關(guān)于在規(guī)范中增加“橫向三支臂”弧形閘門的建議

劉計(jì)良，王正中，劉云賀，董旭榮

(1.西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；3.陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001)

0 引 言

我國水電開發(fā)已取得舉世矚目的成績，對(duì)滿足日益增長的能源需求和改善能源結(jié)構(gòu)具有重要的戰(zhàn)略意義，大力促進(jìn)了中西部發(fā)展，對(duì)國家快速脫貧目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了重要保障。在新形勢(shì)下，推進(jìn)我國西南地區(qū)河流常規(guī)水電開發(fā)、抽水蓄能電站建設(shè)并適時(shí)布局“一帶一路”沿線國家的水電能源合作、推動(dòng)水電國際化發(fā)展是未來水電工作的重點(diǎn)發(fā)展方向[1]，水電工程規(guī)模也向著大型、特大型方向發(fā)展，并出現(xiàn)了眾多需要破解的設(shè)計(jì)、施工和安全運(yùn)行難題[2]，大型水工鋼閘門的結(jié)構(gòu)布置問題就是其中之一[3]。

弧形閘門作為水利水電樞紐常用的泄水調(diào)節(jié)咽喉，結(jié)構(gòu)布置相對(duì)較為復(fù)雜，合理的結(jié)構(gòu)布置是閘門整體優(yōu)化和安全運(yùn)行的前提，對(duì)整個(gè)水利水電樞紐的安全性和經(jīng)濟(jì)性具有重要影響[4]。隨著弧形閘門向著高水頭、大孔口、大泄量方向發(fā)展，如五強(qiáng)溪、大藤峽、白鶴灘等水電站的大型弧形閘門的建設(shè)，現(xiàn)行閘門設(shè)計(jì)規(guī)范中關(guān)于結(jié)構(gòu)布置的部分內(nèi)容已落后于工程建設(shè)的需要[5]。在弧形閘門的結(jié)構(gòu)布置方面，王正中團(tuán)隊(duì)做了大量的研究工作，為了確保閘門與水利樞紐及環(huán)境有機(jī)融為一體，在滿足安全、穩(wěn)定、高效且美觀的前提下，提出了一系列弧形閘門合理的結(jié)構(gòu)布置原則[4-9]。

支臂是弧形閘門主要的支撐和傳力構(gòu)件，也是閘門的薄弱構(gòu)件。經(jīng)過調(diào)查，工程中失事的弧形閘門多數(shù)是由于支臂的靜力失穩(wěn)或動(dòng)力失穩(wěn)而發(fā)生的破壞，支臂的布置方式對(duì)閘門的整體安全性至關(guān)重要[10]。在弧形閘門的設(shè)計(jì)中，人們通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定支臂的布置方式，缺乏理論指導(dǎo)。為了解決支臂布置的盲目性、提高閘門的設(shè)計(jì)水平，避免因不合理的支臂布置而產(chǎn)生工程安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，劉計(jì)良等[9]基于全局優(yōu)化的思想建立了深孔弧形閘門集支臂布置優(yōu)化和尺寸優(yōu)化為一體的綜合優(yōu)化模型，給出了支臂布置個(gè)數(shù)和布置形式關(guān)于孔口寬高比的關(guān)系，提出對(duì)于孔口寬高比較大的弧形閘門，宜采用“橫向三支臂”的布置方式。隨后，雷旺成應(yīng)用有限元法對(duì)該布置準(zhǔn)則進(jìn)行了系統(tǒng)的分析驗(yàn)證，證明了支臂布置準(zhǔn)則的合理性[11]。

