簡(jiǎn)介： 紅花泄水閘工作門屬于超大型平板閘門，控泄調(diào)度頻繁，本文針對(duì)閘門及門槽設(shè)計(jì)方案的選定、閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模型試驗(yàn)等進(jìn)行了介紹，并對(duì)其中所運(yùn)用的新技術(shù)、新材料和新思路進(jìn)行了論述，為類似工程設(shè)計(jì)提供參考。
關(guān)鍵字：平面閘門，門槽型式，荷載分配，模型試驗(yàn)
1 概述
紅花水電站位于廣西壯族自治區(qū)柳江縣境內(nèi)，是珠江流域西江水系柳江綜合利用規(guī)劃確定的柳江干流最下游一個(gè)梯級(jí)。電站總體布置由右岸廠房、左岸船閘、中間泄水閘及兩岸門庫(kù)段、土壩等組成。
泄水閘共18孔，主要起擋、泄水作用，最大泄洪流量達(dá)44800m3/s。泄水閘工作閘門采用平面定輪鋼閘門，孔口尺寸（寬×高-設(shè)計(jì)水頭）為16m×18m-17.598m，18孔18扇，采用固定卷?yè)P(yáng)式操作，一門一機(jī)布置。為了檢修閘室、閘門及其埋件，工作閘門上、下游分別設(shè)置檢修門。
2 泄水閘工作閘門及門槽型式選擇
紅花水電站泄水閘經(jīng)水工模型試驗(yàn)確定采用開敞式改進(jìn)機(jī)翼堰形式，泄水閘上游校核洪水位（P=0.1%）為91.52m，校核洪水流量為42000m3/s，上游設(shè)計(jì)洪水位（P=1%）為86.43m，設(shè)計(jì)洪水流量為32700m3/s，正常蓄水位為77.5m，下游校核洪水位為90.95m，下游設(shè)計(jì)洪水位為86.05m，下游最低水位為59.79m，堰頂高程60.0m，壩頂高程94.65m。
泄水閘工作閘門設(shè)計(jì)水頭乘孔口尺寸達(dá)5068m3，屬于超大型閘門，在國(guó)內(nèi)已建同類型工程中，規(guī)模位列前茅。泄水閘運(yùn)行方式包括18孔全開，18孔均勻開啟，8孔均勻開啟，5孔均勻開啟和4孔均勻開啟等方式。水庫(kù)流量調(diào)度比較復(fù)雜，泄水閘工作閘門局部開啟控泄頻繁，按常規(guī)首選門型為弧門，以改善泄流時(shí)的水流流態(tài)。根據(jù)《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 74-95）5.1.7款規(guī)定：露頂式弧形閘門面板曲率半徑與閘門高度的比值可取為1.0~1.5；弧門支鉸宜布置在過(guò)流時(shí)支鉸不受水流及漂浮物沖擊的高程上；水閘的露頂式弧形閘門，支鉸位置可布置在閘門底檻以上2/3H~H處。由于本工程上、下游泄洪水位高出正常蓄水位較多，無(wú)法完全滿足規(guī)范推薦方式布置，考慮盡量減少水流及漂浮物對(duì)支鉸的沖擊和減少弧門全開時(shí)支臂對(duì)水流的阻擋，支鉸布置在略高于下游設(shè)計(jì)洪水位的高程�？紤]弧門支鉸不宜上翹太高以減小豎直向上的水壓力，必須增大弧門面板曲率半徑，閘室順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度將大大增加。因此，弧門方案不管是金屬結(jié)構(gòu)還是土建工程量都將較高，大大增加工程投資。
參考國(guó)內(nèi)已建同類工程項(xiàng)目四川省樂山縣龔嘴電站溢洪道工作門12×18-23.5m、貴州省清鎮(zhèn)縣東風(fēng)電站溢洪道工作門15×21-21m、四川省武勝縣東西關(guān)電站泄洪閘工作門14×19-18.5m均采用平面定輪鋼閘門。湖南凌津?yàn)┧娬拘购殚l系統(tǒng)共布置9孔高坎泄洪閘及5孔低坎泄洪閘，高坎泄洪閘工作門18×15-15m；低坎泄洪閘工作門18×16-16m。設(shè)計(jì)時(shí)考慮由于上游水位變幅大及下游洪水位高的特點(diǎn)，工作閘門門型選定為平面定輪鋼閘門。鑒于目前國(guó)內(nèi)大型平面定輪鋼閘門應(yīng)用于泄洪工作門已有一些嘗試，隨著技術(shù)不斷發(fā)展，而本工程水位又特殊，故泄水閘工作閘門門型選定為平面定輪鋼閘門。
國(guó)內(nèi)外大量的工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明：平面閘門門槽空化空蝕問題十分嚴(yán)重，甚至造成嚴(yán)重事故，選擇適當(dāng)?shù)拈T槽形式以改善門槽附近的水力學(xué)條件，盡量避免不利工況，緩解空化空蝕問題非常重要。因此，對(duì)本門槽設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，采用特殊體型，最終確定下游埋件用圓弧形的錯(cuò)距門槽。本工作門門槽具體結(jié)構(gòu)尺寸見表1。
形狀參數(shù) | 規(guī)范推薦 | 設(shè)計(jì)尺寸 |
