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新政航电工程泄洪平门改弧门的可行性 |
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| 新政航电工程泄洪平门改弧门的可行性 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2008-9-24 16:59:35  |
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摘 要：新政航电工程泄洪工作闸门初步设计为平面闸门，业主希望改为弧形闸门。本文就其可行性进行了深入研究。重点介绍了弧形闸门支铰布置的三个方案、模型试验和有限元计算结果。在技施设计中最终确定采用弧形闸门。
关键词：平面闸门；弧形闸门；泄洪闸；新政航电工程
1 前言
新政航电枢纽工程位于四川嘉陵江流域仪陇县境内，由左右岸挡水坝段、船闸、厂房、泄洪冲砂闸等建筑物组成。其中泄洪冲砂闸包括13孔泄洪闸、3孔冲砂闸。泄洪闸的主要用途是枯期挡水发电，汛期宣泄洪水，要求闸门局部开启调节泄洪流量；冲砂闸布置在闸坝左侧（靠厂房侧），平时利用发电多余水量冲砂，汛期参与泄洪。泄洪闸、冲砂闸的工作闸门孔口尺寸均为12m×16．5m-16m（宽×高-水头，露顶超高0．5m），底坎高程为308．00 m，闸顶高程336．60m。在初步设计阶段采用的均是平面定轮闸门，闸门为上游止水，利用布置在358．60m高程排架上的2×1 600kN固定卷扬式启闭机操作，同时在启闭机室顶部设置一台100kN桥式起重机（单梁桥吊），供检修启闭机时使用。
工作闸门前为检修闸门，其孔口尺寸为12m×16．5m-16m。检修闸门为平面滑动闸门，下游止水，静水启闭，利用闸门节间充水，待上、下游平压后再提起整扇闸门。检修闸门设2扇，16孔共用，利用2×1 250kN双向门机通过液压抓梁操作。为了能够分别启升泄洪冲砂闸检修闸门和厂房进水口事故闸门（拦污栅），设置一台双向门机共用，门机的跨距为12 000 mm。
初步设计报告于2002年7月审查通过。应业主要求，对泄洪闸、冲砂闸的闸门型式进行专题研究，对工作闸门采用弧形闸门的可行性分析论证。
2 平面闸门方案简介
平面闸门方案即原初步设计阶段方案。在嘉陵江流域，泄洪冲砂闸前后落差较小，根据《水利水电工程钢闸门设计规范》（DL／T5013－95）第5．1．7条：弧形闸门支铰宜布置在过流时支铰不受水流及漂浮物冲击的高程上。若将弧门支铰布置在下游设计洪水位以上，则支臂过长，给水工和闸门结构布置带来很大困难；若支铰布置过低，上游洪水冲击弧门支臂以及下游回水打击门叶底部，水流条件十分复杂，同时经济性较差。因此，工作闸门采用平面双腹板简支定轮闸门，定轮不但起着承压的作用，而且还可抑制闸门的振动。
虽然对于启闭机需设置高排架，在工程施工及金属结构安装时有一定的难度，但施工单位能够采取适当的施工方法予以解决，因此，该工程的泄洪冲砂闸工作闸门采用了平面定轮闸门方案。
3 弧形闸门方案研究
3．1 方案布置与设备
弧形闸门无门槽，水力学条件较好，闸门所需启闭力小，开启和关闭灵活，而且不需要高排架。由于新政航电枢纽工程下游水位较高，本选型专题研究，重点就工作闸门采用弧形闸门进行了多参数的方案比较与论证。
