桐子林水電站溢流閘表孔弧形閘門設(shè)計

李 焰

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

桐子林水電站溢流閘表孔弧形閘門設(shè)計

李 焰

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

本文介紹了桐子林水電站溢流閘表孔弧形閘門的設(shè)計原則，并簡述了該弧形閘門的設(shè)計方法。

大孔口;表孔弧形閘門;施工進(jìn)度;經(jīng)濟(jì)性;主橫梁;斜支臂;液壓啟閉機(jī)

1 概 況

桐子林水電站位于四川省攀枝花市鹽邊縣境內(nèi)，距上游二灘水電站18 km，距雅礱江與金沙江匯口15 km，是雅礱江下游最末一個梯級電站。電站以發(fā)電為主，兼有下游綜合用水要求。水庫正常蓄水位1 015.00 m，死水位為1 012.00 m,總庫容 0.912億m3,水庫具有日調(diào)節(jié)性能。

桐子林水電站樞紐從左至右由左岸重力式擋水壩段、河床式電站廠房壩段、河床4孔溢流閘壩段、右岸導(dǎo)流明渠內(nèi)3孔泄洪閘壩段、右岸重力式擋水壩段等建筑物組成。

在河床溢流閘和右岸導(dǎo)流明渠結(jié)合段共布置7孔溢流閘，其中河床壩段4孔、明渠結(jié)合段3孔。其主要用途是宣泄洪水。每孔溢流閘設(shè)置一道工作閘門，為了檢修工作閘門，在工作閘門前面設(shè)置一道檢修閘門，7孔溢流閘共用1扇檢修閘門。為滿足泄洪和控制庫水位的要求，閘門要求動水啟閉，可局部開啟，故將溢流閘工作閘門設(shè)置為弧形。兩孔檢修閘門儲門槽布置在右岸壩段。溢流閘壩頂平面布置見圖1。

目前，7孔溢流閘表孔弧形閘門已全部安裝完成并投入運行，運行狀況良好。

2 設(shè)計原則及總體設(shè)計思路

2.1 設(shè)計原則

(1)在保證閘門安全可靠運行的前提下，盡量降低閘門制作和安裝的繁雜程度，以滿足河床式電站施工度汛的要求是閘門設(shè)計中的首要原則。

(2)由于雅礱江流域水電開發(fā)有限公司在桐子林電站首次對電站設(shè)計實行了投資控制，因此滿足經(jīng)濟(jì)性要求也成為該閘門設(shè)計中相當(dāng)重要的原則之一。

(3)便于檢修和維護(hù)。

2.2 閘門總體設(shè)計思路和基本設(shè)計資料的確定

2.2.1 總體思路

由于河床式水電站需要宣泄大流量解決汛期泄洪問題，設(shè)置的泄洪閘數(shù)量較多。而且河床式水電站的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備較多，制作和安裝工程量非常大。所以金屬結(jié)構(gòu)的制造及安裝進(jìn)度是低水頭河床式水電站施工總進(jìn)度的關(guān)鍵點之一。

桐子林水電站導(dǎo)流工程采用明渠導(dǎo)流，主體建筑分兩段三期施工。一期建設(shè)導(dǎo)流明渠(包括部分泄洪閘和右岸擋水壩段)；二期建設(shè)河床4孔泄洪閘、電站廠房和左岸擋水壩段；三期完建明渠內(nèi)3孔泄洪閘及右岸擋水壩段。也就是說，二期建設(shè)需要完成4孔河床段溢流閘工作閘門制作和安裝，三期建設(shè)需要完成3孔明渠段溢流閘工作閘門安裝。根據(jù)實際的施工情況，二期建設(shè)施工期70 d左右，三期建設(shè)施工期僅1個月。因此溢流閘工作閘門的制造和安裝工作量很大，工期相當(dāng)緊張。

考慮到弧形閘門門槽埋件制作相對簡單，而閘門門葉制作相對繁雜，根據(jù)設(shè)計原則(1)，將明渠段和河床段的弧形閘門埋件設(shè)計成不同的高度，而將閘門門葉結(jié)構(gòu)設(shè)計成完全相同的形式，以期最大限度地降低制造復(fù)雜程度，縮短生產(chǎn)周期，為閘門的施工安裝進(jìn)度提供有效保障。

