王南山，胡 力，丁麗軍

（中電投江西電力有限公司江口水電廠，江西新余，338025）

0 引言

江口水電站位于江西省新余市河下鎮(zhèn)江口村，是一座以發(fā)電為主，兼有防洪、灌溉、供水、旅游、水產(chǎn)養(yǎng)殖等功能的綜合利用工程。水庫(kù)流域控制面積為3 900 km2，總庫(kù)容8.9億m3，正常蓄水位72.00 m，設(shè)計(jì)洪水位74.40 m，校核洪水位76.00 m，死水位65.70 m。工程于1958年8月開(kāi)工，1959年9月蓄水，1961年基本完工，設(shè)兩座溢洪道。

左岸溢洪道（以下簡(jiǎn)稱(chēng)左溢）堰頂高程64.00 m，共3孔，孔口寬12 m，高6 m，上設(shè)7.3 m高的胸墻，用潛孔弧形閘門(mén)控制泄流?；￠T(mén)運(yùn)行已歷54年，老化變形嚴(yán)重，銹蝕漏水明顯，在72.00 m水位下不能安全運(yùn)行。電站三次大壩安全定期檢查結(jié)論均指出，左溢弧門(mén)存在安全隱患，要求更換。但水庫(kù)死水位高于溢洪道堰頂，弧門(mén)前未設(shè)檢修閘門(mén)，致使更換施工難以進(jìn)行。因此增設(shè)檢修閘門(mén)成為更換左岸溢洪道弧門(mén)的必要條件。

因左溢堰體混凝土未延伸到閘墩頭部，采用常規(guī)平面閘門(mén)或浮箱閘門(mén)沒(méi)有混凝土底坎配合止水和支承，在有堰體混凝土的部位增設(shè)門(mén)槽又受孔口胸墻限制，因此必須突破常規(guī)設(shè)計(jì)，研究全新的檢修門(mén)型。

1 浮塞門(mén)概述

新門(mén)型采用“T型浮塞式檢修閘門(mén)”方案，以下簡(jiǎn)稱(chēng)浮塞門(mén)。為了克服進(jìn)口沒(méi)有底坎可利用的困難，檢修閘門(mén)塞入孔口止水，凸出的后緣卡住閘墩支承，形如T型塞，其止水原理見(jiàn)圖1。浮塞門(mén)進(jìn)出孔口依靠浮力漂移，既類(lèi)似浮箱閘門(mén)依靠浮力漂移，又有別于浮箱閘門(mén)伸入孔內(nèi)止水。

1.1 浮塞門(mén)操作程序

（1）平時(shí)依靠纜繩拴住，漂浮在水庫(kù)港灣中。

（2）使用時(shí)依靠機(jī)動(dòng)船浮推入孔口，采取措施保證閘門(mén)準(zhǔn)確就位。

（3）向浮塞門(mén)內(nèi)灌水，門(mén)體下沉到堰體混凝土上。

（4）提起弧門(mén)放空兩門(mén)間的水體，浮塞門(mén)擋水，弧門(mén)更換或檢修。

（5）弧門(mén)更換或檢修完畢后關(guān)閉。

（6）向兩門(mén)間充水平壓，浮塞門(mén)脫離擋水工況。

（7）浮塞門(mén)排出內(nèi)部水體浮起。

（8）依靠機(jī)動(dòng)船浮拖回港灣存放。

1.2 浮塞門(mén)方案優(yōu)點(diǎn)

（1）無(wú)需增設(shè)門(mén)槽以及水下施工，較降低庫(kù)水位并修筑圍堰方案更為簡(jiǎn)便、安全；

（2）無(wú)需增設(shè)啟閉機(jī)及有關(guān)排架，且3孔可共用1扇浮塞門(mén)，較增設(shè)檢修閘門(mén)方案更為可行、經(jīng)濟(jì)；

（3）閘門(mén)不高（約4 m），擋水不低（水位達(dá)67.00 m），不影響水庫(kù)正常運(yùn)行。

圖1 浮塞門(mén)止水示意圖Fig.1 Sealing of floating gate

1.3 浮塞門(mén)技術(shù)重點(diǎn)

（1）浮塞門(mén)類(lèi)似浮箱閘門(mén)，要合理布置灌排水設(shè)備和正確處理好三心（重心、浮心和穩(wěn)心）；

（2）浮塞門(mén)沒(méi)有浮箱閘門(mén)那樣的埋件配合運(yùn)行，需要采取措施保證閘門(mén)準(zhǔn)確就位、可靠鎖定、安全運(yùn)行；

