洋溪水利樞紐工程金屬結構設計關鍵技術分析

梁 獻，張 明，樊冠橋

（廣西水利電力勘測設計研究院有限責任公司，南寧 530023）

1 概述

洋溪水利樞紐是柳江流域綜合規(guī)劃的第12 個梯級，位于廣西柳州市三江縣境內(nèi)，柳江干流都柳江上，是柳江中下游的防洪控制性工程之一，也是國務院172 項節(jié)水供水重大水利工程之一，是以防洪為主，結合發(fā)電、航運等綜合利用的大型水利樞紐工程，電站裝機容量100 MW，船閘建設規(guī)模為III級船閘。

洋溪水利樞紐工程洪峰流量大、防洪調(diào)度復雜，閘門設計水頭和操作水頭高、總水壓力大，金屬結構設備規(guī)模大、類型多，包括溢流壩、電站廠房、船閘、魚道、施工導流工程等水工建筑物的閘門及其啟閉設備。金屬結構設備總用鋼量約16 190 t。其中溢流壩超大型潛孔弧形閘門、船閘超大型人字閘門及反向弧形閘門的設備規(guī)模在國內(nèi)水電工程中名列前茅，金屬結構設計的一些關鍵技術問題需要進行深入分析研究。

2 溢流壩金屬結構設計的關鍵技術

洋溪水利樞紐工程初步設計溢流壩共設有1個泄洪高孔及9 個泄洪低孔，每個泄洪孔均依次設有事故閘門及工作閘門。受主河道寬度限制，泄洪閘門的寬度也受到限制，閘門型式為窄高型。泄洪高孔工作閘門孔口尺寸（寬×高）為7.00 m×18.71 m，設有1扇潛孔式弧形工作閘門，設計水頭42 m，總水壓力約55 000 kN，弧形閘門支鉸總推力約60 000 kN。泄洪低孔工作閘門孔口尺寸（寬×高）為7.00 m×17.35 m，每孔設有1 扇潛孔式弧形工作閘門，設計水頭50.15 m，總水壓力約67 950 kN，弧門支鉸總推力約70 000 kN。高孔閘門的啟閉設備采用QHLY-2×6300 kN 液壓啟閉機，低孔閘門的啟閉設備均采用QHLY-2×6300 kN液壓啟閉機。

對于溢流壩這種設計水頭大、操作水頭大、總水壓力大、啟閉機容量大的超大型潛孔式弧形工作閘門和液壓啟閉機，重點分析研究以下幾方面技術問題。

2.1 弧形閘門布置

閘門及啟閉機總體布置關系到整個樞紐工程的技術經(jīng)濟合理性和安全性，閘門布置要避免在閘前產(chǎn)生橫向流、淹沒出流和回流對閘門沖擊，避免胸墻底部空腔產(chǎn)生“水-氣錘作用”等不利影響?；￠T支鉸和啟閉機支鉸的布置是設計考慮的重點，弧門支鉸高程對支鉸受力及啟閉力影響較大。對于本工程低孔弧形工作閘門，經(jīng)過計算分析，在總水壓力和啟門力的共同作用下，并考慮1.1 的動力系數(shù)，當弧門支鉸布置在下游設計洪水位以上1 m時，支鉸總推力約為78 200 kN；當弧門支鉸布置在下游校核洪水位以上0.5 m 時，支鉸總推力約為85 000 kN；為了使弧門受力比較合理，并結合考慮泄洪水面線及水工布置的協(xié)調(diào)性，擬定弧門支鉸布置在下游設計洪水位以上1 m 處（約為底檻以上1.11 倍閘門高度處）。這是符合鋼閘門設計規(guī)范要求的。

2.2 弧形閘門結構設計

（1）梁系結構型式。泄洪高低孔弧門寬高比分別為0.37 和0.40，屬于高窄型，這種寬高比很小的弧形閘門國內(nèi)并不多見，設計需要考慮的梁系結構關鍵技術問題是閘門整體剛度及其門葉分節(jié)的問題。梁系結構主要有3種型式：主橫梁同層布置、主縱梁同層布置、主縱梁疊層布置?？紤]到主縱梁同層布置能夠更好地解決高窄型弧形閘門整體剛度及門葉分節(jié)問題，因此，閘門的梁系結構采用主縱梁同層布置型式，即面板支承在垂直次梁和主縱梁上，而垂直次梁與主縱梁之間的高差，采用多根橫梁支承前者，從而形成整體剛度較強的門葉結構。

