近設有1道平面定輪事故閘門及1道弧形工作閘門。低孔主要滿足泄洪和排沙功能，堰頂高程與開挖后河床底高程相差不多，有利于排沙，順水流方向依次設有潛孔式平面事故閘門及弧形工作閘門。高、低孔弧門采用斜拉式液壓啟閉機操作，事故閘門均采用壩頂2×2 500 kN雙向門機操作，事故閘門門槽均采用Ⅱ型門槽[4]。低孔工作閘門下游設1道浮箱式檢修閘門，平時存放在專用門庫內，工作時采用拖船進行操作。泄水閘壩段金屬結構平面布置見圖1。

圖1 大藤峽泄水閘壩段平面布置

3 金屬結構關鍵技術研究

大藤峽泄水閘孔數多，尺寸大，防洪調度控泄要求高，運行工況十分復雜。特別是二期導流期間，左岸僅3臺機組發(fā)電，要求閘門在任意開度下均勻局部開啟控制下泄流量，幾乎全年參與控泄，運行特別頻繁。復雜惡劣的水力條件、巨大的擋水荷載以及頻繁的操作，而工作弧門的安全運行直接關系著整個工程的安全運行，因此必須重視閘門水力特性以及設備的結構設計。通過借鑒已建工程經驗，采取有限元分析與模型試驗相互驗證的技術路線，著重對泄水閘事故門槽型式的選擇、弧形工作閘門局開水力條件及振動特性、低孔弧門的支承體選型等關鍵技術問題進行研究。

3.1 高、低孔事故閘門門槽形式選擇

作為平面閘門的行走和支承結構，門槽是必不可少的。然而，門槽的存在又引來了一系列的水力學問題，水流經過門槽時會出現(xiàn)復雜的分離流現(xiàn)象，不僅使阻力增加、脈動增強，更重要的是易在槽內和下游形成空化，甚至空蝕。門槽一旦空蝕，輕則出現(xiàn)麻點、蜂窩，重則導致閘門操作失靈，危及工程安全[5]。特別是泄洪系統(tǒng)，深孔流速大，水流空化數??；表孔雖然水頭不高，但門槽不同于一般水洞試驗中的二維凹槽流動，具有2個顯著的特點：①流動形式為堰頂自由溢流；②流動同時受曲底、門槽、以及閘墩的影響，具有很強的三維性[6]。本工程參考已建工程并結合水工模型試驗確定了初生空穴數值較低的Ⅱ型門槽的相關參數，降低了門槽體型不佳導致的空蝕風險。

3.2 高孔弧形工作閘門流激振動試驗研究

泄洪閘高孔弧形工作閘門孔口寬度14.0 m，高度26.5 m，按正常蓄水位61.00 m設計，設計水頭26 m，弧門面半徑32.0 m，靜水總壓力49 619 kN?；￠T采用QHLY-2×5000 kN液壓啟閉機[7]操作?；⌒喂ぷ鏖l門為三主橫梁、三斜支臂結構，由門葉結構、支臂結構、水封裝置、側輪裝置、支鉸裝置組成，支臂與門葉、支臂與支鉸之間均采用螺栓聯(lián)接，支承體結構采用預應力鋼筋混凝土結構[8]。該弧形工作閘門有局部開啟控泄要求，另外弧門下游水位較高，弧門在局部開啟工況下存在淹沒出流情況，水力學條件差，弧門局部開啟時在水流脈動壓力的激勵下，可能出現(xiàn)有害的流激振動，這種振動對門葉結構、啟閉機系統(tǒng)均會帶來不利影響，因此有必要對弧門的水力特性及流激振動特性進行系統(tǒng)的模型試驗[9]及數值模擬研究，以全面掌握工作弧門在不同特征運行水位和開度下的水力特性與流激振動特性，為弧門結構設計和運行管理提供依據，使工作弧門的結構布置合理，保證運行安全。泄水閘高孔金屬結構設備布置見圖2。

圖2 大藤峽泄水閘高孔金屬結構布置(m)