（3）浮塞門(mén)在平面度較差的溢洪道混凝土面上止水，要裝置配套的新型水封裝置；

（4）閘墩頭部圓弧狀混凝土無(wú)埋件支承閘門(mén)水壓力，為了防止局部混凝土過(guò)載產(chǎn)生破壞，需裝置配套的壓力擴(kuò)散墊；

（5）泄洪閘孔口寬度可能隨里程變化，且各孔口實(shí)際尺寸可能存在差異，浮塞門(mén)需張開(kāi)擋水和收攏漂移，需要設(shè)計(jì)獨(dú)特的伸縮臂裝置以適應(yīng)各類(lèi)尺寸變化。

筆者就浮塞門(mén)方案實(shí)施有關(guān)的結(jié)構(gòu)分析、穩(wěn)定驗(yàn)算、就位和鎖定措施、混凝土表面止水、墩頭混凝土壓力擴(kuò)散和伸縮臂等技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行分別論述。

2 浮塞門(mén)結(jié)構(gòu)分析

浮塞門(mén)采用雙主橫梁和多縱小梁的箱形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)方案見(jiàn)圖2。

2.1 主橫梁的結(jié)構(gòu)分析

閘門(mén)在檢修水位時(shí)擋水深度為3.6 m，孔口寬度12 m，由此可計(jì)算得閘門(mén)總水壓力為777.6 kN，下主梁水荷載強(qiáng)度為39.4 kN/m。門(mén)體受腹板局部穩(wěn)定控制，上、下主梁截面相同，由于下主梁荷載強(qiáng)度大，因此僅需對(duì)下主梁進(jìn)行計(jì)算分析即可。

圖2 浮塞門(mén)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of floating gate

2.1.1 下主梁內(nèi)力計(jì)算

閘門(mén)水平橫剖如圖3所示，根據(jù)閘門(mén)設(shè)計(jì)尺寸，可求得下主梁跨中最大彎矩Mmax=1063.8 kN·m；端部支承力、切力Qmax=236.4 kN；距支承點(diǎn)0.6 m處彎矩M0.6=141.8 kN·m，切力Q0.6=236.4 kN；距支承點(diǎn)2.2 m處彎矩M2.2=510.4 kN·m，切力Q2.2=208.8 kN。

圖3 閘門(mén)水平剖面設(shè)計(jì)圖Fig.3 Design of horizontal section of floating gate

2.1.2 下主梁應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)下主梁形狀以及截面尺寸，經(jīng)計(jì)算得下主梁截面應(yīng)力見(jiàn)表1。

表1 下主梁應(yīng)力計(jì)算表Table 1 Stress calculation of lower main girder

2.1.3 下主梁腹板局部穩(wěn)定驗(yàn)算

為分析下主梁腹板（材質(zhì)為Q235B）穩(wěn)定性，根據(jù)圖3所示設(shè)計(jì)高度以及厚度數(shù)據(jù)計(jì)算其高厚比，求得比值為232.4，已接近現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范容許極限（250），因此需要同時(shí)布置橫向加勁肋和縱向加勁肋。設(shè)計(jì)橫向加勁肋間距a=1 800 mm,縱向加勁肋距受壓翼緣h1=1 044 mm。

2.1.3.1 驗(yàn)算梁最大彎矩處（跨中）的穩(wěn)定

下主梁跨中彎曲壓應(yīng)力σ=18.6 MPa，剪應(yīng)力τ=0，局部壓應(yīng)力σc=0，屬純彎屈曲。此時(shí)為梁受壓翼緣扭轉(zhuǎn)受到約束的情況，求得抗彎計(jì)算腹板通用高厚比為0.78，彎曲臨界應(yīng)力值可取鋼材的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值235 N/mm2，由此計(jì)算腹板跨中加勁肋局部穩(wěn)定性可滿(mǎn)足要求。計(jì)算參見(jiàn)式（1）所示。