（2）側向裝置型式。低孔閘門結構下游處于深度淹沒狀態(tài)，閘門振動位移明顯，具有低頻大振幅振動特征，尤以側向和切向振動為大，因此，考慮在閘門結構每邊側向適當位置設置滾輪（精加工），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和導向作用，控制可能產(chǎn)生的低階橫向和扭轉(zhuǎn)振動。

（3）水封裝置型式。鑒于閘門結構水封漏水常常引發(fā)強烈自激振動，危害很大，因此選擇適合的閘門底止水、側止水、頂止水的型式及水封的材質(zhì)，確保閘門在啟閉過程中不出現(xiàn)有害的自激振動現(xiàn)象，減少空蝕和氣蝕影響。

（4）支臂型式。支臂是弧形閘門的薄弱環(huán)節(jié)，國內(nèi)發(fā)生的弧形閘門破壞事故相當部分是由于支臂失穩(wěn)引起的，而支臂的動力穩(wěn)定性又是問題的關鍵，應從結構上保證支臂的穩(wěn)定性。本工程弧形閘門兩種孔口高度分別為18.71 m 和17.35 m，面板曲率半徑33 m，支臂長度達30 m，總水壓力相當大，在國內(nèi)屬最大級別之一。對于這樣的潛孔弧門，由于總水壓力大、支臂長，支臂的穩(wěn)定性尤為重要，考慮到直支臂配合支承鋼梁的結構型式具有受力明確、無側向推力、支臂抗扭性能好、支鉸容易保證同心度的特點，因此，支臂型式采用直支臂。另外，由于門葉高度相當高，雙支臂等荷載布置的型式難以解決門葉上部懸臂段的剛度問題，而三支臂可以使門葉上懸臂段減小，從而使懸臂段及閘門剛度得以保證，因此采用三支臂型式。

（5）支鉸及支承型式。閘門每個支鉸的最大總推力近40 000 kN，對支鉸及支承的要求相當高，考慮到球形支鉸具有受力明確、能夠適當調(diào)節(jié)閘門制造安裝誤差的特點，弧門支鉸采用銅基鑲嵌自潤滑球形支鉸。對于支鉸的支承型式，由于鋼橫梁型式比牛腿型式能夠更好控制結構變形量及支鉸的同軸度，因此采用鋼橫梁型式。支鉸座直接支承的鋼橫梁上，鋼橫梁的兩端通過預應力鋼筋與閘墩連接，把閘門荷載傳遞到兩側閘墩。

2.3 閘門流激振動試驗及數(shù)值模擬研究

目前弧形工作閘門的設計假定通常用平面假定體系，而弧形閘門本身是一個復雜的空間桿件及板殼系統(tǒng)，實際的應力、應變會與通常的計算結果有一定的偏差。而本工程弧形閘門尺寸較大，所以亦有必要根據(jù)通常平面假定體系并結合有限元分析進行設計計算和流激振動試驗，相互驗證，以便確定合適的結構形式，力求閘門結構的設計安全、經(jīng)濟合理。

（1）進行泄水低孔水力學試驗研究與體型試驗論證。針對弧形閘門布置特點，測量底孔進口及閘室段水流流態(tài)，流速、脈動壓力、水面線、水流空化數(shù)等水力學參數(shù)；在運行水頭變幅范圍內(nèi)，要求有穩(wěn)定的水流。由弧門開啟產(chǎn)生的水流不能影響建筑物的安全；在確保安全運行的前提下，力求體型經(jīng)濟合理。

（2）試驗測定上游進口可能形成的漩渦、封閉氣囊對閘門結構的不利動力作用，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。

（3）測定作用于弧形工作閘門的時均壓力分布和脈動壓力荷載，取得脈動壓力能譜，優(yōu)化閘門結構的型式。

（4）通過閘門結構流固耦合振動試驗，研究工作閘門結構的流固耦合振動特性，測定弧形工作閘門的動力特性，取得不同開度條件下閘門結構流固耦合振動特性的變化規(guī)律，明確結構與水動力高能區(qū)的相互關系。判斷工作閘門局部開啟運行狀態(tài)下出現(xiàn)強烈振動或共振的可能性，采用抗振優(yōu)化措施以減免強烈振動或共振。

