洋溪水利樞紐工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)分析

梁 獻(xiàn)，張 明，樊冠橋

（廣西水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，南寧 530023）

1 概述

洋溪水利樞紐是柳江流域綜合規(guī)劃的第12 個(gè)梯級(jí)，位于廣西柳州市三江縣境內(nèi)，柳江干流都柳江上，是柳江中下游的防洪控制性工程之一，也是國(guó)務(wù)院172 項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程之一，是以防洪為主，結(jié)合發(fā)電、航運(yùn)等綜合利用的大型水利樞紐工程，電站裝機(jī)容量100 MW，船閘建設(shè)規(guī)模為III級(jí)船閘。

洋溪水利樞紐工程洪峰流量大、防洪調(diào)度復(fù)雜，閘門(mén)設(shè)計(jì)水頭和操作水頭高、總水壓力大，金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備規(guī)模大、類(lèi)型多，包括溢流壩、電站廠房、船閘、魚(yú)道、施工導(dǎo)流工程等水工建筑物的閘門(mén)及其啟閉設(shè)備。金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備總用鋼量約16 190 t。其中溢流壩超大型潛孔弧形閘門(mén)、船閘超大型人字閘門(mén)及反向弧形閘門(mén)的設(shè)備規(guī)模在國(guó)內(nèi)水電工程中名列前茅，金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題需要進(jìn)行深入分析研究。

2 溢流壩金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

洋溪水利樞紐工程初步設(shè)計(jì)溢流壩共設(shè)有1個(gè)泄洪高孔及9 個(gè)泄洪低孔，每個(gè)泄洪孔均依次設(shè)有事故閘門(mén)及工作閘門(mén)。受主河道寬度限制，泄洪閘門(mén)的寬度也受到限制，閘門(mén)型式為窄高型。泄洪高孔工作閘門(mén)孔口尺寸（寬×高）為7.00 m×18.71 m，設(shè)有1扇潛孔式弧形工作閘門(mén)，設(shè)計(jì)水頭42 m，總水壓力約55 000 kN，弧形閘門(mén)支鉸總推力約60 000 kN。泄洪低孔工作閘門(mén)孔口尺寸（寬×高）為7.00 m×17.35 m，每孔設(shè)有1 扇潛孔式弧形工作閘門(mén)，設(shè)計(jì)水頭50.15 m，總水壓力約67 950 kN，弧門(mén)支鉸總推力約70 000 kN。高孔閘門(mén)的啟閉設(shè)備采用QHLY-2×6300 kN 液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，低孔閘門(mén)的啟閉設(shè)備均采用QHLY-2×6300 kN液壓?jiǎn)㈤]機(jī)。

對(duì)于溢流壩這種設(shè)計(jì)水頭大、操作水頭大、總水壓力大、啟閉機(jī)容量大的超大型潛孔式弧形工作閘門(mén)和液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，重點(diǎn)分析研究以下幾方面技術(shù)問(wèn)題。

2.1 弧形閘門(mén)布置

閘門(mén)及啟閉機(jī)總體布置關(guān)系到整個(gè)樞紐工程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性和安全性，閘門(mén)布置要避免在閘前產(chǎn)生橫向流、淹沒(méi)出流和回流對(duì)閘門(mén)沖擊，避免胸墻底部空腔產(chǎn)生“水-氣錘作用”等不利影響。弧門(mén)支鉸和啟閉機(jī)支鉸的布置是設(shè)計(jì)考慮的重點(diǎn)，弧門(mén)支鉸高程對(duì)支鉸受力及啟閉力影響較大。對(duì)于本工程低孔弧形工作閘門(mén)，經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，在總水壓力和啟門(mén)力的共同作用下，并考慮1.1 的動(dòng)力系數(shù)，當(dāng)弧門(mén)支鉸布置在下游設(shè)計(jì)洪水位以上1 m時(shí)，支鉸總推力約為78 200 kN；當(dāng)弧門(mén)支鉸布置在下游校核洪水位以上0.5 m 時(shí)，支鉸總推力約為85 000 kN；為了使弧門(mén)受力比較合理，并結(jié)合考慮泄洪水面線及水工布置的協(xié)調(diào)性，擬定弧門(mén)支鉸布置在下游設(shè)計(jì)洪水位以上1 m 處（約為底檻以上1.11 倍閘門(mén)高度處）。這是符合鋼閘門(mén)設(shè)計(jì)規(guī)范要求的。

