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    關(guān)于在規(guī)范中增加“橫向三支臂”弧形閘門的建議

    2023-12-27 01:21:22劉計(jì)良王正中劉云賀董旭榮
    水力發(fā)電 2023年12期
    關(guān)鍵詞:支臂泄洪洞孔口

    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。

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