（5）通過全相似水彈性振動模型，研究工作閘門不同開度條件下的流激振動狀況，及其在水動力荷載作用下的靜動力響應特征。取得不同水位、開度組合條件下的振動加速度、動位移及其動應力等結構動力響應參數(shù)，給出諸振動參數(shù)的數(shù)字特征及其功率譜密度，明確振動類型、性質(zhì)及其量級等，把握水動力荷載作用下閘門振動程度及其危害性。分析振動的性質(zhì)、強度及其危害性。提出控制閘門產(chǎn)生強烈振動的措施和方法。

（6）研究論證閘門支臂的動力穩(wěn)定性，確保閘門在不同運行條件下支臂結構的安全穩(wěn)定。

（7）閘門結構動態(tài)優(yōu)化設計。通過閘門水動力荷載試驗，取得作用于閘門的時均動水壓力，水流脈動壓力荷載的量級及其能量在頻域的分布特征；通過結構彈性模型試驗取得閘門結構的模態(tài)參數(shù)；通過閘門水彈性振動研究，取得閘門結構的振動量級及性質(zhì)。根據(jù)上述成果的綜合分析，可以找出造成閘門有害振動的原因，在此基礎上對閘門結構進行針對性動態(tài)修改。

（8）研究閘門結構滿足局部開啟要求的閘門抗振結構布置形式，提出結構抗疲勞、抗共振和強烈振動免振體型和結構布置。

（9）根據(jù)閘門流激振動模型試驗成果，論證弧形工作閘門運行的可靠性和適宜的局部開啟開度范圍。提出正確合理的閘門局部開啟泄水運行的操作規(guī)程，確保工作閘門結構乃至大壩的安全可靠運行。

（10）分析研究閘門支鉸支承鋼梁的靜動力特性，論證支承鋼梁會否發(fā)生結構共振的可能性，對存在問題采取有效措施予以解決。

2.4 閘門制造工藝問題

超大型弧形閘門設計除了結構有足夠強度和剛度外，還要綜合考慮制造加工、運輸、安裝等條件，對閘門進行合理分節(jié)。另外，為了保證潛孔弧形閘門的止水效果，對弧門制造安裝精度要求很高，弧門面板表面需進行機加工，保證面板平面度和橢圓度誤差滿足規(guī)范及工程實際要求。這也是超大型潛孔式弧形閘門制造工藝考慮的關鍵技術之一。

本潛孔弧形閘門寬度7.00 m，高度約18.00 m，每扇閘門重量約550 t，不管采用主橫梁結構還是主縱梁結構，橫向分節(jié)還是縱向分節(jié)都有相當難度，經(jīng)分析，擬采用主縱梁結構，縱向?qū)ΨQ分兩節(jié)，每節(jié)寬度3.5 m，再根據(jù)吊裝和運輸條件進行橫向分節(jié)，每節(jié)重量約50 t。閘門面板表面加工時，可將每節(jié)門葉橫臥逐一進行加工，全部加工完成后在廠內(nèi)進行整體預組裝，檢查閘門制造加工誤差合格后再分節(jié)運輸。

2.5 啟閉機選型布置

經(jīng)過方案比較，閘門的啟閉設備采用液壓啟閉機。如何確定液壓啟閉機支鉸位置是啟閉機布置設計的關鍵問題。經(jīng)過分析研究，采用最佳行程的求解方法，一方面根據(jù)啟閉力過程線盡量使初始啟門力等于最終啟門力，從而盡可能減小啟閉機容量；另一方面根據(jù)液壓缸和活塞桿的運動軌跡及結構特點確定啟閉機最佳行程，盡量減小液壓缸的長度，節(jié)省投資。經(jīng)設計計算，啟閉機容量擬定為2×6000 kN，行程11 m。該規(guī)模弧門液壓啟閉機在國內(nèi)達到領先水平。

3 船閘金屬結構設計的關鍵技術

洋溪水利樞紐工程船閘的建設規(guī)模為Ⅲ級船閘，有效尺度為190 m×23.5 m×4.8 m（有效長度×有效寬度×檻上水深），最大通航1000 t 級船舶。上游最高通航水位163.00 m，最低通航水位153.00 m；下游最高通航水位148.78 m，最低通航水位130.20 m。最大水級32.8 m。這么高水頭的單級船閘在國內(nèi)屬于最高級別之一。