白鶴灘水電站作為大國重器是我國水電建設(shè)的驕傲，代表了目前水電建設(shè)的最高水平[12]。該水電站的左岸三條泄洪洞的弧形工作閘門孔口尺寸的寬高比達(dá)到了1.58，閘門總水壓力也居國內(nèi)外前列。鑒于孔口寬高比較大，經(jīng)過系統(tǒng)論證，中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司(以下簡稱“電建華東院”)在設(shè)計(jì)泄洪洞的弧形閘門時(shí)采用了“橫向三支臂”的布置方式，閘門制造和施工單位優(yōu)化了加工和安裝工藝[13-16]。經(jīng)過方案比較，“橫向三支臂”弧形閘門既滿足整體樞紐的布置要求，又可使閘門內(nèi)力分布更加均勻、剛度增強(qiáng)、穩(wěn)定性提高、抗振性能優(yōu)良，該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用使閘門及混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力比“橫向兩支臂”弧形閘門提高了1.5倍，同時(shí)可降低下游的消能防沖難度[6，17]?！皺M向三支臂”弧形閘門在白鶴灘水電站中的成功應(yīng)用為這種類型閘門的推廣積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)。

“橫向三支臂”弧形閘門作為一種新型的閘門形式在孔口寬高比較大時(shí)有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際工程應(yīng)用中也經(jīng)受住了考驗(yàn)。本文系統(tǒng)總結(jié)了“橫向三支臂”弧形閘門的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和布置準(zhǔn)則、工程應(yīng)用中的靜動(dòng)力性能、制造及安裝工藝等，給出了在鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范中增加“橫向三支臂”弧形閘門的相關(guān)建議，為規(guī)范的修訂提供參考，促進(jìn)我國鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范內(nèi)容的進(jìn)一步完善，推進(jìn)鋼閘門專業(yè)科技水平的提高和發(fā)展，以滿足未來水電工作發(fā)展的需要。

1 規(guī)范中關(guān)于支臂布置方式的規(guī)定

支臂是弧形鋼閘門主框架的重要組成部分，主框架形式包括主橫梁式和主縱梁式。NB 35055—2015《水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定弧形鋼閘門可根據(jù)孔口寬高比選擇不同的主框架形式，寬高比較大時(shí)，采用主橫梁式；反之，則采用主縱梁式[18]。美國鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范則要求在小型或低水頭弧形閘門中采用主縱梁式結(jié)構(gòu)[19]。中、美鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范在結(jié)構(gòu)布置方面存在一定的差異，各有側(cè)重點(diǎn)和可相互借鑒的地方[20]。

支臂在主框架中的布置形式如圖1所示。支臂按布置的傾斜程度分為直支臂和斜支臂兩種形式。當(dāng)支承條件許可時(shí)，宜采用A型(直支臂)；當(dāng)支鉸支承在側(cè)墻上時(shí)，應(yīng)采用B型(斜支臂)，建議懸臂的長度l1=0.2L；當(dāng)孔口的凈空不適應(yīng)采用A型或B型時(shí)，推薦采用C型(直支臂)。對(duì)于主縱梁式弧形閘門，可采用D型。

圖1 弧形閘門的主框架形式

對(duì)于斜支臂結(jié)構(gòu)的弧形閘門，當(dāng)支臂與主橫梁水平連接時(shí)，應(yīng)注意空間扭角的正確設(shè)置及采用螺栓連接時(shí)抗剪措施的應(yīng)用。對(duì)于低水頭弧形閘門的支臂，需關(guān)注其動(dòng)力失穩(wěn)問題，并從構(gòu)造及布置上予以保證。

現(xiàn)行的中、美鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范關(guān)于支臂的布置均未給出具體的布置原則和定量計(jì)算方法，在閘門設(shè)計(jì)中缺乏理論指導(dǎo)，存在一定的盲目性，給閘門的運(yùn)行帶來風(fēng)險(xiǎn)[3，9]。

2 “橫向三支臂”弧形閘門及其布置準(zhǔn)則

2.1 “橫向三支臂”弧形閘門簡介

根據(jù)現(xiàn)行鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，支臂沿橫向方向布置兩根(如圖1所示)，沿縱向一般布置兩根或三根[18-19]。劉計(jì)良等[9]指出當(dāng)孔口寬高比取較大值時(shí)，“橫向兩支臂”的布置方式無法達(dá)到安全性和經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一，并針對(duì)深孔弧形閘門提出了一種“橫向三支臂”的布置方式，其空間框架形式見圖2。