2.2.2 基本參數(shù)的確定

溢流閘表孔弧形閘門的孔口寬度為16 m,按正常蓄水位即1 015.00 m作為設(shè)計水位。由于安裝位置不同，溢流閘表孔弧形閘門的底坎高程略有不同，其中河床段底坎高程為993.518 m，右岸明渠結(jié)合段993.638 m， 河床段底坎略低于右岸明渠段底坎高程，故7 孔溢流閘工作閘門均按河床段溢流閘水頭即21.482 m 作為設(shè)計水頭，閘門超高0.5 m。

根據(jù)設(shè)計規(guī)范的要求和泄流曲線的形態(tài)，弧門曲率半徑設(shè)計為25 m,支鉸高度為14.982 m。

河床段和明渠段溢流閘表孔弧形閘門的整體布置見圖2。

3 閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計說明

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

該弧形閘門孔口尺寸為16 m ×21.982 m - 21.982 m，屬于大孔口表孔弧形閘門。設(shè)計中對支鉸 形式的選擇、制造安裝方面的研究和分析，尤其是 結(jié)構(gòu)布置的優(yōu)化，是該閘門在保證安全可靠的前提 下，滿足其經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵。

3.1.1 結(jié)構(gòu)布置

由于閘門跨度較大，有效控制閘門的整體撓度 是閘門設(shè)計需要考慮的關(guān)鍵因素之一。門葉結(jié)構(gòu)采 用主橫梁布置，縱、橫次梁與主橫梁在面板側(cè)形成 同層梁系結(jié)構(gòu)，可增強門葉結(jié)構(gòu)的整體剛度。同時， 主橫梁布置方案通常采用橫向分節(jié)， 便于制造、運 輸，現(xiàn)場安裝焊接易控制精度。因此該弧門門葉結(jié) 構(gòu)采用了雙主橫梁布置方案。

由于溢流閘工作閘門屬于大跨度露頂閘門，閘 門采用“Π”型斜支臂框架，“Π”型框架如圖3 所 示。

閘門上下主梁按等水壓力布置，動力荷載系數(shù) 為1.2，總水壓力達(dá)40 900 kN。由于整體荷載大，主 框架的荷載也因此較大，同時對有局部開啟要求的 表孔弧形閘門，支臂的穩(wěn)定性也尤為重要。因此桐 子林溢流閘表孔弧形閘門的主梁和支臂截面形式 均采用箱型截面，剛度比約5.0，經(jīng)理論計算，在各 種設(shè)計工況下，主梁和直臂截面的選擇均能滿足強 度、剛度和穩(wěn)定性的要求。

按規(guī)范要求，圖中l(wèi)1 宜取0.2 L 左右。但根據(jù)已 完成的大跨度表孔弧門的設(shè)計經(jīng)驗，在相同截面特 性的情況下，l1 取0.17 L 左右反而更加經(jīng)濟(jì)。因此 在設(shè)計過程中對此進(jìn)行了分析和比較。

按規(guī)范中取l1=0.2 L 時，l1=3.2 m， 此時計算出 的主梁跨中最大彎應(yīng)力約為118.1 MPa,但支座處最 大拉應(yīng)力約為184.4 MPa,已相當(dāng)接近最大許用應(yīng)力 184.5 MPa。如果取l1=2.7 m，即l1≈0.17 L,主梁跨中 最大彎應(yīng)力約為178.1 MPa,支座處最大拉應(yīng)力約為 148.9MPa。根據(jù)以上計算值可以看出，當(dāng)l1≈0.17 L，支座截面最大拉應(yīng)力明顯降低，雖然此時主梁跨中最大彎矩有所增大，但仍在最大許用應(yīng)力范圍內(nèi)，且有一定的安全裕度。因此,在此弧門的設(shè)計中按l1≈0.17L取值，使主梁材料的性能得到了充分發(fā)揮，結(jié)構(gòu)布置更加合理，從而滿足了閘門設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性要求。

圖2 河床段和明渠段溢流閘表孔弧形閘門整體布置

圖3 閘門“∏”型框架

3.1.2 支鉸軸承的選擇

支鉸是弧形閘門的關(guān)鍵部件之一，近些年來，大型的弧門支鉸均采用球形鉸。這種支鉸采用球面自潤滑軸承，其最大的優(yōu)點是自動調(diào)整能力強，既便于安裝還可消除安裝中可能存在的誤差。同時由于這種軸承具有承載力高、體積小的特點，從而使支鉸的活動座和固定座的重量也相應(yīng)減小。基于可靠性和經(jīng)濟(jì)性的原則，該表孔弧形閘門的支鉸軸承也采用了球形自潤滑軸承。