2.2 弧形閘門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）梁系結(jié)構(gòu)型式。泄洪高低孔弧門(mén)寬高比分別為0.37 和0.40，屬于高窄型，這種寬高比很小的弧形閘門(mén)國(guó)內(nèi)并不多見(jiàn)，設(shè)計(jì)需要考慮的梁系結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題是閘門(mén)整體剛度及其門(mén)葉分節(jié)的問(wèn)題。梁系結(jié)構(gòu)主要有3種型式：主橫梁同層布置、主縱梁同層布置、主縱梁疊層布置。考慮到主縱梁同層布置能夠更好地解決高窄型弧形閘門(mén)整體剛度及門(mén)葉分節(jié)問(wèn)題，因此，閘門(mén)的梁系結(jié)構(gòu)采用主縱梁同層布置型式，即面板支承在垂直次梁和主縱梁上，而垂直次梁與主縱梁之間的高差，采用多根橫梁支承前者，從而形成整體剛度較強(qiáng)的門(mén)葉結(jié)構(gòu)。

（2）側(cè)向裝置型式。低孔閘門(mén)結(jié)構(gòu)下游處于深度淹沒(méi)狀態(tài)，閘門(mén)振動(dòng)位移明顯，具有低頻大振幅振動(dòng)特征，尤以側(cè)向和切向振動(dòng)為大，因此，考慮在閘門(mén)結(jié)構(gòu)每邊側(cè)向適當(dāng)位置設(shè)置滾輪（精加工），保持與兩側(cè)導(dǎo)軌（嚴(yán)格控制制作和施工安裝精度）的緊密接觸，使之起到閘門(mén)側(cè)向振動(dòng)約束作用和導(dǎo)向作用，控制可能產(chǎn)生的低階橫向和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。

（3）水封裝置型式。鑒于閘門(mén)結(jié)構(gòu)水封漏水常常引發(fā)強(qiáng)烈自激振動(dòng)，危害很大，因此選擇適合的閘門(mén)底止水、側(cè)止水、頂止水的型式及水封的材質(zhì)，確保閘門(mén)在啟閉過(guò)程中不出現(xiàn)有害的自激振動(dòng)現(xiàn)象，減少空蝕和氣蝕影響。

（4）支臂型式。支臂是弧形閘門(mén)的薄弱環(huán)節(jié)，國(guó)內(nèi)發(fā)生的弧形閘門(mén)破壞事故相當(dāng)部分是由于支臂失穩(wěn)引起的，而支臂的動(dòng)力穩(wěn)定性又是問(wèn)題的關(guān)鍵，應(yīng)從結(jié)構(gòu)上保證支臂的穩(wěn)定性。本工程弧形閘門(mén)兩種孔口高度分別為18.71 m 和17.35 m，面板曲率半徑33 m，支臂長(zhǎng)度達(dá)30 m，總水壓力相當(dāng)大，在國(guó)內(nèi)屬最大級(jí)別之一。對(duì)于這樣的潛孔弧門(mén)，由于總水壓力大、支臂長(zhǎng)，支臂的穩(wěn)定性尤為重要，考慮到直支臂配合支承鋼梁的結(jié)構(gòu)型式具有受力明確、無(wú)側(cè)向推力、支臂抗扭性能好、支鉸容易保證同心度的特點(diǎn)，因此，支臂型式采用直支臂。另外，由于門(mén)葉高度相當(dāng)高，雙支臂等荷載布置的型式難以解決門(mén)葉上部懸臂段的剛度問(wèn)題，而三支臂可以使門(mén)葉上懸臂段減小，從而使懸臂段及閘門(mén)剛度得以保證，因此采用三支臂型式。