圖2 橫向三支臂布置方式

如圖2所示，“橫向三支臂”弧形閘門的布置方式為沿橫向布置三根支臂，縱、橫主梁形成雙向井字梁結(jié)構(gòu)，支臂支撐在井字梁的交叉點(diǎn)，最理想的狀態(tài)是保證支臂僅承受軸力而無端部彎矩，即主梁在支撐處橫截面轉(zhuǎn)角應(yīng)為0，從而提高支臂的整體穩(wěn)定性。

2.2 基于優(yōu)化思想的布置準(zhǔn)則

弧形閘門的結(jié)構(gòu)布置優(yōu)化是截面尺寸優(yōu)化的前提，只有二者綜合起來考慮，才符合全局最優(yōu)化的思想，滿足結(jié)構(gòu)性能和經(jīng)濟(jì)性的要求，即在確?；⌒伍l門的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性均衡協(xié)調(diào)的同時(shí)，真正使閘門整體結(jié)構(gòu)達(dá)到安全性和經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一[4]。因此，應(yīng)該建立同時(shí)考慮弧形閘門支臂的布置優(yōu)化(最優(yōu)布置個(gè)數(shù)及布置形式)及截面尺寸優(yōu)化的綜合優(yōu)化模型，進(jìn)而確定支臂的布置準(zhǔn)則[9]。

2.2.1 優(yōu)化模型

2.2.1.1 目標(biāo)函數(shù)

對(duì)于深孔弧形閘門，支臂的常用截面為箱形截面，如圖3所示。箱形截面的短邊(翼緣)的長度和厚度分別為a和t，長邊(腹板)的長度和厚度分別為b和δ。支臂橫截面的面積A的計(jì)算公式為

圖3 箱形截面

A=2at+2bδ-4δt

(1)

設(shè)弧形閘門面板的曲率半徑為R，孔口高度和寬度分別為H和B，并令R=αH，B=βH，α為面板曲率半徑和孔口高度的比值(根據(jù)規(guī)范要求，對(duì)于深孔弧形閘門，α的取值范圍為1.1～2.2)，β為孔口寬高比。設(shè)弧形閘門的支臂個(gè)數(shù)為N，支臂的布置形式包括縱、橫向兩支臂和三支臂的布置形式，如對(duì)于圖2所示的“橫向三支臂”的布置形式，N取6。

以支臂總用鋼量V最小為目標(biāo)，建立目標(biāo)函數(shù)

V=N·A·R→min

(2)

由式(2)可知，目標(biāo)函數(shù)中包含了支臂布置變量和尺寸變量的雙重變量信息，為綜合優(yōu)化模型。

2.2.1.2 約束條件

在考慮優(yōu)化模型的約束條件時(shí)，應(yīng)確保變量滿足支臂的穩(wěn)定性(局部穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定性)、強(qiáng)度、剛度及變量的上下限約束條件。

穩(wěn)定性約束：支臂截面的局部穩(wěn)定性由板材的寬厚比進(jìn)行保證；支臂的整體穩(wěn)定性則需滿足平面內(nèi)、外的穩(wěn)定性校核公式。支臂的局部穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定性均根據(jù)鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)公式進(jìn)行驗(yàn)算。

強(qiáng)度約束：弧形閘門的支臂為中柔度壓桿，對(duì)于此類桿件，在強(qiáng)度破壞之前便已喪失穩(wěn)定，強(qiáng)度約束無效。因此，在此優(yōu)化模型中無需考慮強(qiáng)度約束。

剛度約束：保證支臂的柔度(由支臂的幾何尺寸計(jì)算)處于鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的中柔度壓桿容許柔度范圍內(nèi)即可。

變量的上下限約束：各變量的取值必須在規(guī)定的范圍內(nèi)，通過鋼材規(guī)格及結(jié)構(gòu)構(gòu)造提供的變量的上下限值來確定。

2.2.2 布置準(zhǔn)則

孔口寬高比β是弧形閘門支臂布置個(gè)數(shù)及布置形式的重要影響因素，現(xiàn)行鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)此僅做了定性的描述，給支臂的布置帶來不確定性。