工作闸门孔口尺寸参数较为常规，门叶拟采用主横梁结构，支腿为A型斜支臂箱型结构。支铰链与支铰座拟采用焊接结构，为安装及今后运管方便，铰轴轴承拟采用球面自润滑平面滑动轴承。门叶分节，于工地拼装组焊。
启闭机选用液压启闭机。由于挡水建筑物是闸坝型式，闸门又较高，因此液压启闭机布置为双吊点斜拉悬挂式，下吊点位于门叶下主横梁处。液压启闭机采用每孔一泵双缸方案，液压启闭机的行程检测采用内置式传感器，双缸的同步采用闭环控制的旁路纠偏回路，通过PLC预留端口，可实现远方自动控制弧形闸门的开度。泵站布置在闸墩尾部的闸顶启闭机房内，因闸墩宽度有限，泵站设备与电气控制屏呈纵向布置。基于美观以及今后对支铰的维护方便，液压启闭机平台高程可适当降低2m。
3．2 存在的问题及拟解决办法
《水利水电工程钢闸门设计规范》（DL／T5013－95）第5．1．7条规定：弧形闸门支铰宜布置在过流时支铰不受水流及漂浮物冲击的高程上。支铰是弧形闸门受力与传力的主要部件，因此，在设计时应按规范规定尽量避免支铰受到水流及漂浮物的冲击。
新政航电工程泄洪闸的上游设计洪水位为329．64m（P＝2％）、校核洪水位为334．40m（P＝0．2％），对应的下游设计洪水位为327．24m、校核洪水位为331．28m，上、下游的水位差Δh＝2～3m。流量系数暂按μ＝1．0考虑，则流速V为：
另外，P＝3．3％时的下游设计洪水位为326．20m。
针对以上水位，就弧形闸门的支铰高程与弧面半径、油缸的上挂点等主要参数拟定了高、中、低支铰三种布置方案。
3．2．1 高支铰方案
该方案支铰高程332．0m，弧面半径R＝28m。 支铰高于下游校核洪水位0．72m，完全避免了下游回水面流对支铰的冲击。受支铰高程、弧形闸门最大开度以及闸顶高程的限制，液压启闭机上挂点没有更多的调整余度，其高程为335．02m，距弧形闸门支铰中心的水平距离为13 400mm。容量控制在弧形闸门最大开度位置。计算表明：液压启闭机的容量为Q＝2×20 000kN，行程L＝11 500mm。
本方案虽然避免了水流对支铰的冲击，但布置方案与结构型式存在缺陷，参数量级也不相称，在技术经济性方面不尽合理，同时，土建开挖方量与混凝土方量也相当大。
3．2．2 中支铰方案
该方案支铰高程330．0m，弧面半径R＝25m。 支铰位于下游校核洪水位与设计洪水位之间。液压启闭机上挂点的调整余度也不大，其高程为334．84m，距弧形闸门支铰中心的水平距离为 9 800mm。容量控制同样在弧形闸门最大开度位置。计算表明：液压启闭机的容量为Q＝2×6 000kN，行程L＝11 500 mm。
由于支铰位于下游校核洪水位与设计洪水位之间，支铰被水流冲击的机率较小。但是弧形闸门的支腿仍显偏长，而且整个门体往上游倾斜。此布置在技术经济性方面与高支铰方案无实质性差别，土建开挖方量与混凝土方量同样较大。
3．2．3 低支铰方案
该方案支铰高程328．5m，弧面半径R＝24m。 支铰位于下游设计洪水位P＝2％～3．3％之间。液压启闭机上挂点高程334．39m，距弧形闸门支铰中心的水平距离为7 600mm。容量控制在弧形闸门挡水工作位置。计算表明：液压启闭机的容量为Q＝2×3 600kN，行程L＝12 000mm。
从总体布置、参数量级及技术经济性比较可见，低支铰方案较为理想。但问题是：在个别孔口开启的情况下，当下游水位达到设计洪水位时，所产生的回水面流要冲击支铰，是否会对工程造成危害或者有潜在的隐患，对此进行了专门的分析与论证，主要意见为：