合宜寬深比 | W/D=1.5～2.0 | W/D=2.00 |
較優(yōu)錯(cuò)距比 | △/W=0.05～0.08 | △/W=0.055 |
較優(yōu)斜坡 | △/X=1/10～1/12 | △/X=1/10 |
較優(yōu)圓角半徑 | R=30～50mm | R=40mm |
 | W=2.20 | |
D=1.10 | ||
△=0.11 | ||
X=1.10 | ||
R=40mm | ||
表1 門槽幾何形狀參數(shù)比較表
根據(jù)已有科研成果及工程實(shí)例，此型門槽初生空穴數(shù)Ki=0.4~0.6，當(dāng)實(shí)際工程中門槽附近的水流空穴數(shù)K＞Ki時(shí)，門槽一般不至于發(fā)生空蝕。水流空穴數(shù)可利用下式計(jì)算：K=
，式中H1為緊靠門槽上游附近的斷面平均壓力，Ha為大氣壓力，Hv為水的汽化壓力，V1為緊靠門槽上游附近的斷面平均流速，g為重力加速度。根據(jù)本工程試驗(yàn)結(jié)果可以看出：設(shè)計(jì)所采用的門槽體型是可行的。在敞開泄洪中門槽水流空穴數(shù)非常高，不會(huì)出現(xiàn)空化空蝕問題；而當(dāng)閘門作局部開啟運(yùn)行時(shí)，工作門門槽在大部分工況下具有一定的抗空化空蝕能力，但少部分小開度閘下自由出流工況下的門槽空化數(shù)安全裕度不大。因此，盡量避免在1.5m以下的閘門小開度狀態(tài)下運(yùn)行，可基本保證門槽的運(yùn)行安全。
3 閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
泄水閘工作閘門共18孔，孔口凈寬16m，底檻高程59.902m，擋正常蓄水位77.5m，考慮超高后閘門設(shè)計(jì)高度18.0m。閘門設(shè)計(jì)水頭為17.598m，封水寬度為16.16m，支承跨度取為17.0m，閘門動(dòng)力系數(shù)取1.2，總水壓力為30028kN。閘門結(jié)構(gòu)主要材料為Q345，梁系采用多主橫梁同層結(jié)構(gòu)布置，閘門總體結(jié)構(gòu)布置見圖1。
圖1 閘門總體結(jié)構(gòu)圖
3.1 閘門梁系設(shè)計(jì)
閘門主梁布置除底主梁外，上部主梁盡量等荷載布置，采用相同主梁截面，方便制造。底主梁采用雙腹板箱型梁，由于閘門底檻下游側(cè)有向下5°的偏角，為減少門底底主梁以下懸伸長(zhǎng)度以減小底主梁荷載，同時(shí)又能滿足底主梁到底止水的距離符合底緣布置的要求，下游傾角設(shè)計(jì)為26.2°，底主梁與底檻的夾角則為31.2°＞30°。為改善水流流態(tài)，底主梁后翼緣與底次梁間采用鋼板進(jìn)行密封。水平次梁采用槽鋼，近似按等跨連續(xù)梁設(shè)計(jì)，槽鋼肢尖向下，以防積水和積塵�？v梁（隔板）與主梁等高設(shè)計(jì)。為減小閘門運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮了適當(dāng)提高閘門的整體剛度。
本設(shè)計(jì)中主梁荷載分配采用了少用的連續(xù)梁法。目前主梁荷載計(jì)算方法有相鄰間距和之半法、力矩法和連續(xù)梁法，一般資料都推薦采用前兩種方法，但這兩種方法均只考慮了水壓力作用，沒有考慮縱梁對(duì)主梁的約束作用。而現(xiàn)在一般閘門的縱梁因構(gòu)造要求均與主梁等高，縱梁經(jīng)主梁分隔后跨度又都很小，縱梁對(duì)主梁的相對(duì)剛度較大，多主梁閘門的荷載計(jì)算，實(shí)際上是一個(gè)超靜定問題。但在以前的工程設(shè)計(jì)中，受制于求解多次超靜定連續(xù)梁內(nèi)力的繁瑣計(jì)算，一般都采用了前兩種計(jì)算方法，或?qū)㈤l門設(shè)計(jì)成多節(jié)以適應(yīng)假定體系。計(jì)算結(jié)果有時(shí)會(huì)有較大誤差；分節(jié)設(shè)計(jì)制造繁雜，大大降低了閘門整體剛度，不利于避振。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和計(jì)算機(jī)應(yīng)用的廣泛普及，許多工程軟件日趨成熟，簡(jiǎn)單、快速求解多次超靜定連續(xù)梁內(nèi)力已成為可能。采用連續(xù)梁法，將縱向單位寬度面板當(dāng)作支承在主梁上的連續(xù)梁，根據(jù)閘門的傳力特點(diǎn)，這樣更接近于結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況。利用相關(guān)軟件可求得各主梁處的支反力即主梁所分得的單寬荷載，累加后即得主梁荷載，見圖2。再按受均布荷載的簡(jiǎn)支梁進(jìn)行主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。連續(xù)梁法計(jì)算結(jié)果誤差較小，且閘門不分節(jié)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)效率較高，閘門結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，整體剛度較大，相對(duì)節(jié)省工程量，提高了閘門的避振效果。