（5）支鉸及支承型式。閘門(mén)每個(gè)支鉸的最大總推力近40 000 kN，對(duì)支鉸及支承的要求相當(dāng)高，考慮到球形支鉸具有受力明確、能夠適當(dāng)調(diào)節(jié)閘門(mén)制造安裝誤差的特點(diǎn)，弧門(mén)支鉸采用銅基鑲嵌自潤(rùn)滑球形支鉸。對(duì)于支鉸的支承型式，由于鋼橫梁型式比牛腿型式能夠更好控制結(jié)構(gòu)變形量及支鉸的同軸度，因此采用鋼橫梁型式。支鉸座直接支承的鋼橫梁上，鋼橫梁的兩端通過(guò)預(yù)應(yīng)力鋼筋與閘墩連接，把閘門(mén)荷載傳遞到兩側(cè)閘墩。

2.3 閘門(mén)流激振動(dòng)試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究

目前弧形工作閘門(mén)的設(shè)計(jì)假定通常用平面假定體系，而弧形閘門(mén)本身是一個(gè)復(fù)雜的空間桿件及板殼系統(tǒng)，實(shí)際的應(yīng)力、應(yīng)變會(huì)與通常的計(jì)算結(jié)果有一定的偏差。而本工程弧形閘門(mén)尺寸較大，所以亦有必要根據(jù)通常平面假定體系并結(jié)合有限元分析進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算和流激振動(dòng)試驗(yàn)，相互驗(yàn)證，以便確定合適的結(jié)構(gòu)形式，力求閘門(mén)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)安全、經(jīng)濟(jì)合理。

（1）進(jìn)行泄水低孔水力學(xué)試驗(yàn)研究與體型試驗(yàn)論證。針對(duì)弧形閘門(mén)布置特點(diǎn)，測(cè)量底孔進(jìn)口及閘室段水流流態(tài)，流速、脈動(dòng)壓力、水面線、水流空化數(shù)等水力學(xué)參數(shù)；在運(yùn)行水頭變幅范圍內(nèi)，要求有穩(wěn)定的水流。由弧門(mén)開(kāi)啟產(chǎn)生的水流不能影響建筑物的安全；在確保安全運(yùn)行的前提下，力求體型經(jīng)濟(jì)合理。

（2）試驗(yàn)測(cè)定上游進(jìn)口可能形成的漩渦、封閉氣囊對(duì)閘門(mén)結(jié)構(gòu)的不利動(dòng)力作用，以及下游水躍對(duì)弧形閘門(mén)支臂、面板等局部結(jié)構(gòu)和整體結(jié)構(gòu)的沖擊作用，以及由此導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈振動(dòng)問(wèn)題。

（3）測(cè)定作用于弧形工作閘門(mén)的時(shí)均壓力分布和脈動(dòng)壓力荷載，取得脈動(dòng)壓力能譜，優(yōu)化閘門(mén)結(jié)構(gòu)的型式。

（4）通過(guò)閘門(mén)結(jié)構(gòu)流固耦合振動(dòng)試驗(yàn)，研究工作閘門(mén)結(jié)構(gòu)的流固耦合振動(dòng)特性，測(cè)定弧形工作閘門(mén)的動(dòng)力特性，取得不同開(kāi)度條件下閘門(mén)結(jié)構(gòu)流固耦合振動(dòng)特性的變化規(guī)律，明確結(jié)構(gòu)與水動(dòng)力高能區(qū)的相互關(guān)系。判斷工作閘門(mén)局部開(kāi)啟運(yùn)行狀態(tài)下出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)或共振的可能性，采用抗振優(yōu)化措施以減免強(qiáng)烈振動(dòng)或共振。

（5）通過(guò)全相似水彈性振動(dòng)模型，研究工作閘門(mén)不同開(kāi)度條件下的流激振動(dòng)狀況，及其在水動(dòng)力荷載作用下的靜動(dòng)力響應(yīng)特征。取得不同水位、開(kāi)度組合條件下的振動(dòng)加速度、動(dòng)位移及其動(dòng)應(yīng)力等結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)參數(shù)，給出諸振動(dòng)參數(shù)的數(shù)字特征及其功率譜密度，明確振動(dòng)類(lèi)型、性質(zhì)及其量級(jí)等，把握水動(dòng)力荷載作用下閘門(mén)振動(dòng)程度及其危害性。分析振動(dòng)的性質(zhì)、強(qiáng)度及其危害性。提出控制閘門(mén)產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)的措施和方法。