為了獲得支臂布置個(gè)數(shù)及布置形式關(guān)于孔口寬高比定量的布置準(zhǔn)則，借助上述優(yōu)化模型對(duì)大量工程算例進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，求解支臂最優(yōu)布置個(gè)數(shù)N。該優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)和約束條件均為非線性，并且由于加入了支臂的布置變量而使優(yōu)化模型的求解難度大大增加，應(yīng)用SQP(序列二次規(guī)劃)優(yōu)化算法對(duì)其進(jìn)行求解。

通過大量工程算例的優(yōu)化計(jì)算統(tǒng)計(jì)出弧形閘門支臂常用的布置個(gè)數(shù)N和孔口寬高比β的關(guān)系如圖4所示。

圖4 支臂布置個(gè)數(shù)N與孔口寬高比 β的關(guān)系

圖4中的每一個(gè)菱形點(diǎn)代表一個(gè)工程算例。該圖給出了支臂布置個(gè)數(shù)關(guān)于孔口寬高比的定量關(guān)系，該定量關(guān)系由反映布置優(yōu)化和尺寸優(yōu)化的全局最優(yōu)化模型計(jì)算得到，安全經(jīng)濟(jì)，簡單易行，補(bǔ)充了現(xiàn)行鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范的空缺，可用于指導(dǎo)工程實(shí)踐，減小支臂布置時(shí)的盲目性。

文獻(xiàn)[9]證明了當(dāng)孔口寬高比β≥1.4時(shí)，按規(guī)范推薦的“橫向兩支臂”的布置方式無法達(dá)到安全性和經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一，此時(shí)應(yīng)布置6根支臂，采用圖2所示的“橫向三支臂”的布置方式，可作為“橫向三支臂”弧形閘門的布置準(zhǔn)則；除此之外，還給出了支臂布置方式和總水壓力的關(guān)系。

2.2.3 數(shù)值算例驗(yàn)證

雷旺成應(yīng)用有限元法對(duì)文獻(xiàn)[9]中的“橫向三支臂”弧形閘門的布置準(zhǔn)則進(jìn)行了系統(tǒng)的驗(yàn)證[11]。某弧形工作閘門孔口尺寸為20 m×12.5 m，該閘門原始設(shè)計(jì)方案為“橫向兩支臂”的布置方式，共布置4根支臂，其空間框架形式如圖5所示。

圖5 原始設(shè)計(jì)方案

該弧形閘門的孔口寬高β=20/12.5=1.6>1.4，按照上述的支臂布置準(zhǔn)則，在保證用鋼量相同的前提下將其改為“橫向三支臂”的布置方式，共布置6根支臂，其空間框架形式如圖6所示。

圖6 “橫向三支臂”布置方案

應(yīng)用有限元軟件ANSYS分別對(duì)原始設(shè)計(jì)方案和改進(jìn)的“橫向三支臂”布置方案進(jìn)行三維有限元模擬，在相同的經(jīng)濟(jì)性條件下對(duì)兩種方案的弧形閘門的力學(xué)性能進(jìn)行比較。

有限元計(jì)算和對(duì)比結(jié)果表明，在用鋼量相同的前提下，“橫向三支臂”的布置方式比“橫向兩支臂”的布置方式的結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度均有較大幅度的提高，應(yīng)力和位移都有所減小，且分布更加均勻，力學(xué)性能得到較大改善，“橫向三支臂”弧形閘門的結(jié)構(gòu)布置更加合理。

3 “橫向三支臂”弧門的工程應(yīng)用

3.1 工程簡介

白鶴灘水電站是金沙江下游水電規(guī)劃中的第二個(gè)梯級(jí)電站，以發(fā)電為主，兼顧其他綜合利用效益，裝機(jī)容量僅次于三峽水電站，位居世界第二，并且創(chuàng)造了6項(xiàng)世界第一的記錄，被譽(yù)為大國重器，代表了目前水電建設(shè)的最高水平[21]。建成之后的白鶴灘水電站與三峽、烏東德、溪洛渡和向家壩等水電站構(gòu)成了世界上最大的清潔能源走廊，必將為推進(jìn)清潔能源技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展、構(gòu)建我國能源安全體系和實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)做出更大貢獻(xiàn)。