泄水高孔弧形工作閘門三維有限元分析按工作弧門全關擋水工況(擋水水頭26 m)進行了計算模擬。在全關擋水工況下，閘門結構的主要應力不超過140.0 MPa。在弧門吊耳下方靠近底緣部位的縱橫梁交接處位置，出現(xiàn)應力極大的現(xiàn)象，極值應力產生的原因主要是結構存在應力集中現(xiàn)象。這些極值應力并不影響構件的整體受力狀態(tài)。最大合位移為15.27 mm(弧門門葉頂部位置)。

泄洪高孔工作弧門水力相似模型按照重力相似準則設計，水彈性相似模型按水彈性相似的要求設計制作，模型幾何比尺為1∶28。試驗中觀測了不同上游水位及下游水位閘室段及下游一級消力池內的水流流態(tài)。總體上看，當閘門開度小于5 m時，閘門上下游水面平靜，波動較小，消力池靠下游部位出現(xiàn)向上涌動水流，并且隨開度增大，涌動水流強度也隨之增強；當閘門開度在5～11 m時，閘門前后水面出現(xiàn)波動，閘門前出現(xiàn)未貫穿漏斗形漩渦，門槽內出現(xiàn)立軸漩渦，同樣隨著閘門開度增大，水面波動也隨之增大，消力池后部涌動水流較為強烈；當閘門開度大于11 m時，閘門前水面強烈波動，出現(xiàn)不穩(wěn)定串通型漏斗漩渦，門槽內出現(xiàn)強烈立軸漩渦，一直深入到門槽底部，閘門后為自由出流，表層水流強烈翻滾，大量摻氣，水流上層呈白色摻氣水體，消力池內上游端水面波動劇烈，下游端水流涌動強烈；當閘門開度大于16～18 m時，閘室段由閘孔出流過渡到自由堰流。

圖3 閘門開度11 m時的閘室段流態(tài)

通過對泄洪高孔工作弧門有限元模型靜動力計算分析、門體及門槽段動水壓力測量分析以及門體動應力、加速度及位移響應測量分析，大藤峽高孔工作弧門在不同組合試驗工況下，閘門結構的強度和剛度滿足設計和規(guī)范要求，其振動也屬于微小量級，振動位移均方根值小于0.16 mm，但在模型試驗中觀測到部分運行工況弧門上游來流流態(tài)比較紊亂，漏斗型漩渦的頻次高、強度大，事故閘門門槽內的漩渦強度較大，實際運行應盡量避免弧門在較大開度運行時漩渦、水面大幅波動等不良流態(tài)帶來的不利影響。工作弧門大開度運行時，事故門槽脈動壓力均方根最大值達到57.4 kPa，門槽存在瞬時空化的可能，實際工程運行過程中應密切關注該部位運行情況[10]。

3.3 低孔弧形工作閘門流激振動試驗研究

低孔流道采用帶胸墻寬頂堰，為壓力段進口形式，堰頂高程22.00 m，孔寬9 m，孔高18 m，上游設雙胸墻，胸墻最低處底高程為40.00 m。低孔采用兩孔一聯(lián)的結構分縫型式，邊墩厚度4.0 m，中墩厚度5.3 m，壩段長31.3 m。工作閘門采用主縱梁三支臂弧形閘門、設計水頭39 m，面板半徑33 m，總水壓力58 837 kN，支鉸高程47.00 m，閘門采用雙缸后拉式液壓啟閉機操作。

低孔泄洪閘弧形工作門作為重要泄洪設備對確保低孔泄水閘的正常運行乃至整個水利樞紐的安全運行具有極為重要的作用。閘門水力學試驗的主要目標在于全面掌握閘門運行過程中的各種水力參數，論證原設計閘門體型的合理性，對存在問題提出相應改善措施，以確保閘門結構的運行安全。泄水閘低孔金屬結構設備布置見圖4。

圖4 大藤峽泄水閘低孔金屬結構布置(水位：m)

