生永貞

摘 要：滾弄水電站位于緬甸聯(lián)邦丹倫江上游的撣邦滾弄縣，樞紐工程主要由混凝土重力壩，左岸壩后式地面發(fā)電廠房，壩身溢流表孔、壩身沖沙底孔，左右非溢流壩段和右岸導(dǎo)流兼泄洪洞組成。文章對(duì)滾弄水電站的溢流表孔弧形工作閘門(mén)的設(shè)計(jì)布置進(jìn)行了系統(tǒng)的介紹。

關(guān)鍵詞：滾弄水電站；表孔三支臂弧形工作閘門(mén)；設(shè)計(jì)布置

1 工程概況

滾弄水電站位于緬甸聯(lián)邦丹倫江上游的撣邦滾弄縣戶(hù)里鄉(xiāng)境內(nèi)，為怒江出境后第一個(gè)梯級(jí)水電站，也是丹倫江梯級(jí)開(kāi)發(fā)方案中的第一級(jí)。水庫(kù)正常蓄水位為EL.519m，最大壩高103m，對(duì)應(yīng)庫(kù)容為659×106m3，具日調(diào)節(jié)性能，裝機(jī)規(guī)模為1400MW，保證出力301.27MW，年發(fā)電量7.09GW·h，年利用小時(shí)5064h。

電站電能質(zhì)量好，具有向緬甸和中國(guó)等地區(qū)的送電能力和區(qū)位優(yōu)勢(shì)，是開(kāi)發(fā)條件好、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較為優(yōu)越的水電工程。

樞紐工程主要由混凝土重力壩，左岸壩后式地面發(fā)電廠房，壩身溢流表孔、壩身沖沙底孔，左右非溢流壩段和右岸導(dǎo)流兼泄洪洞組成。壩身溢流表孔是本工程的主要泄洪設(shè)施，布置6孔表孔，堰頂高程EL.496.00m，平臺(tái)高程EL.523.00m，孔口寬度為16m，設(shè)有溢洪道表孔檢修閘門(mén)和溢洪道表孔工作弧門(mén)。采用WES堰型，后接1：0.8斜坡段和反弧段，下接消力池底板，采用底流消能作為基本消能方案。

2 表孔弧形工作閘門(mén)及啟閉設(shè)備的布置

溢流表孔金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備由6孔1扇平面滑動(dòng)疊梁閘門(mén)、6孔6扇弧形工作閘門(mén)及相應(yīng)啟閉設(shè)備組成?；⌒喂ぷ鏖l門(mén)孔口尺寸（凈寬×凈高）16.0m×23.0m，堰頂高程EL.496.00m，底檻高程EL.497.49m，以正常蓄水位EL519.00m，作為弧門(mén)設(shè)計(jì)擋水位和操作運(yùn)行水位，考慮涌浪高度和風(fēng)荷載門(mén)葉取超高0.6m，弧門(mén)總高度為24.11m，弧門(mén)支鉸高度根據(jù)泄放最高水位時(shí)不被沖刷和規(guī)范要求，確定為EL.508.99m。弧門(mén)面板半徑取26.0m。

FH>5000屬于超大型閘門(mén)，對(duì)于超大型、窄高型弧形鋼閘門(mén)，若采用傳統(tǒng)的雙支臂閘門(mén)則整體剛度較差，在上支臂以上的門(mén)葉懸臂段將很大，其剛度很難保證，其內(nèi)力也較大。對(duì)于大型弧形閘門(mén)，從結(jié)構(gòu)布置的合理性與經(jīng)濟(jì)性看雙支臂結(jié)構(gòu)都不如三支臂結(jié)構(gòu)。本閘門(mén)設(shè)計(jì)初步考慮為三斜支臂、主橫梁、圓柱鉸支承的露頂式弧形閘門(mén)。閘門(mén)的操作條件為動(dòng)水啟閉，可以局部開(kāi)啟以控制流量，局開(kāi)時(shí)要求避開(kāi)閘門(mén)的振動(dòng)區(qū)。閘門(mén)為雙吊點(diǎn)，每套閘門(mén)采用1臺(tái)懸掛式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)進(jìn)行操作。液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的油缸一端設(shè)置在閘墩上，另一端和閘門(mén)吊軸連接。每套啟閉機(jī)配置一套泵站，設(shè)置在閘墩內(nèi)，每套泵站設(shè)兩臺(tái)互為備用的油泵電動(dòng)機(jī)組，其控制方式按現(xiàn)地手動(dòng)、現(xiàn)地自動(dòng)和預(yù)留遠(yuǎn)方自動(dòng)三種方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。啟閉設(shè)備設(shè)置工作、備用雙電源。其油箱，泵站和電氣設(shè)備布置在位于閘墩上的啟閉機(jī)房?jī)?nèi)。