3.1 船閘上、下閘首工作閘門

船閘上閘首閘室寬度為23.7 m，孔口尺寸（寬×高）為23.7 m×15.8 m，設計水頭15.8 m；采用臥式液壓啟閉機操作。船閘下閘首工作閘門孔口尺寸（寬×高）為23.7 m×38.8 m，設計水頭32.8 m；采用臥式液壓啟閉機操作。

經(jīng)過方案比較，上、下閘首工作閘門的型式擬用人字閘門。人字閘門結構構造復雜，由門葉結構（包括面板、主梁、次梁、隔板、推力隔板、門軸柱、斜接柱和背拉桿系統(tǒng)）、支承部分（包括支枕座和墊塊、頂樞和底樞）、止水部分（包括豎向門縫止水和底檻止水）以及其它部分（包括閘門檢修支承系統(tǒng)、鎖定系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、對中導卡和工作橋）組成。對于這么高水頭的人字工作閘門，重點分析研究以下技術問題：

（1）針對門葉結構的剛度、扭翹剪切變形、出現(xiàn)背拉桿為零桿以及疲勞裂紋的問題，要充分考慮并準確計算泥沙荷載、風阻力與啟閉壅浪壓力等所有可能的荷載組合。下閘首人字閘門高度近35 m，門葉在啟閉過程中，在自重及外力作用下，會產(chǎn)生相當大的扭轉(zhuǎn)變位，結構剛度問題尤為突出，要適當增大主梁高度、加強主梁間橫向和斜向連接，特別是斜桿對人字閘門抗扭轉(zhuǎn)變形的作用非常明顯，要充分考慮其結構及受力特點，對開、關門運行工況人字閘門背拉桿預應力優(yōu)化設計，通過計算分析選擇合適的斜桿布置層數(shù)和結構尺寸，增強人字閘門結構的抗扭翹剛度。

（2）頂樞型式。常用的頂樞型式有兩種，一種是用花籃螺栓調(diào)整的鉸接框架式頂樞，另一種是采用楔塊調(diào)整的三角形頂樞，大型人字閘門一般采用后一種。本工程屬于超大型人字閘門，宜采用楔塊調(diào)整的三角形頂樞，并采取抗疲勞措施，合理選擇拉桿材料，如采用沖擊韌性較好的優(yōu)質(zhì)低碳鋼鍛件，并選擇合適的斷面型式及尺寸，降低應力集中。

（3）底樞。人字閘門運行中很多問題出現(xiàn)在底樞蘑菇頭及球瓦，因為底樞是人字門最重要、最復雜且故障最多，又最難于修理的支承與滑動受力部件。實際運行中不易檢查，一旦發(fā)現(xiàn)問題，底樞蘑菇頭及球瓦已嚴重受損，影響閘門的安全運行。因此，對下閘首人字門底樞及潤滑結構進行專題研究：①根據(jù)工程實例調(diào)查結果和洋溪底樞軸承的設計參數(shù)，參考市場上大型軸承的加工能力等因素，對底樞軸承的形狀、尺寸等提出初步設計方案，擬采用銅基鑲嵌自潤滑軸承。同時按照適當?shù)谋壤Ｐ瓦M行縮比試驗。②通過軸承選材試驗、工況條件試驗等，對各試驗摩擦磨損機理進行分析，對磨損壽命進行推算。③在上述試驗研究的基礎上，對底樞軸承摩擦副的選型、設計及加工要求、運行維護、磨損壽命等提出建議方案。④抗疲勞措施。船閘人字門在開關門、關門充泄水的循環(huán)過程中承受的是典型的拉、壓交變載荷，且交變應力幅大。人字門在施工過程中還存在安裝偏差以及運行過程中的磨損可能使門軸柱產(chǎn)生偏心導致閘門開關過程產(chǎn)生卡阻現(xiàn)象，泥沙淤積及礫石對閘門產(chǎn)生局部應力沖擊現(xiàn)象，加工制造過程產(chǎn)生的殘余應力及表面缺陷問題，均可能導致閘門及部件出現(xiàn)疲勞破壞問題。因此在人字閘門結構設計中，需從選材、設計、工藝等方面采取措施來提高閘門的抗疲勞性能。⑤人字閘門啟閉機。大型船閘人字閘門一般采用機械式四連桿啟閉機和液壓直聯(lián)式啟閉機機型，經(jīng)綜合比選和參考國內(nèi)已建工程實際運用經(jīng)驗，洋溪船閘人字閘門啟閉機選用臥式直聯(lián)液壓啟閉機，人字閘門啟閉機的設計原則是使啟閉機工作力矩曲線與人字閘門運行時的阻力矩一致，以達到啟閉設備規(guī)模最小、工作效率最高的目的。根據(jù)《船閘閘閥門設計規(guī)范》（JTJ 308-2003）相關規(guī)定，大型人字閘門應通過試驗繪制阻力矩隨時間變化曲線，并求得總阻力矩最大值來確定人字閘門啟閉力。采用力矩平衡法計算啟閉力。