（1）从规范条文看，是宜，并没有作出硬性规定。也就是说，结合工程的具体情况，在全面分析论证的基础上，通过必要的工程手段，支铰布置在汛期洪水位下也还是可以的。国内已有类似的工程实例，如湖南湘江流域的大源渡航电工程。
（2）支铰高程相对于下游洪水位是明确的，在常年洪水位即3．3％设计洪水位时，不存在水流冲击支铰的问题；当超过3．3％设计洪水位时，虽然机率较小且历时较短，但应采取相应措施。对于上游洪水冲击支铰问题，可在支腿上设置导流板，通过导流板的导流作用可减轻洪水对支铰的正面冲击。对于下游洪水，由于是面流，不会对支铰造成影响。
（3）本工程的实际情况：流速V＝6．3～7．7m／s，从侧向也不会对支铰造成实质上的影响。
（4）对于支铰轴端部，可以通过设置端盖板予以解决。
（5）支铰轴承采用球面自润滑平面滑动轴承，对于铰链与支铰座之间的间隙，可以通过设置□型密封圈及密封扣环予以解决。
（6）液压启闭机下端盖设置刮污器，上端盖设置内置式传感器进行行程检测。
（7）对于污物卡阻活动铰链与固定铰座之间的间隙：本工程运行工况为洪水来之前开启弧形闸门，即不能从闸门上面翻水。弧形闸门的启升靠液压启闭机操作，下降靠弧形闸门自身重量，因此污物的卡阻只存在于下降工况。对于液压启闭机，闸门下降时，只需启动油泵，打开油缸下腔的液控单向阀即可，因此既使卡阻（那怕是一边卡阻），对液压启闭机也不会造成影响，可通过人工检查与点动启升液压启闭机予以解决。
（8）污物较多的时候为稻草（树枝），2×3 600kN的启门容量有一定裕度，稻草（树枝）的卡阻难以影响闸门的起闭。
（9）建议每年汛期后，对过水的支铰进行检查与维护。
4 模型试验与有限元计算
工作闸门底坎为平底坎，运行工况有局部开启泄洪要求，在个别孔口开启的工况下，下游淹没出流将打击弧形闸门下部门叶。与平面工作闸门不同的是，弧形闸门没有门槽，也就没有反向滑块的约束，可能对弧形闸门的受力不利。因此，应进行模型试验与有限元计算。
4．1 闸门水力学试验结果
（1）闸门槽及其附近在各种运行工况下各测点的时均压强均为正压，且压强分布均匀，闸门槽在各种运行工况下发生空蚀的可能性不大。
（2）闸门槽及其附近的压强脉动强度不大，最大均方根值为8．67kPa（0．867m水柱），发生在开度0．75的运行工况。脉动能量的主频为0．2Hz，大于1．0Hz的能量几乎为零，符合正态分布。
（3）闸门面板上的脉动压强的脉动强度很小，最大均方根值为4．38kPa，按6倍均方根值计算脉动双倍振幅，也仅有26．3kPa。脉动能量的主频为0．2Hz，大于1．0Hz的能量几乎为零，且基本符合正态分布。脉动强度随开度的变化不大。
（4）支铰所受由闸门结构传来的水流推力主要是由静压产生的，时均值是主要部分，脉动部分约占总支铰力的2％～7％。脉动支铰力的主频很低，约为0．02Hz，脉动能量分布在0．2Hz以内。脉动支铰力符合正态分布。
4．2 闸门静力计算结果
（1）在水压及自重荷载作用下：沿x方向，跨中靠下部位移较大，最大位移为24．5mm；沿y方向，支臂中跨位移较大，最大位移为9．4mm。上下支臂相互拉开，上下支臂中部外凹，至主梁处出现内凹。总体最大位移出现在跨中横向隔板和纵向隔板处，最大值为24．5mm。
（2）由应力分析结果可知：跨中纵向隔板翼缘出现最大第一主应力，其值为121 MPa；靠近边梁的两 块纵向隔板与上主梁下腹板连接处附近以及边梁和纵向隔板翼缘处剪应力较边梁及隔板其他部位大，其值在56 MPa左右；下支臂内侧靠近主梁附近腹板第三主应力和冯氏应力均较大，在150 MPa左右，整个下支臂超过100 MPa的区域较多；支臂横梁主要受拉，应力值较小，在50MPa以内。