圖2 閘門主梁布置及其荷載
3. 2 閘門主支承設(shè)計(jì)
此類大孔口閘門主支承以前多采用臺(tái)車式結(jié)構(gòu)，但臺(tái)車式支承結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，制作不便，而且需要較大的門槽深度，要求更寬的閘墩寬度，增加工程布置的難度。隨著新材料和新技術(shù)的不斷發(fā)展，水工專用關(guān)節(jié)軸承已應(yīng)運(yùn)而生，為方便布置，本閘門主輪采用后置式帶輪架線接觸簡(jiǎn)支輪，主輪軸套采用自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承，以適應(yīng)因閘門變形而在梁端形成的偏角，確保滾輪的線接觸特性，解決了大跨度、高輪壓主支承輪的設(shè)置難題。主輪支座處采用偏心軸套，既方便了主輪調(diào)平，又克服了傳統(tǒng)偏心軸帶來(lái)的密封偏心問題。為充分利用材料，主輪盡量近似按等荷載布置。邊柱看作支承在主輪上的連續(xù)梁，受主梁傳遞來(lái)的集中荷載作用，于是利用相關(guān)軟件可求得各主輪處的支反力即主輪所承受的荷載，見圖3。主輪輪徑為Φ900mm，材料采用ZG35CrMo，主軌采用鑄鋼軌道，材料為ZG50Mn2，均調(diào)質(zhì)處理。
圖3 閘門主輪布置及其荷載
4 模型試驗(yàn)
為了進(jìn)一步確保本閘門及門槽在工程運(yùn)行中的安全性，設(shè)計(jì)過(guò)程中特委托南京水利科學(xué)研究院進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究。
4.1 模型試驗(yàn)研究的內(nèi)容
根據(jù)紅花泄水閘的運(yùn)行工況及閘門水力結(jié)構(gòu)特征，通過(guò)對(duì)以下內(nèi)容的試驗(yàn)研究，論證設(shè)計(jì)方案的合理性，揭示其存在問題，從而確保工程的運(yùn)行安全。
a）門槽空化空蝕問題研究。門槽空化空蝕問題重點(diǎn)考察閘門在局部開啟狀態(tài)下門槽及其下游相鄰區(qū)域的壓力分布特性、流態(tài)，特別是下泄水流對(duì)門槽產(chǎn)生局部水流分離，可能導(dǎo)致空化空蝕的水流脈動(dòng)壓力引起的間隙性空化。取得閘門不同運(yùn)行工況下的門槽水流空化數(shù)，研究門槽的空化性能。
b）閘門水動(dòng)力荷載研究。閘門運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)的根本原因在于水流荷載與閘門結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性二者的不利組合作用，危害性最大的是發(fā)生共振。重點(diǎn)研究作為閘門結(jié)構(gòu)振動(dòng)的外部誘因的水動(dòng)力荷載對(duì)閘門的作用情況。
c）閘門結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性研究。閘門結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性包括固有頻率、振型、質(zhì)量、剛度、阻尼等參數(shù)。一旦結(jié)構(gòu)體型確定，閘門結(jié)構(gòu)的固有特性亦隨之確定，這些特性構(gòu)成了閘門結(jié)構(gòu)是否會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)的內(nèi)因。
d）閘門水彈性振動(dòng)研究。泄水閘運(yùn)行時(shí)，閘門結(jié)構(gòu)在水動(dòng)力作用下產(chǎn)生振動(dòng)，為了真實(shí)地測(cè)取閘門振動(dòng)的加速度、動(dòng)位移及動(dòng)應(yīng)力等參數(shù)，利用全水彈性相似模型，研究閘門在不同運(yùn)行水位、不同開度條件下的振動(dòng)特征。明確閘門振動(dòng)的性質(zhì)和危害程度，尋求振動(dòng)產(chǎn)生的原因并提出減振措施。