2.1.3.2 驗(yàn)算梁變截面處（距支點(diǎn)2.2 m）的穩(wěn)定

橫向加勁肋間距a=1 600 mm,彎曲壓應(yīng)力σ=53.9 MPa，剪應(yīng)力τ=10.2 MPa，局部壓應(yīng)力σc=0。此時(shí)為梁受壓翼緣扭轉(zhuǎn)未受到約束的情況，求得抗彎計(jì)算腹板通用高厚比為0.5，彎曲臨界應(yīng)力值可取鋼材的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值235 N/mm2；抗剪切腹板通用高厚比為0.7，據(jù)此可得剪切臨界應(yīng)力值為136 N/mm2。由此計(jì)算腹板梁變截面處加勁肋局部穩(wěn)定性可滿(mǎn)足要求。計(jì)算參見(jiàn)式（2）所示。

2.1.4 加勁肋的截面慣性矩驗(yàn)算

橫向加勁肋截面尺寸設(shè)計(jì)為14 mm×200 mm，縱向加勁肋截面尺寸設(shè)計(jì)為12 mm×160 mm，當(dāng)腹板同時(shí)用橫向加勁肋和縱向加勁肋加強(qiáng)時(shí)，應(yīng)在其相交處切斷縱向肋而使橫向肋保持連續(xù)，此時(shí)橫向肋的截面慣性矩應(yīng)滿(mǎn)足Iz≥3h0要求；縱向加勁肋的截面慣性矩應(yīng)滿(mǎn)足Iy≥1.5h0要求。

根據(jù)加勁肋設(shè)計(jì)尺寸以及下主梁設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，按照矩形截面慣性矩計(jì)算公式可求得橫向加勁肋、縱向加勁肋截面慣性矩分別為85 207 071 mm4和38 614 472 mm4，均可滿(mǎn)足以上要求。

2.1.5 下主梁閘墩混凝土承壓應(yīng)力估算

假定梁端為短支承板（寬400 mm×長(zhǎng)600 mm）時(shí)，根據(jù)梁端支承力可求得混凝土平均承壓應(yīng)力σ=1.0 MPa；假定梁端為長(zhǎng)支承板（寬200 mm），混凝土承壓應(yīng)力類(lèi)似水壓力三角形均布，此時(shí)混凝土最大承壓應(yīng)力σmax=36×6÷200=1.1 MPa。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，梁端采用短支承板假定。

2.2 面板的結(jié)構(gòu)分析

按下式選擇板的厚度：

式中[σ]=160 MPa，為面板的容許應(yīng)力；α=1.5，為彈塑性調(diào)整系數(shù)；a=1 060 mm，為面板計(jì)算區(qū)格短邊長(zhǎng)度；b=1 150 mm，為面板計(jì)算區(qū)格長(zhǎng)邊長(zhǎng)度；k為支承長(zhǎng)邊中點(diǎn)彎應(yīng)力系數(shù)，查表為0.308；p=0.027 23 MPa，為區(qū)格中心水壓強(qiáng)度，代入式（3）可求得δ=6.3 mm（取8 mm）。

3 漂浮的穩(wěn)定分析

浮塞門(mén)排水寬度4.2 m，排水長(zhǎng)度10.6 m,吃水深度2.42 m，可計(jì)算出浮心距底主梁中心線SD=0.81 m；門(mén)體重心經(jīng)計(jì)算距底主梁中心線SW=0.26 m；門(mén)體橫穩(wěn)心半徑經(jīng)計(jì)算可求得r=0.629 m，門(mén)體橫浮心距底主梁中心線SM=1.439 m。經(jīng)計(jì)算對(duì)比SM＞SD＞SW,重心在穩(wěn)心之下，故閘門(mén)漂浮穩(wěn)定性可滿(mǎn)足要求。

4 閘門(mén)就位和鎖定措施

浮塞門(mén)沒(méi)有門(mén)槽，甚至沒(méi)有底坎可以放置，為了平穩(wěn)就位和可靠鎖定，實(shí)施中采用以下措施：

（1）人工輔助機(jī)動(dòng)船將浮塞門(mén)初步推入孔口內(nèi)，人工監(jiān)視和推頂閘門(mén)。

（2）閘墩布置錨桿套入浮塞門(mén)導(dǎo)向長(zhǎng)孔內(nèi)引導(dǎo)沉浮，到位鎖定閘門(mén)。

（3）閘門(mén)4個(gè)隔開(kāi)的水箱分別灌排水，甲板上布置水平監(jiān)視系統(tǒng)（4支連通水管），根據(jù)監(jiān)視系統(tǒng)調(diào)整進(jìn)出水，控制閘門(mén)平衡沉浮。

