前坪水庫工程泄水建筑物金屬結構設計及關鍵技術研究

胡 嵩 王長江

一、工程概述

前坪水庫位于淮河最大支流沙潁河的主要支流北汝河上游，壩址在河南省洛陽市的前坪村附近，汝陽縣城以西9km。水庫控制流域面積1325 km2，多年平均徑流量2.93億m3。建成后，可以控制北汝河山丘區洪水，將北汝河防洪標由現狀的10年一遇提高到20年一遇；配合已建的昭平臺、白龜山、孤石灘水庫及規劃興建的下湯水庫、燕山水庫和泥河洼蓄洪區聯合運用，控制漯河下泄流量，將沙河的防洪標準由目前的10～20年一遇近期提高到20年一遇，遠期提高到50年一遇，從而逐步解決沙潁河防洪問題。

前坪水庫工程泄水建筑物包括溢洪道、泄洪洞、輸水洞。相應的金屬結構有溢洪道工作閘門、泄洪洞工作閘門和事故檢修閘門、輸水洞工作閘門及攔污柵。本文著重對泄洪洞事故閘門的門槽型式、持住力進行了研究、分析與計算。

二、泄洪洞閘門設計

泄洪洞1孔，孔口凈寬6.5m，底板高程為360.00m。泄洪洞布置一扇工作閘門及一扇事故閘門，結構布置見圖1。工作閘門孔口尺寸為6.5m×7.5m，事故閘門孔口尺寸為6.5m×9.0m。

工作閘門20年一遇洪水及20～50年一遇洪水時控泄，50年一遇洪水以上時敞泄，故工作閘門及事故閘門最高擋水位417.20m。事故閘門按500年一遇設計，防洪水位418.36m校核。

1.工作閘門

工作閘門（寬×高-水頭）采用（6.5m×7.5m-57.2m）潛孔式直支臂弧形鋼閘門，計1扇，閘門底檻高程360.00m。工作閘門最高擋水位417.20m，設計水頭57.20m，動水啟閉。

面板布置朝庫內側，閘門弧面半徑14.0m，閘門主要結構材料Q345B。支鉸中心高程370.50m，支鉸采用圓柱鉸，鉸鏈和鉸座材料ZG310-570，軸材料40Cr，軸套采用GEW600HS-2RS自潤滑關節軸承，摩擦系數取0.14。側向采用φ400mm簡支滾輪支承，材料ZG270-500。側止水采用單向止水，材料采用橡塑復合止水，在基材SF6674表面噴涂聚四氟乙烯，頂止水采用雙道止水，一道設在門葉上與側止水形成連續的封閉止水，一道設在門楣上，采用彈性轉鉸水封，防止閘門在開啟過程中門頂射流，門后設通氣孔，面積約4m2。

埋件采用二期混凝土預埋，側軌、門楣和底檻均采用焊接結構，主要結構材料Q345B，與止水接觸面采用不銹鋼板，材料1Cr18Ni9Ti。

閘門采用潛孔式直支臂球鉸弧形鋼閘門。支鉸支承在門后胸墻上部的鋼梁上。水平靜水壓力26379.6kN，垂直靜水壓力15748.1kN，總水壓力30723kN。

支臂采用箱型對稱結構，主梁與支臂剛度比9.45。側止水采用方“P”型止水橡皮布置在面板側，止水采用“I”型楔形橡皮，止水均布置在面板側。

鉸座、鉸鏈采用ZG310-570鑄鋼件，軸為40Cr，軸徑φ750mm，軸襯采用銅基鑲嵌自潤滑球鉸軸承。

側向限位采用6只簡支式側滾輪，布置在邊梁腹板上，輪徑φ400mm，輪體材料ZG230－450。

啟閉水位按417.20m（防洪高水位）設計，啟閉機QHSY-3200/315kN-9.8m搖擺式深孔弧門液壓式啟閉機，啟門力為3200kN，閉門力為315kN，一門一機共1臺啟閉機。選用1套液壓站，采用2套油泵電機組，互為備用。

2.事故閘門

事故閘門采用（6.5m×9.0m-57.2m）平面定輪鋼閘門，計1扇。閘門底檻高程360.0m。主要結構材料Q345B。閘門設計水頭57.20m。動閉靜啟，啟門考慮5.0m水頭差。

閘門面板朝向上游庫內側，頂止水設在頂梁后翼板，利用水柱閉門，止水采用單向止水，材料采用橡塑復合止水，在基材SF6674表面噴涂聚四氟乙烯，側止水及頂止水采用P型橡皮，布置在后翼緣側，底止水采用I型切角橡皮，布置在下主梁中間的豎隔板上，距離面板620mm。