（6）研究論證閘門(mén)支臂的動(dòng)力穩(wěn)定性，確保閘門(mén)在不同運(yùn)行條件下支臂結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。

（7）閘門(mén)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)閘門(mén)水動(dòng)力荷載試驗(yàn)，取得作用于閘門(mén)的時(shí)均動(dòng)水壓力，水流脈動(dòng)壓力荷載的量級(jí)及其能量在頻域的分布特征；通過(guò)結(jié)構(gòu)彈性模型試驗(yàn)取得閘門(mén)結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)；通過(guò)閘門(mén)水彈性振動(dòng)研究，取得閘門(mén)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)量級(jí)及性質(zhì)。根據(jù)上述成果的綜合分析，可以找出造成閘門(mén)有害振動(dòng)的原因，在此基礎(chǔ)上對(duì)閘門(mén)結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對(duì)性動(dòng)態(tài)修改。

（8）研究閘門(mén)結(jié)構(gòu)滿足局部開(kāi)啟要求的閘門(mén)抗振結(jié)構(gòu)布置形式，提出結(jié)構(gòu)抗疲勞、抗共振和強(qiáng)烈振動(dòng)免振體型和結(jié)構(gòu)布置。

（9）根據(jù)閘門(mén)流激振動(dòng)模型試驗(yàn)成果，論證弧形工作閘門(mén)運(yùn)行的可靠性和適宜的局部開(kāi)啟開(kāi)度范圍。提出正確合理的閘門(mén)局部開(kāi)啟泄水運(yùn)行的操作規(guī)程，確保工作閘門(mén)結(jié)構(gòu)乃至大壩的安全可靠運(yùn)行。

（10）分析研究閘門(mén)支鉸支承鋼梁的靜動(dòng)力特性，論證支承鋼梁會(huì)否發(fā)生結(jié)構(gòu)共振的可能性，對(duì)存在問(wèn)題采取有效措施予以解決。

2.4 閘門(mén)制造工藝問(wèn)題

超大型弧形閘門(mén)設(shè)計(jì)除了結(jié)構(gòu)有足夠強(qiáng)度和剛度外，還要綜合考慮制造加工、運(yùn)輸、安裝等條件，對(duì)閘門(mén)進(jìn)行合理分節(jié)。另外，為了保證潛孔弧形閘門(mén)的止水效果，對(duì)弧門(mén)制造安裝精度要求很高，弧門(mén)面板表面需進(jìn)行機(jī)加工，保證面板平面度和橢圓度誤差滿足規(guī)范及工程實(shí)際要求。這也是超大型潛孔式弧形閘門(mén)制造工藝考慮的關(guān)鍵技術(shù)之一。

本潛孔弧形閘門(mén)寬度7.00 m，高度約18.00 m，每扇閘門(mén)重量約550 t，不管采用主橫梁結(jié)構(gòu)還是主縱梁結(jié)構(gòu)，橫向分節(jié)還是縱向分節(jié)都有相當(dāng)難度，經(jīng)分析，擬采用主縱梁結(jié)構(gòu)，縱向?qū)ΨQ分兩節(jié)，每節(jié)寬度3.5 m，再根據(jù)吊裝和運(yùn)輸條件進(jìn)行橫向分節(jié)，每節(jié)重量約50 t。閘門(mén)面板表面加工時(shí)，可將每節(jié)門(mén)葉橫臥逐一進(jìn)行加工，全部加工完成后在廠內(nèi)進(jìn)行整體預(yù)組裝，檢查閘門(mén)制造加工誤差合格后再分節(jié)運(yùn)輸。

2.5 啟閉機(jī)選型布置

經(jīng)過(guò)方案比較，閘門(mén)的啟閉設(shè)備采用液壓?jiǎn)㈤]機(jī)。如何確定液壓?jiǎn)㈤]機(jī)支鉸位置是啟閉機(jī)布置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題。經(jīng)過(guò)分析研究，采用最佳行程的求解方法，一方面根據(jù)啟閉力過(guò)程線盡量使初始啟門(mén)力等于最終啟門(mén)力，從而盡可能減小啟閉機(jī)容量；另一方面根據(jù)液壓缸和活塞桿的運(yùn)動(dòng)軌跡及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)確定啟閉機(jī)最佳行程，盡量減小液壓缸的長(zhǎng)度，節(jié)省投資。經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算，啟閉機(jī)容量擬定為2×6000 kN，行程11 m。該規(guī)模弧門(mén)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)在國(guó)內(nèi)達(dá)到領(lǐng)先水平。