5 混凝土面止水的新型橡皮

混凝土面比鋼制埋件平整度更為粗糙，因此要使用適應(yīng)性更強(qiáng)的新型橡皮。為此，電站與廠家溝通，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，開(kāi)發(fā)研制新型橡皮，如圖4、圖5所示。新型橡皮尺寸較大（達(dá)300 mm寬），加大與混凝土的接觸面，有小凹坑時(shí)可以覆蓋過(guò)去。新型橡皮由P形和L形橡皮組合，軟硬兼顧，既不易翻又能貼緊止水。P形部分加長(zhǎng)了柄把，而且與壓板之間留有V形間隙，變形能力更強(qiáng)。底止水和側(cè)止水都用相同的新型橡皮，依靠P形部分的方頭限位和支承。

圖4 新型橡皮（底水封）Fig.4 A new type of rubber(bottom water seal)

圖5 新型橡皮（側(cè)水封）Fig.5 A new type of rubber(lateral water seal)

6 閘墩混凝土壓力擴(kuò)散墊

下主梁端支承力為236.4 kN，壓力擴(kuò)散墊承壓設(shè)計(jì)面積為400 mm×600 mm，厚度L=90 mm。

6.1 擴(kuò)散墊的變形尺寸

如圖6，閘墩半徑R=1 500 mm，當(dāng)擴(kuò)散墊壓到接觸弦長(zhǎng)400 mm時(shí)，凈矢高S凈=13.4 mm，弓形面積J=3 574.7mm2，平均高度S平均=3 574.7÷400=8.94 mm，則S凈/S平均=1.5倍。

6.2 擴(kuò)散墊的最大壓應(yīng)力和需要的體積彈性模量

最大壓應(yīng)力

需體積彈模

由于橡膠體積彈模為7.84 N/mm2，因此可以采用橡膠制品改良為壓力擴(kuò)散墊。擴(kuò)散墊裝入鋼板盒，限制橫向變形，保證邊緣壓力擴(kuò)散效果。

圖6 壓力擴(kuò)散墊變形分析圖Fig.6 Deformation analysis of pressure diffusion pad

7 伸縮臂的研究重點(diǎn)

閘門(mén)需張開(kāi)擋水和收攏漂移，伸縮臂需要設(shè)置以下機(jī)構(gòu)部件：

（1）傳力結(jié)構(gòu)：保證伸縮臂的水壓力可靠地傳遞到門(mén)體上。

（2）移動(dòng)機(jī)構(gòu)：保證伸縮臂伸縮靈活，要求的動(dòng)力小。

（3）移動(dòng)機(jī)械：應(yīng)是手拉葫蘆之類(lèi)簡(jiǎn)單機(jī)械。

（4）止水連接：伸縮臂的水封可以在移動(dòng)范圍內(nèi)處處與門(mén)體水封系統(tǒng)連接止水。

（5）利用水壓：作用在伸縮臂上的水壓力最好能壓緊側(cè)水封。

8 組合浮塞方案

上文闡述的浮塞門(mén)不僅能為左岸溢洪道弧門(mén)更換和檢修提供必要的條件，而且還有許多優(yōu)點(diǎn)（無(wú)門(mén)槽、無(wú)啟閉機(jī)等）。但它也存在不足之處，如尺寸大、鋼板厚、運(yùn)輸和維護(hù)難等。為了克服不足，實(shí)施中進(jìn)一步對(duì)方案進(jìn)行了優(yōu)化，提出組合浮塞門(mén)方案，為便于區(qū)別，前面闡述的浮塞門(mén)以下均稱(chēng)為整體浮塞門(mén)。如圖7所示，組合浮塞門(mén)的結(jié)構(gòu)分為3部分：擋水浮體、支承浮體和聯(lián)接浮體。3個(gè)浮體分開(kāi)制作和運(yùn)輸，放到水庫(kù)能獨(dú)立漂浮，可以用4根銷(xiāo)軸聯(lián)接在一起如整體浮塞門(mén)一樣使用，也可以拆散吊上岸存放維護(hù)。

8.1 浮體結(jié)構(gòu)分析

擋水浮體以及支承浮體的主梁位置均同整體浮塞門(mén)，其水荷載強(qiáng)度也一樣。擋水浮體主梁可視為帶雙懸臂的簡(jiǎn)支梁，支承浮體主梁可視為承受兩對(duì)稱(chēng)集中力的簡(jiǎn)支梁。