主壩泄水低孔孔口尺寸很大、水頭較高，工作閘門上下游水位變幅大，上游進口漩渦、封閉氣囊可能會對閘門結構產生不利動力作用，以及下游水躍對弧形閘門支臂、面板等局部結構和整體結構的沖擊作用，以及由此導致的結構強烈振動問題。同時，該閘門的設計泄水流量較大，有局部開啟控泄要求，門后水位變幅大，閘下出流經歷深度淹沒出流、淹沒出流、臨界出流(臨門水躍)、自由出流(遠趨式水躍)等，水閘流態(tài)復雜，閘門結構承受水動力荷載變化復雜多變，流態(tài)復雜。泄水低孔弧形工作閘門流激振動試驗主要測試閘門時均動水壓力荷載和由于上游水流脈動和下泄水流的扯動及水封漏水而引起的壓力脈動荷載。從試驗的角度驗證閘門在水壓力作用下動力安全問題，確保閘門結構安全運行。

單孔泄水試驗時，發(fā)現(xiàn)當弧形工作閘門開度位于no=0.7～0.8大開度范圍時閘室出現(xiàn)強烈翻滾水躍，沖擊閘門支鉸大梁，閘門運行時需避開該類運行工況，以免引起閘室閘墩結構和閘門結構的強烈振動而破壞。

圖5 庫水位61.0 m、下游水位46.41 m底孔泄流流態(tài)(no=0.8)

運行調度上，可按如下方式進行閘門開啟操作：①在宣泄設計等大流量洪水時采用閘門全開運行；②在非汛期需要進行泄洪閘弧形閘門調控泄流時，可考慮閘門在相對開度no=0.6以下作局部開啟運行；③在非汛期、泄流量位于所有閘孔全開與所有閘孔開度no=0.6以下的區(qū)間內時，可采用閘孔間隔、閘門全開運行方式進行開啟操作。

閘門結構流激振動試驗結果表明：低孔閘門結構下游處于深度淹沒狀態(tài)，閘門振動位移量較大，具有低頻大振幅振動特征，尤以側向和切向振動為大。因此，設計時增設了閘門結構側向滾輪(需要精加工)，并保持與兩側導軌(嚴格控制制作和施工安裝精度)的緊密接觸，使之起到閘門側向振動約束作用[11]。

3.4 低孔弧形工作閘門支承結構研究

3.4.1支承結構選型

主壩泄水低孔弧門總推力為66 800 kN，根據弧門推力選用預應力閘墩。國內已建或在建工程泄水建筑物大型弧門預應力混凝土閘墩的支承結構型式主要有錨塊式和深梁式2種[12]。國內部分已建工程泄水建筑物弧門支承體結構特性見表1。

表1 國內部分已建同類工程支承體結構特性

泄水閘共設26孔泄洪設備，受溢流前緣寬度及基礎條件限制，低孔采用兩孔一聯(lián)的布置型式，弧門支承體如采用混凝土錨塊型式，為滿足邊墩錨塊次錨索的布置要求，需加寬邊墩的尺寸，致使泄水壩段寬度加大，溢流前沿寬度增加，對施工導流設施的縱向混凝土圍堰的位置影響較大，投資變化相應增大?？紤]到孔口跨度不大，采用鋼梁式支承體系可取消次錨索，也能改善閘墩的受力狀態(tài)，不會增加泄水壩段寬度，不會影響施工導流布置方案。因此，弧門支鉸的支承結構采用單跨支承鋼梁。

3.4.2支承結構設計分析

將支承鋼梁作為弧形閘門的支承體在國內尚屬首次，設計上給與了足夠的重視，鋼梁設計成果應保證足夠的強度、剛度及穩(wěn)定性并留有適當的安全裕度。該鋼梁主要受力截面采用箱型梁截面，支承跨度為11 400 mm，端部通過預應力錨索固定于閘墩上?；￠T推力傳遞至鋼梁引起的彎應力及剪應力主要由鋼梁箱型截面承擔。集中荷載位置，如弧門支鉸與鋼梁連接處以及鋼梁端部受預應力錨索緊固處分別設置小截面梁格和傳力隔板來擴散過渡集中應力，使受力更加均衡合理。