圖1 前坪水庫泄洪洞金屬結構布置圖

表1 閘門相關設計參數表

表2 閘門在各開度情況下的持住力數值表

閘門主支承采用φ800mm簡支滾輪支承，滾輪材料為ZG35Cr1Mo，輪軸材料40Cr，軸徑220mm，軸套材料為高強度鋼基銅塑自潤滑軸承，摩擦系數取0.14。側向采用φ400mm簡支滾輪支承，輪體材料ZG230-450。

事故閘門動閉靜啟，門頂設充水閥，充水閥內徑為400mm。門后設4個φ500mm的通氣孔。閘門計算啟門力 Fq=142.8t，持住力 Ft=308.49t，啟閉設備選用QPG-3200/2000kN-47.0m高揚程固定卷揚式啟閉機，計1臺，持住力為3200kN，啟門力為2000kN。

三、泄洪洞事故閘門關鍵技術研究

事故閘門關鍵技術主要有門槽的型式、閘門持住力優化。該工程事故閘門有輸水洞事故閘門和泄洪洞事故閘門，由于輸水洞事故閘門洞前水流的速度低，故只對泄洪洞閘門進行研究。

1.門槽型式

高速水流通過平面閘門時，由于門槽邊界突變，容易發生空化水流，致使門槽及其附近的邊墻或底板上發生空蝕。水流經過一定形狀的固體邊界，形成壓力場和速度場，具有一定的壓力分布和速度分布。當溫度不變，流速增加，則壓力降低，當壓力降低到一定的數值時，水體內部就空化而形成空泡或空腔，即空穴現象。空泡從低壓區流向高壓區，迅速發生潰滅，對固體邊界產生巨大的瞬時沖擊力，不斷的錘擊固體邊界，久而久之，固體材料因疲勞而產生剝蝕，這種現象稱為空蝕作用。

通常用水流空穴數K來判別空穴現象發生的條件。水流空穴數K的定義為：K=（H1+Ha-Hv）/V12/2g,H1、V1為靠近門槽上游的斷面上水流的平均壓力和流速，Ha為大氣壓力，Hv為水的氣化壓力

事故閘門20～50年一遇洪水位時控泄，控泄流量1000m3/s，50年一遇洪水以上敞泄，最大控制流量1400m3/s。根據模型試驗，最大控制流量1400m3/s時，工作閘門前流速為27m/s，此時事故閘門前流速為24.0m/s，門槽上游的斷面上水流的平均壓力27.0m。事故閘門寬深比為1.5，門槽初生空穴數Ki=0.38（W/0.57D）=0.57，在最大控制流量1400m3/s條件下，門槽前水流空穴數K為1.18。水流空穴數K大于門槽初生空穴數Ki，不會發生空蝕。

通過模型試驗及計算，事故閘門門槽上游的斷面上水流的速度24.0m/s，流速較大，門槽型式采用《水利水電工程鋼閘門設計規范》附錄C推薦的Ⅱ型門槽，即門槽下游錯距80mm，斜坡 1∶10。

2.閘門的持住力優化

高水頭事故閘門為動水閉門，由于因水壓力而引起的摩阻力很大，靠閘門自重很難閉門，需要增加閉門力。增加閉門力的方法有：在門體上配重；利用門頂水柱。事故閘門通常為動閉靜啟，門體內配重，會增加啟門力，可能導致啟閉機容量增加。利用門頂水柱閉門，需要合理的設計胸墻與門楣的結構型式和尺寸。深孔閘門在需要借助門頂水柱壓力才能關閉時，護面板的豎直段須適當加高。因為只有當閘門的頂止水與護面板的豎直段緊貼時，才能產生完全的門頂水柱壓力。根據試驗研究表明，只要閘門的上游邊留有足夠的凈空S2，閘門的下游邊的凈空（S1+Δ）適當的小（如圖2所示，S2≥5S1，Δ=100mm 或 Δ=S1），則關閉閘門時，閘門頂部的水位就可以得到及時的補充，這時護面板的豎著段高度h僅需為孔口高度H的5%～10%，但不得小于300mm。這樣就可以利用水柱的壓力，迅速關閉閘門。

圖2 利用門頂水柱壓力關閉的深孔閘門槽布置圖

根據該工程特點，經過綜合比較，該工程采用利用門頂水柱閉門的方案。按上述要求布置門槽相關尺寸，當閘門關閉時，閘門下降到孔口高度H的0.5H時，開始在門頂產生水柱，閘門相關設計參數如表1所示。

當閘門開度0.5以下時閘門水柱才發揮主要作用。經過反復調算，最終選擇D1=0.7m，D2=0.6m，計算出閘門在 0.5、0.44、0.35、0.18 及 0.09 開度情況下的持住力，如表2所示。

四、結語

前坪水庫泄洪洞及溢洪道金屬結構設計工程已于2017年12月中旬全部完工，泄洪洞工作閘門及啟閉機已經安裝完畢，泄洪洞事故閘門場內制造完成，計劃2019年汛后下閘蓄水，閘門、啟閉機的運行情況待水庫正常蓄水發電后進行檢驗