8.1.1 浮體內(nèi)力計(jì)算

經(jīng)計(jì)算，可求得擋水浮體以及支承浮體下主梁內(nèi)力。

擋水浮體下主梁內(nèi)力為：跨中最大彎矩Mmax=141.8 kN·m，懸臂最大彎矩Mmax=113.4 kN·m；跨中段最大切力Qmax=141.8 kN，懸臂段最大切力Qmax=94.5 kN。

支承浮體下主梁內(nèi)力為：跨中彎矩Mmax=497 kN·m，軸力Pmax=194kN，端部切力Qmax=237kN。

8.1.2 浮體下主梁腹板局部穩(wěn)定計(jì)算

為分析下主梁腹板（材質(zhì)為Q235B）穩(wěn)定性，分別根據(jù)圖8、圖9所示h0（腹板高度）以及tw（腹板厚度）計(jì)算兩者比值，求得比值均為123.5，按規(guī)范要求需配置橫向加勁肋。根據(jù)h0、tw數(shù)據(jù)以及梁段最大剪應(yīng)力，可求得擋水浮體以及支承浮體下主梁平均剪應(yīng)力τ分別為19.0 MPa、30 MPa,考慮彎曲壓應(yīng)力σ的影響取系數(shù)η=1，參數(shù)ξ按照式（6）計(jì)算：

可求得擋水浮體以及支承浮體ξ值分別為538.1和676.4，均小于1 200，故有橫向加勁肋最大間距a=2h0=1 976 mm，閘門(mén)橫向隔板、縱向隔板間距均取1 800 mm，小于a值，因此無(wú)需再添加勁肋。

圖7 組合浮塞門(mén)示意圖Fig.7 Schematic diagram of combinational floating gate

圖8 擋水浮體下主梁截面示意圖Fig.8 Sectionoflowermaingirderofwaterretainingfloating body

圖9 支承浮體下主梁截面示意圖Fig.9 Section of lower main girder of supporting floating body

8.2 各浮體的重心和浮心

8.2.1 擋水浮體

浮體重10 t,經(jīng)計(jì)算：不加壓重，重心在下主梁中心線上方1.474 m，加壓重混凝土7.75 m3（17 t），重心在下主梁中心線上方0.572 m，吃水2.4 m，浮心在下主梁中心線上方0.9 m，浮心高于重心，能獨(dú)立穩(wěn)定漂浮。

8.2.2 支承浮體

浮體重12 t，經(jīng)計(jì)算：不加壓重，重心在下主梁中心線上方1.506 m，加壓重混凝土7.29 m3（16 t），重心在下主梁中心線上方0.633 m，吃水2.4 m，浮心在下主梁中心線上方0.9 m，浮心高于重心，能獨(dú)立穩(wěn)定漂浮。

8.2.3 聯(lián)接浮體

浮體重3.6 t，經(jīng)計(jì)算：不加壓重，重心在下主梁中心線上方1.15 m，吃水深度2.1 m，浮心在下主梁中心線上方0.9 m，浮心低于重心，能獨(dú)立漂浮，但不穩(wěn)定（會(huì)翻轉(zhuǎn)），組合時(shí)要人工扶住。

有關(guān)面板和小梁的強(qiáng)度和剛度、就位和鎖定、混凝土表面止水、壓力擴(kuò)散、灌排水、平壓等，與整體浮塞門(mén)基本相同，不再贅述。

9 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)以上計(jì)算分析，浮塞門(mén)方案是科學(xué)和可行的。整體浮塞門(mén)自重約40 t，加重鐵砂混凝土70 t左右，造價(jià)只有“組合式閘槽方案”的50%左右；而與圍堰方案比較，不但造價(jià)低，而且沒(méi)有拆除的費(fèi)用和技術(shù)問(wèn)題，還能留下供今后繼續(xù)使用，因此浮塞門(mén)方案是合理和經(jīng)濟(jì)的。而改為組合結(jié)構(gòu)則自重約28 t，加重混凝土33 t左右，且可以降低運(yùn)輸和維護(hù)難度，工程量也更小。經(jīng)過(guò)選比，江口水電站在左岸溢洪道閘門(mén)改造工程項(xiàng)目中采用了組合浮塞門(mén)方案，并在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。目前國(guó)內(nèi)需要增設(shè)檢修閘門(mén)的水電站還有不少，浮塞門(mén)技術(shù)是目前解決類(lèi)似問(wèn)題的最佳選擇，值得大力推廣。