南歐江二級水電站泄洪沖沙閘大型平面工作閘門設(shè)計研究

崔　稚，曹慧穎，馬仁超，余俊陽

(中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南昆明650051)

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南歐江二級水電站泄洪沖沙閘大型平面工作閘門設(shè)計研究

崔稚，曹慧穎，馬仁超，余俊陽

(中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南昆明650051)

針對南歐江二級水電站泄洪沖沙閘工作閘門存在的技術(shù)難題，采用三維有限元分析和物理模型試驗相結(jié)合的方式，分析了大型平面工作閘門的結(jié)構(gòu)受力特性和振動特性。通過在閘門設(shè)計方面采取了一系列創(chuàng)新措施，較好地解決了閘門結(jié)構(gòu)優(yōu)化、抗振、閘門淹沒出流等問題。

大型平面工作閘門；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；三維有限元；流激振動；底緣型式；主輪；南歐江二級水電站

1　工程概況

老撾南歐江二級水電站以發(fā)電為主，工程等別為二等大(2)型工程，總裝機容量3×40 MW。工程采用堤壩式開發(fā)，主要建筑物由混凝土閘壩、兩岸接頭混凝土重力壩(非溢流壩段)、壩式進水口和河床式廠房等構(gòu)成。

泄洪沖沙建筑物位于河床左岸，由7孔泄洪沖沙閘組成。泄洪沖沙閘工作閘門為大型露頂式平面閘門，孔口尺寸15 m×20.2 m(寬×高)，設(shè)計水頭20.7 m，操作條件為動水啟閉，局部開啟，門后存在淹沒出流工況。啟閉設(shè)備為固定卷揚式啟閉機。

2　設(shè)計研究背景

水電站工作閘門，特別是大型露頂式泄洪表孔工作閘門，常采用弧形閘門。弧形閘門具有啟閉省力、運行可靠、門槽不影響水流流態(tài)、局部開啟時泄流條件好等優(yōu)點，但存在閘門所占的空間位置較大、支鉸部位受力集中等問題，造成樞紐布置困難，投資大。

南歐江二級水電站為河床式閘壩電站，其壩高不大，壩身較薄，泄洪沖沙閘是電站主要的泄洪沖沙通道。泄洪沖沙閘工作門不僅要求頻繁運行，且需局部開啟調(diào)節(jié)流量。若采用弧形閘門作為泄洪閘工作閘門，則弧門半徑會較大，支鉸推力也比較大，需要的閘壩寬度、閘墩的厚度都較大，導(dǎo)致土建工程量大幅增加。而采用平面工作閘門，則可以減小閘壩寬度、閘墩厚度，大大減少土建工程量。

對于閘壩式電站而言，平面工作閘門數(shù)量較多，金屬結(jié)構(gòu)工程量也相對較大。因此，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)減輕重量對于有效降低金結(jié)設(shè)備造價乃至于整個工程的投資意義較大。平面閘門相對于弧形閘門而言，其過流流態(tài)、門槽水力學(xué)條件較為惡劣。尤其在閘門局部開啟，門后的水位較高，淹沒出流時，平面閘門發(fā)生振動的可能性大大增加。如何采取有效措施避免閘門振動，是大型平面工作閘門面臨的重要技術(shù)問題。大型平面工作閘門由于支承跨度大，必然導(dǎo)致支承部位產(chǎn)生較大的變形，選擇合適的支承形式十分重要。這對此類閘門的設(shè)計提出了新的要求。

3　設(shè)計研究內(nèi)容

3.1設(shè)計研究方法

首先，建立閘門三維有限元模型(見圖1)，模擬全水頭條件下閘門的變形、支承的受力情況等；同時，研制閘門水彈性相似模型，測量閘門的模態(tài)特性[1]，通過水力學(xué)模型試驗測量閘門門體的動應(yīng)力、加速度及位移響應(yīng)，提出合適的抗振措施。