3 船閘金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

洋溪水利樞紐工程船閘的建設(shè)規(guī)模為Ⅲ級(jí)船閘，有效尺度為190 m×23.5 m×4.8 m（有效長(zhǎng)度×有效寬度×檻上水深），最大通航1000 t 級(jí)船舶。上游最高通航水位163.00 m，最低通航水位153.00 m；下游最高通航水位148.78 m，最低通航水位130.20 m。最大水級(jí)32.8 m。這么高水頭的單級(jí)船閘在國(guó)內(nèi)屬于最高級(jí)別之一。

3.1 船閘上、下閘首工作閘門(mén)

船閘上閘首閘室寬度為23.7 m，孔口尺寸（寬×高）為23.7 m×15.8 m，設(shè)計(jì)水頭15.8 m；采用臥式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作。船閘下閘首工作閘門(mén)孔口尺寸（寬×高）為23.7 m×38.8 m，設(shè)計(jì)水頭32.8 m；采用臥式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作。

經(jīng)過(guò)方案比較，上、下閘首工作閘門(mén)的型式擬用人字閘門(mén)。人字閘門(mén)結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜，由門(mén)葉結(jié)構(gòu)（包括面板、主梁、次梁、隔板、推力隔板、門(mén)軸柱、斜接柱和背拉桿系統(tǒng)）、支承部分（包括支枕座和墊塊、頂樞和底樞）、止水部分（包括豎向門(mén)縫止水和底檻止水）以及其它部分（包括閘門(mén)檢修支承系統(tǒng)、鎖定系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、對(duì)中導(dǎo)卡和工作橋）組成。對(duì)于這么高水頭的人字工作閘門(mén)，重點(diǎn)分析研究以下技術(shù)問(wèn)題：

（1）針對(duì)門(mén)葉結(jié)構(gòu)的剛度、扭翹剪切變形、出現(xiàn)背拉桿為零桿以及疲勞裂紋的問(wèn)題，要充分考慮并準(zhǔn)確計(jì)算泥沙荷載、風(fēng)阻力與啟閉壅浪壓力等所有可能的荷載組合。下閘首人字閘門(mén)高度近35 m，門(mén)葉在啟閉過(guò)程中，在自重及外力作用下，會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的扭轉(zhuǎn)變位，結(jié)構(gòu)剛度問(wèn)題尤為突出，要適當(dāng)增大主梁高度、加強(qiáng)主梁間橫向和斜向連接，特別是斜桿對(duì)人字閘門(mén)抗扭轉(zhuǎn)變形的作用非常明顯，要充分考慮其結(jié)構(gòu)及受力特點(diǎn)，對(duì)開(kāi)、關(guān)門(mén)運(yùn)行工況人字閘門(mén)背拉桿預(yù)應(yīng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)計(jì)算分析選擇合適的斜桿布置層數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸，增強(qiáng)人字閘門(mén)結(jié)構(gòu)的抗扭翹剛度。

（2）頂樞型式。常用的頂樞型式有兩種，一種是用花籃螺栓調(diào)整的鉸接框架式頂樞，另一種是采用楔塊調(diào)整的三角形頂樞，大型人字閘門(mén)一般采用后一種。本工程屬于超大型人字閘門(mén)，宜采用楔塊調(diào)整的三角形頂樞，并采取抗疲勞措施，合理選擇拉桿材料，如采用沖擊韌性較好的優(yōu)質(zhì)低碳鋼鍛件，并選擇合適的斷面型式及尺寸，降低應(yīng)力集中。