由于白鶴灘水電站壩身的孔口難以承擔(dān)全部泄水任務(wù)，為了滿足泄洪消能、調(diào)節(jié)庫水位的需要，在白鶴灘水電站的左岸布置了3條無壓泄洪洞，洞長分別為2 317.0、2 258.5 m和2 170.0 m，泄洪洞具有流速高、流量大、體形復(fù)雜等特點(diǎn)，單條泄洪洞的最大泄量為4 100 m3/s，3條泄洪洞的總泄量達(dá)到了12 250 m3/s，承擔(dān)30%的泄洪任務(wù)，是目前世界上規(guī)模最大的無壓泄洪洞群[22]。3條泄洪洞的進(jìn)水口均采用岸塔式，每孔布設(shè)1扇弧形工作閘門，孔口尺寸為15.0 m×9.5 m(寬×高)，泄洪洞進(jìn)水口如圖7所示。

圖7 泄洪洞進(jìn)水口

白鶴灘水電站泄洪洞的弧形閘門有兩個(gè)典型特征：①孔口尺寸巨大，閘門所承受的總水壓力居國內(nèi)外前列；②孔口寬高比特別大，達(dá)到了1.58。該弧形閘門的結(jié)構(gòu)合理選型和布置可供借鑒的工程案例極少，現(xiàn)行鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范也無相關(guān)條款，缺乏理論指導(dǎo)。

考慮到泄洪洞弧形閘門的孔口寬高比特別大，電建華東院的技術(shù)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過專題研究和系統(tǒng)論證，最終采用了“橫向三支臂”的布置方案(見圖8)，這也是國內(nèi)水電工程首次采用大型“橫向三支臂”弧形閘門。與傳統(tǒng)“橫向兩支臂”的布置方案相比，“橫向三支臂”弧形閘門中間部位結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度顯著提高。

圖8 “橫向三支臂”弧形閘門

如圖8所示，該弧形閘門沿橫向布置了3根支臂，空間框架形式與圖2所示框架形式相同。底檻高程為770.0 m，閘門按設(shè)計(jì)洪水位設(shè)計(jì)，最大設(shè)計(jì)水頭為58.0 m，總水推力達(dá)到了11 500 t；面板曲率半徑為19.0 m，支鉸采用了圓柱鉸，安裝高程為786.3 m；止水采用常規(guī)預(yù)壓式止水，頂止水下部設(shè)置一道轉(zhuǎn)鉸止水來防止啟閉過程中的射水；閘門采用液壓啟閉機(jī)操作，啟閉機(jī)容量為2×5 000 kN，動(dòng)水中啟閉，啟閉速度為0.5 m/min，有局部開啟要求[13]。

3.2 靜力性能分析

白鶴灘泄洪洞的“橫向三支臂”弧形閘門承受的總水推力達(dá)到了萬噸級(jí)別，居國內(nèi)外前列，閘門的靜力性能將直接影響閘門自身及水工建筑物的安全運(yùn)行。

中國水利水電科學(xué)研究院水力學(xué)所應(yīng)用商用有限元軟件ANSYS對(duì)該弧形閘門的靜力性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，包括：①對(duì)設(shè)計(jì)洪水位下的正常擋水工況(擋水水頭為58 m)和啟門瞬時(shí)工況(啟閉力為2×5 000 kN，動(dòng)力系數(shù)取1.1)的閘門進(jìn)行三維有限元數(shù)值模擬，校核其強(qiáng)度和剛度；②對(duì)設(shè)計(jì)洪水位下的正常擋水工況的閘門進(jìn)行穩(wěn)定性分析，研究閘門的穩(wěn)定性[23]。

應(yīng)用ANSYS建立的“橫向三支臂”弧形閘門的三維有限元模型如圖9所示。取支鉸中心線連線的中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，X方向?yàn)槠叫杏诘孛娌⒅赶蛳掠?，Y方向?yàn)榇怪庇诘孛娌⒅赶蛏戏?，Z方向?yàn)橹сq中心線連線并指向右岸。閘門的面板、主橫梁、縱梁、支臂等構(gòu)件用殼單元模擬，支鉸用實(shí)體單元模擬。