e）閘門結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)研究。根據(jù)對(duì)閘門水動(dòng)力學(xué)荷載試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)彈性模量試驗(yàn)和閘門水彈性振動(dòng)研究成果的綜合分析，找出造成閘門有害振動(dòng)的原因，在此基礎(chǔ)上對(duì)閘門結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對(duì)性動(dòng)態(tài)修改。
f）閘門運(yùn)行操作規(guī)程的制定。通過(guò)系統(tǒng)試驗(yàn)研究，為泄水閘制定兼顧門槽良好水力條件又保證閘門平穩(wěn)運(yùn)行的操作規(guī)程，以確保泄水建筑物的安全運(yùn)行。
4.2 模型試驗(yàn)研究的結(jié)論和建議
通過(guò)模型試驗(yàn)研究，最終得出以下結(jié)論并提出相應(yīng)建議，確保泄水閘門槽及閘門的運(yùn)行安全。
a）紅花水電站泄水閘工作門在不同運(yùn)行水位及開度下的水動(dòng)力試驗(yàn)成果表明，在選定的駱峰堰條件下，采用的Ⅱ型門槽體型總體上是可行的。門槽的水流空化數(shù)的分析計(jì)算結(jié)果表明：在工作門全開泄洪閘暢泄條件下，門槽段邊界不會(huì)受到空化空蝕威脅；當(dāng)工作門作局部開啟運(yùn)行時(shí)，大部分運(yùn)行工況門槽水流空化數(shù)較高，但部分小開度工況，尤其當(dāng)閘門開度小于1.5m時(shí)，水流空化數(shù)較低，安全裕度小，為安全起見，盡量避免閘門在小開度下運(yùn)行。
b）水流流態(tài)觀測(cè)表明：工作閘門局部開啟運(yùn)行條件下，閘門下游的水躍情況主要發(fā)生在臨界水位以上。當(dāng)下游水位較高時(shí)呈現(xiàn)淹沒出流狀態(tài)，閘后淹沒水躍及涌浪對(duì)門體的振動(dòng)將產(chǎn)生影響；水位較低時(shí)呈現(xiàn)自由出流狀態(tài)，閘下流態(tài)對(duì)門體不構(gòu)成威脅。
c）閘門模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果顯示，考慮水流附加質(zhì)量對(duì)閘門自振特性的影響，一階基頻約為5.0 Hz。從總體上看該閘門的基頻較高，對(duì)結(jié)構(gòu)抗振有利。
e）泄流狀態(tài)下閘門結(jié)構(gòu)的振動(dòng)量以順?biāo)鞣较驗(yàn)樽畲螅瑐?cè)向次之，垂向較�。辉谝欢ㄉ舷掠嗡粭l件下，振動(dòng)量隨閘門開度的增加而加大。在設(shè)計(jì)給定的試驗(yàn)工況下，當(dāng)閘門處于1.0m～6.35m局部開啟范圍時(shí)，最大振動(dòng)量出現(xiàn)在上游水位76.5m，下游水位72.13m，閘門開度6.35m的運(yùn)行工況。閘門振動(dòng)的主能量集中在0～5Hz范圍，說(shuō)明閘門振動(dòng)的振源系下泄水流淹沒水躍在下游消力池內(nèi)高度紊動(dòng)及表旋滾回拍門體產(chǎn)生的。
f）在設(shè)計(jì)給定工況下，閘門結(jié)構(gòu)在大部分運(yùn)行工況不會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)，閘門的總體設(shè)計(jì)是合理的。從控制振動(dòng)量角度看，閘門運(yùn)行時(shí)要密切關(guān)注出現(xiàn)較大振動(dòng)量的運(yùn)行工況，并力求避免在上述工況下作局部開啟運(yùn)行。此外，閘門的振動(dòng)還與水封的制造安裝精度﹑漏水情況等密切相關(guān)，因此制造施工階段應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)閘門及其埋件的質(zhì)量控制，確保運(yùn)行安全。
5 結(jié) 語(yǔ)
本文簡(jiǎn)要介紹了紅花水電站泄水閘工作閘門門型及門槽的選定，閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模型試驗(yàn)研究情況。一期工程8扇閘門已下閘蓄水，二期工程10扇閘門在制作過(guò)程中。模型試驗(yàn)驗(yàn)證了閘門結(jié)構(gòu)及門槽設(shè)計(jì)的合理性，采用新的主梁、主輪荷載分配算法后，設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果同有限元復(fù)核計(jì)算結(jié)果相吻合，可為同類工程提供一定的參考作用。影響閘門振動(dòng)的因素很多，閘門運(yùn)行時(shí)應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，避開振動(dòng)較大的運(yùn)行工況，確保閘門運(yùn)行安全。