（3）在整个弧门结构中，支臂受较强的压应力作用（特别是下支臂），支臂为较薄弱的构件，因此应对支臂截面翼缘及腹板加厚，以提高抗压及抗剪能力。
4．3 时均应力及位移计算结果
采用工作闸门水力学模型测压管所得数值分别计算工作闸门在0．25、0．5开度下的位移、应力。计算结果表明：在0．25开度下，闸门的最大位移发生在启闭杆上，位置位于下部相对较细的启吊杆上部，最大x方向位移为50 mm，最大y方向位移为40mm，整体最大位移为64mm。面板上的位移特征为顶部位移朝x负方向，最大值为5．3mm，底部朝x正方向，最大值为13．1mm；y方向位移顶部较底部稍大，顶部最大位移在18．5mm左右，底部最大位移在15．5mm左右。在0．5开度下，闸门最大位移为59．1mm，最大x方向位移为45．1mm，最大y方向位移为52．3mm，最大位移均发生在下部相对较细的启吊杆上部。面板上的位移特征也为顶部位移朝x负方向，最大值为6．6mm，底部朝x正方向，最大值为8．7mm；y方向位移顶部与底部相差无几，均在13．5mm左右。
4．4 脉动应力及位移计算结果
（1）闸门面板的脉动水力学试验表明，闸门开度从0．25～0．5变化时，面板脉动压力随开度增加有增大的趋势。计算的动位移、动应力结果也符合此变化规律。开度e／h＝0．5时的最大动位移、动应力振幅分别为373．5μm、1．14 MPa；开度e／h＝0．25时的动位移、动应力振幅分别为213．9μm、0．585MPa。
（2）闸门振动响应与闸门开度存在一定关系，其规律性与脉动荷载与闸门开度关系密切。从静应力和动应力计算结果可知，闸门下支臂靠近内侧产生最大应力，但动应力较小，静应力占主要部分，最大动应力振幅占总应力不足5％，与面板上水动力荷载脉动分量占总荷载2％～7％的规律相同。
（3）从结构位移、应力响应图分析得知，脉动能量主要分布在2．0Hz以内，大于2．0Hz的能量很小。不同开度下工作闸门的基频最低为1．8Hz以上，故闸门产生低阶共振的可能性不大。
4．5 水弹性模型试验结果
（1）模型实测动应力随下游水位的增加而减小，最大动应力为50．8MPa（靠近闸门面板的3号测点，e／h＝0．1）。支臂横向支撑附近的动应力稍小。
（2）当e／h＝0．25时，模型实测最大动应力为31．59MPa（3号测点），与有限元计算结果（32．2MPa）基本一致。
（3）最大水平动位移均方根值（闸门面板上缘17号点）为273μm，发生在e／h＝0．5时。其它开度为100～300μm量级。
（4）最大垂向动位移均方根值（闸门面板上缘）为98．79μm，发生在e／h＝0．5时。其它开度为50μm量级。
（5）动位移随闸门开度和随下游水位的增加有增大的趋势。
（6）动应力和动位移的频率较低，在2Hz以内。
5 结论
（1）从金属结构技术范畴、水工建筑物布置综合分析，采用平面闸门-卷扬启闭机方案、弧形闸门-液压启闭机方案均是基本可行的。但弧形闸门方案，由于闸墩加长需要增加土建工程量，油缸的检修条件稍差。
（2）对于弧形闸门低支铰方案，通过采取适当合理的技术措施，能够保证闸门的安全运行，技术经济性较合理。
（3）与高排架相比，弧形闸门方案使整个枢纽闸顶布置整齐、美观。
（4）技施设计最后采用了弧形闸门方案。
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