圖9 弧形閘門的有限元模型

有限元數(shù)值模擬結(jié)果表明，在兩種工況下，閘門整體及各構(gòu)件的Mises應(yīng)力(最大為145.0 MPa)均滿足現(xiàn)行鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，并具有一定的安全儲(chǔ)備；閘門的整體位移也處于正常范圍內(nèi)，說明弧形閘門的強(qiáng)度和剛度均滿足要求。在設(shè)計(jì)洪水位下的正常擋水工況的閘門也是穩(wěn)定的，閘門出現(xiàn)不穩(wěn)定時(shí)的荷載遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)荷載。

3.3 動(dòng)力特性和流激振動(dòng)分析

高水頭下的弧形閘門在動(dòng)水中啟閉及局部開啟過程中，存在不同程度的流激振動(dòng)現(xiàn)象，尤其當(dāng)水動(dòng)力荷載和閘門的動(dòng)力特性出現(xiàn)不利組合時(shí)，閘門極有可能產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，嚴(yán)重影響閘門的運(yùn)行安全。對(duì)高水頭弧形閘門的流激振動(dòng)問題需要做專題研究，分析其動(dòng)力特性和流激振動(dòng)響應(yīng)特性[3]。

張文遠(yuǎn)等[17]對(duì)白鶴灘水電站泄洪洞的“橫向三支臂”弧形閘門的流激振動(dòng)問題開展了模型試驗(yàn)研究，按水彈性相似準(zhǔn)則研制了比尺為1∶28的閘門的水彈性模型，泄洪洞采用有機(jī)玻璃按幾何相似制作。通過模型試驗(yàn)和有限元數(shù)值計(jì)算分析該弧形閘門的模態(tài)特性和流激振動(dòng)響應(yīng)特性。

3.3.1 模態(tài)分析

在對(duì)閘門的水彈性模型進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析時(shí)，根據(jù)“橫向三支臂”弧形閘門的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將其水彈性模型分為52個(gè)節(jié)點(diǎn)，共計(jì)156個(gè)自由度。應(yīng)用帶壓電式力傳感器的力錘進(jìn)行模態(tài)的測(cè)量，采用單點(diǎn)激勵(lì)多點(diǎn)測(cè)量的方法獲得閘門的模態(tài)信息。應(yīng)用商用有限元軟件ANSYS對(duì)原型閘門進(jìn)行有限元模態(tài)分析，并將由這兩種方法獲得的前三階頻率列于表1(試驗(yàn)頻率按相似率轉(zhuǎn)化為原型閘門的頻率)，并計(jì)算相對(duì)誤差。

表1 試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析和有限元模態(tài)分析結(jié)果對(duì)比

由表1可知，由試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析測(cè)得的頻率和由有限元法計(jì)算的頻率基本吻合，從而驗(yàn)證了閘門的模型滿足水彈性相似要求，可以用來替代原型閘門進(jìn)行動(dòng)力特性分析和流激振動(dòng)試驗(yàn)，為“橫向三支臂”弧形閘門的安全運(yùn)行提供技術(shù)支持。

3.3.2 流激振動(dòng)響應(yīng)分析

在閘門的水彈性模型上布置相關(guān)的應(yīng)變計(jì)和加速度傳感器，在不同工況下對(duì)閘門的流激振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行測(cè)量。

以正常蓄水位825.0 m為例，閘門在不同開度運(yùn)行時(shí)，支臂各測(cè)點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)的均方根值均小于2.0 MPa，滿足規(guī)范規(guī)定的金屬構(gòu)件的最大動(dòng)應(yīng)力不大于材料容許應(yīng)力的20%的要求；繼續(xù)升高水位，動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)沒有明顯變化。不同開度下閘門門體3個(gè)方向的加速度均方根值均小于2.0 m/s2，動(dòng)位移的均方根值均在120.0 μm以內(nèi)的較小值范圍內(nèi)，按照美國阿肯色河通航樞紐中心提出的振動(dòng)強(qiáng)弱判別標(biāo)準(zhǔn)，該閘門的振動(dòng)為微小級(jí)，可忽略不計(jì)。