通過ANSYS軟件建立鋼梁三維有限元模型，分析比較了鋼梁在正常蓄水位(雙側弧門全關)、正常蓄水位(一側過水、一側全關)、施工張拉期、檢修、地震以及校核洪水等工況下的應力、變形狀態(tài)，對鋼梁體系各構件的強度、剛度、穩(wěn)定等進行分析研究。支承鋼梁為薄壁組合截面，跨度與高度的比值比較小，屬于深梁范圍，剪切變形對力學性能的影響比較大，因此在建立鋼梁有限元模型時，選擇了考慮剪切變形的SHELL181單元。通過計算分析，確定正常蓄水位(一側過水、一側全關)為控制工況，主要研究右孔閘室流道關門、左孔閘室流道開門情況下在結構自重、靜水壓力、閘門推力、錨索永存預應力、動水壓力作用下鋼梁的強度和剛度問題。左、右邊墩鋼梁各組成構件的最大工作應力均小于對應的容許應力值，強度滿足規(guī)范要求，且均具有較大的強度儲備；最大撓度約5.94 mm，剛度滿足規(guī)范要求，且具有較大的剛度儲備；鋼梁固有頻率遠大于水流脈動頻率[13]。泄水低孔弧形工作閘門支承鋼梁有限元模型及下游翼緣應力云圖見圖6。

a)有限元模型

b)下游翼緣應力云圖

3.4.3支承鋼梁的制造及安裝工藝

支承鋼梁為Q355B鋼板焊接結構，平均板厚大于36 mm，板材厚、焊縫多，焊后容易產生過大的殘余應力，處理不當將嚴重影響結構的疲勞壽命。在選材上要求翼緣及腹板均采用Z向性能鋼板，腹板與翼緣的焊縫應進行消氫處理以防遲滯裂紋的產生，整體鋼梁還應進行振動時效[14]消應處理，制造環(huán)節(jié)的技術措施能從根本上保證鋼梁的質量，是保障泄洪設備安全運行的關鍵。

為保證運行期間鋼梁穩(wěn)定牢固和閘墩結構安全，鋼梁端部采用預應力錨索與閘墩混凝土相連，錨索張拉過程中鋼梁應力變形應于支鉸變形相協(xié)調，鋼梁變形后弧門支鉸精度控制是鋼梁支鉸安裝的重點。

大藤峽水利樞紐泄水閘壩段弧形工作閘門支承鋼梁單件重約230 t，外形尺寸15 100 mm(長)×4 700 mm(寬)×3 860 mm(高)，支承鋼梁安裝后呈57.8°的傾斜度，現(xiàn)場吊裝難度大，且施工工期緊、施工強度很大，需一年內完成20孔弧形工作門的安裝調試工作。支承鋼梁的安裝質量，支承鋼梁基礎的設置、吊裝、調整工藝是成敗的關鍵，直接關系到整個弧形工作門的安裝。通過對五強溪、三板溪、埃塞吉布III等工地的實地調研或資料查閱，對大藤峽支承鋼梁工藝展開研究，主要研究鋼梁基礎定位及鋼梁吊裝工藝分析[15]。其主要工藝為：一期基礎設置、鋼梁吊裝、鋼梁調整、錨索施工、支鉸安裝及支臂和弧門安裝。通過借助一期基礎，調整鋼梁基礎三要素(高程、水平、方位)更為方便，檢查測量容易，同時便于應力錨索鋼管的安裝，保證了安裝質量。

4 結論

大藤峽水利樞紐工程泄水閘泄洪規(guī)模大，汛期調度運行頻繁，尤其是該部位金屬結構設備，承擔著整個大壩及下游人民財產的安全責任，重要性不言而喻。不論是泄洪表孔還是泄洪低孔的工作閘門，其規(guī)格標準已達到超大型。針對泄水閘事故門槽型式的選擇、弧形工作閘門局開水力條件及振動特性、低孔弧門的支承體選型等關鍵技術問題，采用了技術成熟的三維有限元分析、物理模型試驗等手段進行了技術驗證，根據科學的驗證結果對相關設備結構進行了改善，降低了金屬結構設備的事故風險，提高了設計產品的質量及安全可靠性，其最終設計成果為今后類似大型工程提供了借鑒意義。