3 門(mén)葉及支臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算

該閘門(mén)門(mén)葉和支臂結(jié)構(gòu)按現(xiàn)行的鋼閘門(mén)設(shè)計(jì)規(guī)范采用平面體系計(jì)算方法，平面體系計(jì)算方法分為主橫梁框架結(jié)構(gòu)計(jì)算方法和主縱梁框架結(jié)構(gòu)結(jié)算方法，滾弄電站表孔三支臂弧形閘門(mén)采用主橫梁同層布置框架結(jié)構(gòu)，利用Mathcad進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)初始結(jié)構(gòu)基本布置情況，總水壓力作用線和水平線的夾角為12.9406°，采用三主梁荷載基本均分的原則，中支臂選擇位于總水壓力合力作用線上，為了減少上懸臂段，設(shè)計(jì)時(shí)盡量向上布置上主梁，下主梁在滿(mǎn)足主梁下翼板與底檻水平夾角及結(jié)構(gòu)布置要求的條件下，盡量向下布置。上、中支臂的夾角采用15.8665°，中、下支臂的夾角采用14.3239°。

重點(diǎn)對(duì)門(mén)葉面板、主梁、次梁、縱梁、支臂和支鉸、吊耳等進(jìn)行了強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性計(jì)算，經(jīng)過(guò)計(jì)算，門(mén)葉面板選用主梁與支臂的單位剛度比取5.4682；根據(jù)對(duì)閘門(mén)和啟閉設(shè)備的總體布置進(jìn)行了啟閉力計(jì)算，選用容量為2×5000kN，工作行程為9.2m的懸掛式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)進(jìn)行操作。該閘門(mén)屬超大型工作閘門(mén)，操作條件為動(dòng)水啟閉，有局部開(kāi)啟控制泄流量要求，因此材料容許應(yīng)力調(diào)整系數(shù)根據(jù)規(guī)范取0.9，動(dòng)力系數(shù)取1.2，依據(jù)計(jì)算結(jié)果，確定采用主橫梁同層布置方案，上、中、下主梁和上、中、下支臂均采用箱形斷面，門(mén)葉水平次梁均采用工字鋼，縱梁采用焊接工字型，上、中支臂之間，中、下支臂之間均采用縱向聯(lián)接系聯(lián)接，這種結(jié)構(gòu)形式具有閘門(mén)整體剛度好，便于加工制造等優(yōu)點(diǎn)。在弧門(mén)兩側(cè)的邊梁上各布置有6個(gè)側(cè)導(dǎo)向輪，可以有效的控制閘門(mén)偏斜，保證閘門(mén)運(yùn)行平穩(wěn)。弧門(mén)的側(cè)止水為“L”形橡塑水封，其摩擦系數(shù)低，經(jīng)工程驗(yàn)證，止水效果較理想，底止水采用常規(guī)的板形水封。閘門(mén)支鉸軸承采用自潤(rùn)滑滑動(dòng)軸承，但設(shè)計(jì)中仍保留有常規(guī)注油潤(rùn)滑油孔，作為自潤(rùn)滑不理想或失效時(shí)的后備措施。閘墩頂部設(shè)有機(jī)械鎖定裝置。門(mén)槽底檻埋件和側(cè)軌埋件均為鋼結(jié)構(gòu)件，側(cè)軌上設(shè)有水封和側(cè)輪不銹鋼座板。