在不同工況下，閘門的流激振動(dòng)響應(yīng)(動(dòng)應(yīng)力、加速度和動(dòng)位移)均在較小的范圍內(nèi)，整體運(yùn)行平穩(wěn)，說明“橫向三支臂”弧形閘門受力合理，抗振性能優(yōu)良。

3.4 制造、安裝工藝

白鶴灘水電站泄洪洞的大型“橫向三支臂”弧形閘門是這種類型的閘門在國內(nèi)的首次應(yīng)用，尚無可供借鑒的經(jīng)驗(yàn)。與“橫向兩支臂”弧形閘門相比，其設(shè)計(jì)、制造和安裝施工難度都大幅升級(jí)，質(zhì)量控制上要求更高。電建華東院從制造和安裝的角度完善了“橫向三支臂”弧形閘門的設(shè)計(jì)，提出了控制標(biāo)準(zhǔn)。

3.4.1 制造技術(shù)

葛洲壩集團(tuán)機(jī)械船舶有限公司承擔(dān)了白鶴灘水電站泄洪洞“橫向三支臂”弧形閘門的制造工作，通過對(duì)支鉸大梁和支臂的制造加工技術(shù)、三支鉸同軸度保證技術(shù)、弧形面板整體加工技術(shù)、門葉及支臂退火技術(shù)等進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，形成了一套兼顧質(zhì)量、安全和經(jīng)濟(jì)效益的“橫向三支臂”弧形弧門的制造關(guān)鍵技術(shù)[13]。最終采用了二次總拼的方案完成了閘門的整體拼裝，如圖10所示[14]。隨后進(jìn)行閘門的質(zhì)量檢查、驗(yàn)收、防腐、發(fā)運(yùn)等后續(xù)工作。

圖10 二次總拼后的閘門

3.4.2 安裝工藝

閘門的安裝質(zhì)量是后期安全運(yùn)行的前提。白鶴灘水電站泄洪洞的“橫向三支臂”弧形閘門的結(jié)構(gòu)獨(dú)特，體型巨大，每扇閘門的質(zhì)量達(dá)到了720 t，門葉結(jié)構(gòu)橫向分為5節(jié)，并且閘室空間相對(duì)狹小，導(dǎo)致“橫向三支臂”結(jié)構(gòu)吊裝空間窄，給安裝施工工作帶來了巨大挑戰(zhàn)，需做專門研究[15-16]。

水電五局積極采用新工藝，首次將液壓提升技術(shù)應(yīng)用于“橫向三支臂”弧形閘門的安裝，門葉拼裝及支鉸、支臂吊裝示意見圖11[24]。

圖11 弧形閘門的吊裝

如圖11所示，閘門門葉由液壓啟閉機(jī)孔處布置的2組200 t的液壓提升器吊裝，上支臂由1組100 t的液壓提升器吊裝，下支臂和支鉸由1組200 t 的液壓提升器吊裝。在每個(gè)吊點(diǎn)均布置了油壓傳感器，由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控荷載變化，如遇異常，計(jì)算機(jī)會(huì)自動(dòng)停機(jī)并報(bào)警。吊裝完成的閘門整體結(jié)構(gòu)如圖12所示。

液壓提升技術(shù)是閘門安裝技術(shù)的創(chuàng)新，確保了“橫向三支臂”弧形閘門的精準(zhǔn)吊裝和施工安全，施工質(zhì)量達(dá)到了精品工程指標(biāo)，可為類似工程金屬結(jié)構(gòu)的安裝提供借鑒。

3.5 運(yùn)行情況

2021年9月2日～9月3日，白鶴灘水電站的泄洪洞順利進(jìn)行了首次試驗(yàn)性開閘泄洪，三條泄洪洞相繼成功運(yùn)行，安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)正常，洞身及進(jìn)、出口流態(tài)穩(wěn)定(見圖13)?！皺M向三支臂”弧形閘門在各開度下運(yùn)行平穩(wěn)，無明顯振動(dòng)，為泄洪消能的安全提供了保障。