3.1.3 其他零部件設(shè)計

閘門側(cè)水封采用“L”形橡塑水封，其接觸面積小，水封摩阻力較小，且止水效果比較理想。各節(jié)閘門的兩側(cè)均設(shè)置1個側(cè)輪作為側(cè)向限位裝置，用于保證閘門在門槽內(nèi)的正常運行。

3.1.4 閘門的分節(jié)

由于該閘門的孔口尺寸較大，考慮到制造、安裝及運輸?shù)纫螅T葉結(jié)構(gòu)設(shè)計共分為7個制造運輸單元，最大運輸單元外形的尺寸為2 126 mm×3 550mm×15 962 mm。為保證結(jié)構(gòu)單元的受力條件，減小門葉結(jié)構(gòu)在運輸過程中的變形，閘門面板分節(jié)均設(shè)置在橫向次梁位置，并要求生產(chǎn)廠家對解體后的閘門進(jìn)行加固措施后再運輸至工地。

3.2 啟閉設(shè)備

由于河床段和明渠段的表孔弧門在門葉上的吊點位置相同，為保證啟閉機(jī)容量的一致和土建施工安裝的統(tǒng)一性，將液壓啟閉機(jī)的上部支鉸位置也布置在同一高程，因此液壓啟閉機(jī)容量均為2×4 000 kN，最大行程10.15 m，僅在工作行程上略有差異，河床段液壓啟閉機(jī)工作行程為10.04 m，明渠段液壓啟閉機(jī)工作行程為9.978 m。這樣的布置保證了液壓啟閉機(jī)油缸缸徑和活塞桿直徑的統(tǒng)一性，避免了加工的多樣性，有效減少了啟閉機(jī)制作周期，同樣為溢流閘表孔弧形閘門的安裝進(jìn)度提供了保障。

4 檢修與維護(hù)的保護(hù)設(shè)施

為方便閘門的檢修和維護(hù)，在閘門支臂、閘門門葉上設(shè)有攔桿和檢修爬梯，在閘門支鉸和液壓啟閉機(jī)支鉸處也設(shè)置了檢修爬梯和檢修平臺。

5 結(jié) 語

桐子林水電站屬于典型的河床式水電站，施工期間交接面多、施工工期短、金屬結(jié)構(gòu)制造安裝量大,是所有河床式水電站施工的普遍特點，因此如何在保證金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備安全有效運行的情況下，盡量簡化制作安裝的復(fù)雜性和多樣性是設(shè)計中需要重點考慮的問題。

桐子林溢流閘表孔弧門屬于大孔口表孔弧門，具有典型性和代表性。由于孔口尺寸大，閘門尺寸及閘門承受的荷載也相應(yīng)較大，因此如何在保證閘門結(jié)構(gòu)滿足強度、剛度等要求的前提下，盡量發(fā)揮材料的最佳性能對閘門設(shè)計的經(jīng)濟(jì)合理性有舉足輕重的作用。

在弧門后期的安裝過程發(fā)現(xiàn)，大孔口表孔弧形閘門的很多設(shè)計細(xì)節(jié)同樣會對施工安裝產(chǎn)生一定的影響，比如:門葉結(jié)構(gòu)解體后的加固、箱型結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場焊接和內(nèi)部的防腐、閘門安裝中所需的進(jìn)人孔和安裝孔的設(shè)置等等細(xì)節(jié)問題，在今后的設(shè)計中值得進(jìn)行更詳細(xì)的推敲和研究，盡可能為現(xiàn)場施工提供更多的方便。

[1] 水電站機(jī)電設(shè)計手冊編寫組.金屬結(jié)構(gòu)[M].北京：水利電力出版社，1986(12):248-289.

[2] 水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范 (SL 74-95)[S].1995(10).

[3] 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范 (GB 50017-2003)[S].2003(12).

2016-09-27

李焰(1971-)，女，四川榮縣人，高級工程師，從事水電工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

TV664

B

1003-9805(2017)02-0069-04