（3）底樞。人字閘門(mén)運(yùn)行中很多問(wèn)題出現(xiàn)在底樞蘑菇頭及球瓦，因?yàn)榈讟惺侨俗珠T(mén)最重要、最復(fù)雜且故障最多，又最難于修理的支承與滑動(dòng)受力部件。實(shí)際運(yùn)行中不易檢查，一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，底樞蘑菇頭及球瓦已嚴(yán)重受損，影響閘門(mén)的安全運(yùn)行。因此，對(duì)下閘首人字門(mén)底樞及潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)進(jìn)行專題研究：①根據(jù)工程實(shí)例調(diào)查結(jié)果和洋溪底樞軸承的設(shè)計(jì)參數(shù)，參考市場(chǎng)上大型軸承的加工能力等因素，對(duì)底樞軸承的形狀、尺寸等提出初步設(shè)計(jì)方案，擬采用銅基鑲嵌自潤(rùn)滑軸承。同時(shí)按照適當(dāng)?shù)谋壤Ｐ瓦M(jìn)行縮比試驗(yàn)。②通過(guò)軸承選材試驗(yàn)、工況條件試驗(yàn)等，對(duì)各試驗(yàn)?zāi)Σ聊p機(jī)理進(jìn)行分析，對(duì)磨損壽命進(jìn)行推算。③在上述試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，對(duì)底樞軸承摩擦副的選型、設(shè)計(jì)及加工要求、運(yùn)行維護(hù)、磨損壽命等提出建議方案。④抗疲勞措施。船閘人字門(mén)在開(kāi)關(guān)門(mén)、關(guān)門(mén)充泄水的循環(huán)過(guò)程中承受的是典型的拉、壓交變載荷，且交變應(yīng)力幅大。人字門(mén)在施工過(guò)程中還存在安裝偏差以及運(yùn)行過(guò)程中的磨損可能使門(mén)軸柱產(chǎn)生偏心導(dǎo)致閘門(mén)開(kāi)關(guān)過(guò)程產(chǎn)生卡阻現(xiàn)象，泥沙淤積及礫石對(duì)閘門(mén)產(chǎn)生局部應(yīng)力沖擊現(xiàn)象，加工制造過(guò)程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力及表面缺陷問(wèn)題，均可能導(dǎo)致閘門(mén)及部件出現(xiàn)疲勞破壞問(wèn)題。因此在人字閘門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需從選材、設(shè)計(jì)、工藝等方面采取措施來(lái)提高閘門(mén)的抗疲勞性能。⑤人字閘門(mén)啟閉機(jī)。大型船閘人字閘門(mén)一般采用機(jī)械式四連桿啟閉機(jī)和液壓直聯(lián)式啟閉機(jī)機(jī)型，經(jīng)綜合比選和參考國(guó)內(nèi)已建工程實(shí)際運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，洋溪船閘人字閘門(mén)啟閉機(jī)選用臥式直聯(lián)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，人字閘門(mén)啟閉機(jī)的設(shè)計(jì)原則是使啟閉機(jī)工作力矩曲線與人字閘門(mén)運(yùn)行時(shí)的阻力矩一致，以達(dá)到啟閉設(shè)備規(guī)模最小、工作效率最高的目的。根據(jù)《船閘閘閥門(mén)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 308-2003）相關(guān)規(guī)定，大型人字閘門(mén)應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)繪制阻力矩隨時(shí)間變化曲線，并求得總阻力矩最大值來(lái)確定人字閘門(mén)啟閉力。采用力矩平衡法計(jì)算啟閉力。

3.2 輸水廊道充、泄水工作閘門(mén)

在閘墻內(nèi)兩側(cè)各設(shè)1條輸水廊道分別用于閘室充、泄水，在每條輸水廊道上、下閘首各設(shè)1 扇工作閘門(mén)，共4扇。工作閘門(mén)孔口尺寸（寬×高）為3.0 m×3.5 m，設(shè)計(jì)水頭32.8 m；啟閉設(shè)備各采用1 臺(tái)QHSY-1250/250 kN液壓?jiǎn)㈤]機(jī)。

輸水廊道設(shè)計(jì)水頭近33 m，無(wú)論是工作水頭，還是水位變幅條件，難度居國(guó)內(nèi)已建船閘前列，存在不少技術(shù)難題，需重點(diǎn)分析研究以下問(wèn)題：