圖1　閘門三維有限元模型

3.2主要研究內(nèi)容

3.2.1閘門梁格分布及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

露頂式閘門承受的水壓力為三角形分布，底部壓力大，頂部壓力小，基于此，通過沿閘門高度方向改變主梁高度及主梁間距的方式對閘門結(jié)構(gòu)進行最大限度優(yōu)化。大跨度閘門在主梁結(jié)構(gòu)計算時，剛度計算是其控制因素，而彎應(yīng)力偏富余，基于此，采用變截面主梁結(jié)構(gòu)對門葉結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，在保證閘門強度、剛度的同時，節(jié)省了工程量。

同時，對優(yōu)化后的閘門結(jié)構(gòu)進行了閘門全關(guān)擋水工況下的有限元結(jié)構(gòu)計算[2]，計算成果如圖2和圖3所示。結(jié)果表明，閘門結(jié)構(gòu)除個別部位應(yīng)力集中外，整體結(jié)構(gòu)的Mises應(yīng)力不超過151.0 MPa，滿足《水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范》的要求，并且具有一定的安全余度。閘門X、Y、Z3個方向的最大位移分別為18.18、3.15、3.53 mm，最大合位移為18.24 mm，滿足剛度要求。有限元計算結(jié)果說明優(yōu)化后的門葉結(jié)構(gòu)是安全的，而且為局部二次優(yōu)化提供了指導(dǎo)。

圖2　應(yīng)力分布示意(單位：Pa)

圖3　位移分布示意(單位：m)

3.2.2閘門底緣結(jié)構(gòu)優(yōu)化

常規(guī)的閘門底緣結(jié)構(gòu)形式為開放式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)形式在復(fù)雜水流條件下易出現(xiàn)局部負壓和壓力波動等不利現(xiàn)象[3]，增大閘門振動的風(fēng)險。為優(yōu)化閘門出流流態(tài)，避免閘門振動，采用全封閉底緣結(jié)構(gòu)。

同時，建立了完全水彈性相似模型[4](模型幾何比尺為1∶25)，對閘門的振動動力學(xué)特性進行了試驗研究。試驗成果如下：

(1)工作閘門門體壓力特性。工作閘門局部開啟及連續(xù)開啟過程中，門體均沒出現(xiàn)負壓。工作閘門局部開啟時，各測點脈動壓力均方根值基本都在5.0 kPa以內(nèi)，工作閘門連續(xù)開啟時，脈動壓力均方根最大值也只有13.7 kPa。

(2)流激振動動應(yīng)力響應(yīng)。工作閘門局部開啟運行時，底緣距離底板小于5 m時，門體各測點動應(yīng)力均方根值基本都在0.5 MPa以內(nèi)；工作閘門底緣距離底板大于7 m時，靠近閘門底緣部位測點的動應(yīng)力均方根值隨閘門開度增大明顯增大，最大均方根值為1.75 MPa。工作閘門連續(xù)開啟過程中，大部分測點最大均方根值在量級上與閘門局部開啟運行工況相同，均在較小值范圍內(nèi)。

(3)流激振動加速度與位移響應(yīng)。各測點加速度均方根值及位移均方根值均在較小值范圍內(nèi)，加速度均方根值都在0.3 m/s2范圍內(nèi)，位移響應(yīng)均方根值都在65 μm范圍內(nèi)。工作閘門連續(xù)開啟過程與閘門局部開啟工況相比，加速度最大均方根值在數(shù)值上略有增大，但均在較小值范圍內(nèi)。加速度最大均方根值為0.64 m/s2。

美國阿肯色河通航樞紐中心提出了以振動位移均方根值來劃分水工鋼閘門振動強弱的標(biāo)準，即位移為0～0.0508 mm的振動可以忽略不計、位移為0.0508～0.254 mm的振動為微小、位移為0.254～0.508 mm的振動為中等、位移大于0.508 mm的振動為嚴重。由此位移判別標(biāo)準，工作閘門在局部開啟運行時的振動均屬于微小量級。綜合以上分析，工作閘門采用該設(shè)計底緣型式時，閘門上、下游壓力分布合理，脈動壓力荷載較小，閘門振動也屬于微小量級，因而該閘門結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計運行要求。