3.2 輸水廊道充、泄水工作閘門

在閘墻內(nèi)兩側各設1條輸水廊道分別用于閘室充、泄水，在每條輸水廊道上、下閘首各設1 扇工作閘門，共4扇。工作閘門孔口尺寸（寬×高）為3.0 m×3.5 m，設計水頭32.8 m；啟閉設備各采用1 臺QHSY-1250/250 kN液壓啟閉機。

輸水廊道設計水頭近33 m，無論是工作水頭，還是水位變幅條件，難度居國內(nèi)已建船閘前列，存在不少技術難題，需重點分析研究以下問題：

（1）門型選擇。當船閘輸水廊道工作水頭較大（超過20 m）時，由于平面閘門存在門槽空化、門體振動及啟閉技術較難解決的問題，一般采用弧形閘門，其中正向弧形閘門的閘門井位于閘門的下游，在閘門動水啟閉過程中，門井水位的急劇降落可能造成大量吸氣，摻氣水流進入閘室危及船舶安全，而反向弧形閘門的門井位于閘門的上游，閘門井不會吸氣，因此，采用反向弧形閘門是合理的。

（2）船閘輸水廊道閘門常壓和減壓水力學、流激振動、啟閉特性試驗及三維有限元分析研究，包括閘門門體動水荷載、閘門啟閉力及支鉸荷載、閘門防空化措施和流激振動特性等技術問題，其中，閘門空化問題是高水頭船閘設計中最為關鍵的技術難題。為減少高水頭船閘閘門空化，主要措施有：①提高閘門底緣空化數(shù)，避免空化發(fā)生，如加大閘門開啟速度、增大閘門處廊道的淹沒水深、優(yōu)化閘門段廊道體型；②采用門后廊道通氣的工程措施，減弱空化潰滅沖擊壓力，另外，在廊道的閘門段采取鋼板襯砌保護措施，保護廊道邊界免遭空蝕破壞。

（3）船閘輸水廊道閘門門楣體型與摻氣布置1∶1 切片模型試驗。大量工程原型觀測成果表明：在高水頭船閘輸水閘門段，除閘門底緣較易發(fā)生空化外，在閘門開啟過程中，因閘門面板與門楣形成的縫隙形狀如文杜里管，而作用水頭接近于上、下游水位差，門楣縫隙段更易發(fā)生空化，且強度遠超過底緣空化，其空化類型屬剪切型，噪聲譜中高頻能量突出，空化潰滅所產(chǎn)生的空蝕破壞作用較強。洋溪船閘上游水位變幅10.0 m，下游水位變幅16.53 m，上下游水位變幅大，現(xiàn)有船閘工程門楣線型很難適應如此大的水位變幅條件。通過門楣切片試驗解決閘門頂縫空化問題，確保船閘運行安全。

（4）船閘輸水系統(tǒng)反向弧門止水結構研究。洋溪船閘輸水閘門工作水頭達到32.8 m，閘門水封的工作條件惡劣，在非恒定高速水流條件下閘門的水動力學問題較為突出。開展船閘輸水系統(tǒng)反向弧門止水結構研究，分析在閘門開啟中閘門止水承受的各種復雜水流荷載作用情況、在高速縫隙水流作用下水封發(fā)生撕裂破壞的原因、閘門振動及空化空蝕等問題。

4 結語

洋溪水利樞紐工程具有閘門孔口尺寸大、設計水頭大、總水壓力大、洪峰流量大、流態(tài)復雜、防洪調(diào)度要求高的特點，本文在設計中借鑒已建工程的實踐經(jīng)驗，并通過模型試驗和有限元分析計算，研究解決高水頭大推力泄洪潛孔弧門、高水頭船閘人字閘門、高水頭輸水廊道反向弧門的技術難題，確保金屬結構設備運行安全。