（1）門(mén)型選擇。當(dāng)船閘輸水廊道工作水頭較大（超過(guò)20 m）時(shí)，由于平面閘門(mén)存在門(mén)槽空化、門(mén)體振動(dòng)及啟閉技術(shù)較難解決的問(wèn)題，一般采用弧形閘門(mén)，其中正向弧形閘門(mén)的閘門(mén)井位于閘門(mén)的下游，在閘門(mén)動(dòng)水啟閉過(guò)程中，門(mén)井水位的急劇降落可能造成大量吸氣，摻氣水流進(jìn)入閘室危及船舶安全，而反向弧形閘門(mén)的門(mén)井位于閘門(mén)的上游，閘門(mén)井不會(huì)吸氣，因此，采用反向弧形閘門(mén)是合理的。

（2）船閘輸水廊道閘門(mén)常壓和減壓水力學(xué)、流激振動(dòng)、啟閉特性試驗(yàn)及三維有限元分析研究，包括閘門(mén)門(mén)體動(dòng)水荷載、閘門(mén)啟閉力及支鉸荷載、閘門(mén)防空化措施和流激振動(dòng)特性等技術(shù)問(wèn)題，其中，閘門(mén)空化問(wèn)題是高水頭船閘設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的技術(shù)難題。為減少高水頭船閘閘門(mén)空化，主要措施有：①提高閘門(mén)底緣空化數(shù)，避免空化發(fā)生，如加大閘門(mén)開(kāi)啟速度、增大閘門(mén)處廊道的淹沒(méi)水深、優(yōu)化閘門(mén)段廊道體型；②采用門(mén)后廊道通氣的工程措施，減弱空化潰滅沖擊壓力，另外，在廊道的閘門(mén)段采取鋼板襯砌保護(hù)措施，保護(hù)廊道邊界免遭空蝕破壞。

（3）船閘輸水廊道閘門(mén)門(mén)楣體型與摻氣布置1∶1 切片模型試驗(yàn)。大量工程原型觀測(cè)成果表明：在高水頭船閘輸水閘門(mén)段，除閘門(mén)底緣較易發(fā)生空化外，在閘門(mén)開(kāi)啟過(guò)程中，因閘門(mén)面板與門(mén)楣形成的縫隙形狀如文杜里管，而作用水頭接近于上、下游水位差，門(mén)楣縫隙段更易發(fā)生空化，且強(qiáng)度遠(yuǎn)超過(guò)底緣空化，其空化類(lèi)型屬剪切型，噪聲譜中高頻能量突出，空化潰滅所產(chǎn)生的空蝕破壞作用較強(qiáng)。洋溪船閘上游水位變幅10.0 m，下游水位變幅16.53 m，上下游水位變幅大，現(xiàn)有船閘工程門(mén)楣線型很難適應(yīng)如此大的水位變幅條件。通過(guò)門(mén)楣切片試驗(yàn)解決閘門(mén)頂縫空化問(wèn)題，確保船閘運(yùn)行安全。

（4）船閘輸水系統(tǒng)反向弧門(mén)止水結(jié)構(gòu)研究。洋溪船閘輸水閘門(mén)工作水頭達(dá)到32.8 m，閘門(mén)水封的工作條件惡劣，在非恒定高速水流條件下閘門(mén)的水動(dòng)力學(xué)問(wèn)題較為突出。開(kāi)展船閘輸水系統(tǒng)反向弧門(mén)止水結(jié)構(gòu)研究，分析在閘門(mén)開(kāi)啟中閘門(mén)止水承受的各種復(fù)雜水流荷載作用情況、在高速縫隙水流作用下水封發(fā)生撕裂破壞的原因、閘門(mén)振動(dòng)及空化空蝕等問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

洋溪水利樞紐工程具有閘門(mén)孔口尺寸大、設(shè)計(jì)水頭大、總水壓力大、洪峰流量大、流態(tài)復(fù)雜、防洪調(diào)度要求高的特點(diǎn)，本文在設(shè)計(jì)中借鑒已建工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并通過(guò)模型試驗(yàn)和有限元分析計(jì)算，研究解決高水頭大推力泄洪潛孔弧門(mén)、高水頭船閘人字閘門(mén)、高水頭輸水廊道反向弧門(mén)的技術(shù)難題，確保金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備運(yùn)行安全。