3.2.3主輪優(yōu)化

主輪是將閘門水壓力傳遞到門槽的重要零部件，一般主輪踏面結(jié)構(gòu)為圓柱型表面。大型平面閘門由于支承跨度大(可達16 m以上)，主梁受水壓力作用所產(chǎn)生的撓度(可達3～4 cm左右)傳遞到主輪上，導(dǎo)致主輪偏轉(zhuǎn)，與軌道的接觸方式由線接觸變?yōu)辄c接觸，支承位置發(fā)生變化。造成局部接觸應(yīng)力急劇增大，超過材料的屈服強度而引起塑性變形，進而損害主輪和軌道。通過研究，主輪采用雙曲線表面結(jié)構(gòu)，保證主輪與軌道的接觸方式始終為點接觸。

大型露頂式平面工作閘門尺寸大，閘門主輪眾多，焊接加工后易引起變形，主輪踏面不一致，導(dǎo)致主輪受壓不均。為保證主輪的踏面處于一個平面內(nèi)，采用偏心輪設(shè)計，使每個輪子均可根據(jù)實測偏差進行調(diào)整，保證主輪均勻受壓。

通過上述研究，南歐江二級泄洪沖沙閘工作閘門通過閘門梁格結(jié)構(gòu)分布優(yōu)化、閘門底緣結(jié)構(gòu)優(yōu)化、支承主輪結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化等措施，減輕工程量達10%以上。最終的設(shè)計成果如圖4、5所示。

圖4　泄洪沖沙閘工作閘門三維模型

圖5　泄洪沖沙閘工作閘門布置示意

4　結(jié)　語

針對南歐江二級水電站大型平板工作閘門存在的諸多問題，設(shè)計中對閘門進行了三維有限元分析，采用變截面梁設(shè)計，按等應(yīng)力布置門葉梁格結(jié)構(gòu)，在保證閘門強度、剛度的同時，有效減少了工程量。通過模型試驗，并在此基礎(chǔ)上加以分析，采用封閉式底緣結(jié)構(gòu)形式，增加了底緣剛度、優(yōu)化了門后水流流態(tài)。同時，采用雙曲率偏心主輪，保證主輪與軌道的接觸方式始終為點接觸，并且每個輪子均勻受壓。通過以上措施，較好地解決了該類閘門設(shè)計中的一些技術(shù)難題，為其正常投入運行提供了保障。

[1]招濱， 張林讓， 賓仕勛， 等. 橋鞏水電站泄水閘大型平面閘門流激振動模型試驗研究[J]. 紅水河， 2009, 28(2): 30-32．

[2]張燎軍， 陳文龍， 葉華順. 恒仁高孔平面定輪閘門三維有限元分析[J]. 水利電力機械， 2003, 25(1): 12- 15.

[3]章晉雄. 高水頭平面事故閘門動水關(guān)閉水動力特性及門槽水力特性研究[D]. 北京： 中國水利水電科學(xué)研究院， 2013．

[4]吳杰芳， 張林讓， 余嶺. 閘門流激振動全水彈性模型試驗的原型驗證[J]. 長江科學(xué)院院報， 2005, 22(5): 62- 64．

(責(zé)任編輯高瑜)

Design Research on the Large Plain Service Gate of Flushing and Releasing Sluice in Nam Ou 2 Hydropower Station

CUI Zhi, CAO Huiying, MA Renchao, YU Junyang

(PowerChina Kunming Engineering Corporation Limited, Kunming 650051, Yunnan, China)

For solving the technical questions of flushing and releasing sluice service gate in Nam Ou 2 Hydropower Station, the three-dimensional FEM method and physical model test are applied to analyze the structure force characteristics and vibration characteristics of large plain service gate. The questions including structural optimization, vibration and submerged flow of plain gate are solved by adopting innovative measures on gate design．

large plain service gate; structural optimization; three-dimensional FEM; flow-induced vibration; bottom style; main wheel; Nam Ou 2 Hydropower Station

2016- 03- 08

崔稚(1971—)，男，山東曹縣人，高級工程師，主要從事水電水利工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計工作．

TV663(334)

A

0559- 9342(2016)05- 0074- 03