4 三支臂弧形閘門(mén)的Inventor模型及ANSYS有限元計(jì)算

斜支臂弧形閘門(mén)的門(mén)葉結(jié)構(gòu)、支臂結(jié)構(gòu)、支鉸裝置屬于復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，在以往的采用Auto CAD二維平臺(tái)設(shè)計(jì)二斜支臂弧形閘門(mén)中，斜支臂的扭角只能通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算后，反過(guò)來(lái)表示在圖中，閘門(mén)重心位置也是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)選用。而三支臂弧形工作閘門(mén)的支臂扭角更為復(fù)雜，用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出的數(shù)據(jù)精確度差。而三維模型的建立，解決了這一在二維圖中遇到的問(wèn)題，根據(jù)閘門(mén)結(jié)構(gòu)計(jì)算成果，運(yùn)用Inventor軟件進(jìn)行三維建模，直接以弧門(mén)主橫梁的空間端點(diǎn)和支鉸點(diǎn)的位置，即可做出支臂模型，直接測(cè)量到精確的支臂扭角，還能精確的測(cè)量出閘門(mén)重心的位置，有利于對(duì)弧門(mén)的啟閉力進(jìn)行較準(zhǔn)確計(jì)算。對(duì)于采用懸掛式油缸作為閘門(mén)啟閉設(shè)備，閘門(mén)在啟閉過(guò)程中是否會(huì)和油缸有干涉的問(wèn)題，通過(guò)三維模型的旋轉(zhuǎn)，也能較準(zhǔn)確、簡(jiǎn)單的進(jìn)行判斷，避免了要對(duì)不同位置組合進(jìn)行計(jì)算的復(fù)雜程序。

利用有限元法對(duì)該三支臂閘門(mén)從強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性等方面進(jìn)行分析和復(fù)核，確定合理的整體結(jié)構(gòu)型式及主要構(gòu)件截面尺寸， 同時(shí)針對(duì)三支臂弧形閘門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算中存在的問(wèn)題進(jìn)行研究，借助有限元軟件ANSYS Workbench進(jìn)行了仿真模擬分析以力求閘門(mén)的設(shè)計(jì)科學(xué)、合理、安全、經(jīng)濟(jì)，為目前工程經(jīng)驗(yàn)少的三支臂弧形閘門(mén)提供了更多的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)支撐。

針對(duì)滾弄水電站三支臂弧形閘門(mén)這一工程實(shí)例，采用空間有限元法對(duì)三支臂弧形鋼閘門(mén)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，較好地體現(xiàn)出閘門(mén)的空間結(jié)構(gòu)效應(yīng)，更準(zhǔn)確地反映出閘門(mén)各構(gòu)件的受力情況，不僅可以達(dá)到驗(yàn)算傳統(tǒng)計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，還可以節(jié)約材料、減輕閘門(mén)自重、優(yōu)化閘門(mén)整體結(jié)構(gòu)以及提高閘門(mén)的整體安全度。將平面體系計(jì)算和空間有限元兩種計(jì)算方法計(jì)算出的閘門(mén)各構(gòu)件上應(yīng)力荷載及變形進(jìn)行了對(duì)比與分析，從而驗(yàn)證了平面體系法計(jì)算的安全性。同時(shí)根據(jù)有限單元法解決在平面體系計(jì)算方法中存在的一些疑惑與問(wèn)題，也為三支臂弧形閘門(mén)的優(yōu)化提出一定的方向。

由整個(gè)閘門(mén)的ANSYS Workbench的計(jì)算結(jié)果可知，滾弄水電站三支臂弧形工作閘門(mén)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最大應(yīng)力和剛度均未超過(guò)材料和構(gòu)件的許用值，都有一定的富余度，存在可優(yōu)化的空間。可以考慮面板厚度，上支臂與上主梁的橫截面，起支撐作用的槽鋼等結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化?？紤]啟門(mén)力的閘門(mén)計(jì)算，在平面體系計(jì)算過(guò)程中，以下主梁與下支臂的剪力作為控制條件，但有限元計(jì)算結(jié)果表明，中主梁與中支臂也受到啟閉力的影響，閘門(mén)的上主梁與上支臂等效應(yīng)力、最大剪應(yīng)力以及綜合變形有所減小。中主梁和中支臂對(duì)應(yīng)的各值有一定程度的增加。下主梁與下支臂的等效應(yīng)力與最大剪應(yīng)力的各值有明顯的提高。在下階段的設(shè)計(jì)中應(yīng)給予重視。

5 結(jié)束語(yǔ)

滾弄水電站表孔三支臂弧形工作閘門(mén)采用主橫梁同層布置方案，上、中、下主梁和上、中、下支臂均采用箱形斷面，在設(shè)計(jì)上不僅考慮了制造、安裝要求，以及設(shè)備的先進(jìn)性，更重要的是充分考慮了其運(yùn)行的安全可靠性。經(jīng)平面體系計(jì)算和三維有限元復(fù)核計(jì)算，閘門(mén)的強(qiáng)度、剛度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。