圖13 試驗(yàn)性泄洪

2022年10月24日，白鶴灘水電站的水庫蓄水至825 m高程，首次達(dá)到了正常蓄水位。隨后，白鶴灘水電站的泄洪洞開啟了正常蓄水位原型觀測(cè)試驗(yàn)，檢查“橫向三支臂”弧形閘門的止水是否有效、擋水效果是否良好(見圖14)；在最大動(dòng)水條件下檢驗(yàn)閘門的啟閉、控制和泄洪功能是否可靠，檢驗(yàn)各項(xiàng)性能參數(shù)是否滿足設(shè)計(jì)要求等。

圖14 弧形閘門原型觀測(cè)試驗(yàn)

在此次正常蓄水位原型觀測(cè)試驗(yàn)中，“橫向三支臂”弧形閘門運(yùn)行平穩(wěn)無卡阻、閘門無振動(dòng)、無異響，運(yùn)行狀態(tài)良好，泄洪洞及其他消能設(shè)施也無任何損壞，達(dá)到了理想的預(yù)期效果，為白鶴灘水電站在洪峰期降低庫水位、制定合理的泄洪方案奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

目前，作為世界第二大水電站、綜合技術(shù)難度最高的巨型水電工程——白鶴灘水電站已竣工投產(chǎn)，其左岸三條泄洪洞的創(chuàng)新型的“橫向三支臂”弧形閘門為水電站的安全運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的保障。

4 在規(guī)范中增加“橫向三支臂”弧形閘門的相關(guān)建議

綜上所述，當(dāng)孔口寬高比較大時(shí)，相比規(guī)范推薦的“橫向兩支臂”的布置方式，“橫向三支臂”弧形閘門的內(nèi)力分布更加均勻、剛度增強(qiáng)、承載能力提高、抗振性能優(yōu)良。目前，經(jīng)過水工金屬結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的眾多學(xué)者和設(shè)計(jì)、制造及建設(shè)單位的科研攻關(guān)，“橫向三支臂”弧形閘門的布置準(zhǔn)則和設(shè)計(jì)、制造及施工工藝均已成熟，尤其是在白鶴灘水電站泄洪洞中的成功應(yīng)用為這種技術(shù)的推廣積累了寶貴的工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)破解泄洪消能的世界級(jí)難題意義重大，也為在鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范中增加有關(guān)“橫向三支臂”弧形閘門的條文建議奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

以國家能源局頒布的NB 35055—2015《水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》為例，涉及支臂布置個(gè)數(shù)和布置形式的條文主要為6.1.8和6.1.9。在條文6.1.8中提到弧形閘門應(yīng)根據(jù)孔口寬高比布置成主橫梁式或主縱梁式框架，但只是定性描述，未給出具體的布置準(zhǔn)則和定量計(jì)算方法，可在此條文中加入基于優(yōu)化思想的支臂定量布置準(zhǔn)則，給出支臂布置個(gè)數(shù)和布置形式關(guān)于孔口寬高比的關(guān)系(見圖4)，如當(dāng)孔口寬高比β≥1.4時(shí)，宜采用主橫梁式“橫向三支臂”框架，并在規(guī)范后面的條文說明中加入說明性文字和相關(guān)參考文獻(xiàn)。在條文6.1.9中給出了支臂在平面主框架中的4種布置形式(見圖1)，宜增加“橫向三支臂”布置形式的平面主框架的圖形，并在規(guī)范后面的條文說明中增加6.1.9的條文說明(原規(guī)范沒有)。對(duì)“橫向三支臂”弧形閘門制造和安裝工藝的創(chuàng)新，如三支鉸同軸度保證技術(shù)和液壓提升技術(shù)等也可為鋼閘門制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范的修訂提供參考[25]。

5 結(jié) 語

通過系統(tǒng)總結(jié)“橫向三支臂”弧形閘門在科學(xué)研究和工程應(yīng)用中的相關(guān)成果，指出了這種新型閘門技術(shù)的先進(jìn)性，據(jù)此提出了鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范中關(guān)于“橫向三支臂”弧形閘門的修訂建議，既可使我國鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范的內(nèi)容更加完善，也可促進(jìn)這種對(duì)泄洪消能具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的閘門的推廣應(yīng)用，以滿足未來水電工作發(fā)展的需求。