陳相楠, 姚昌杰

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

埃塞俄比亞GIBE Ⅲ水電站中孔附環(huán)閘門的設(shè)計(jì)

陳相楠, 姚昌杰

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

附環(huán)閘門的設(shè)計(jì)是我公司在走向國(guó)際化市場(chǎng)業(yè)務(wù)的一次重要技術(shù)探索和創(chuàng)新，被應(yīng)用于埃塞俄比亞GIBE Ⅲ水電站中孔，閘門擋水水頭和操作水頭達(dá)到了142 m。本文結(jié)合GIBE Ⅲ水電站中孔的流道布置、水力設(shè)計(jì)及附環(huán)閘門的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)提出了附環(huán)閘門的設(shè)計(jì)原則、考慮的因素和具體措施。

附環(huán)閘門; 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì); GIBE Ⅲ水電站

0 前 言

隨著水電事業(yè)的發(fā)展和高庫(kù)大壩的涌現(xiàn)，泄水建筑物的閘門工作水頭日益提高。一方面，現(xiàn)有高水頭大壩的設(shè)計(jì)一般設(shè)置有放空洞，放空洞不考慮參與泄洪，只做水庫(kù)放空用，故閘門的擋水水頭可能很高，但動(dòng)水操作的水頭一般控制在100 m以內(nèi);另一方面，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有高水頭工作閘門通常采用沖壓止水弧形閘門、偏心鉸弧門，閘門動(dòng)水操作的水頭一般控制在100 m以內(nèi)。我公司在開展國(guó)際市場(chǎng)業(yè)務(wù)的過程中，卻遇見業(yè)主或者咨詢公司要求大壩的底孔兼具有泄洪與放空的作用。GIBE Ⅲ水電站中孔閘門便是如此，業(yè)主要求遇到大洪水時(shí)，閘門具備在142 m高水頭工況下動(dòng)水操作的能力。

GIBE Ⅲ水電站為埃塞俄比亞OMO河梯級(jí)開發(fā)中的第3級(jí)電站，壩型為混凝土重力壩，電站裝設(shè)10臺(tái)187 MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組。該項(xiàng)目的業(yè)主為埃塞俄比亞國(guó)家電力公司，咨詢方為意大利的ER公司和法國(guó)的柯因公司，土建承包商為意大利Salini公司，土建設(shè)計(jì)為意大利的SP公司。東方電氣集團(tuán)國(guó)際合作有限公司為本項(xiàng)目的機(jī)電及水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備總承包方，我公司承擔(dān)本電站金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備及機(jī)電設(shè)備的設(shè)計(jì)工作。

1 GIBE Ⅲ中孔布置

GIBE Ⅲ水電站大壩設(shè)7個(gè)溢洪道和2個(gè)中孔。2個(gè)中孔分別布置于大壩的左右兩側(cè)，業(yè)主要求滿足蓄水過程中的調(diào)節(jié)下泄流量、放空水庫(kù)和泄洪的功能。電站正常蓄水位為892.00 m，中孔底坎高程為750.00 m。中孔原設(shè)計(jì)方案設(shè)置兩道閘門，流道中部設(shè)置事故閘門，出口處設(shè)置弧形工作閘門，其孔口尺寸為4 m×5.8 m。2011年5月，土建設(shè)計(jì)單位告知經(jīng)水力學(xué)模型試驗(yàn)證實(shí)，由于流道的漸變段和閘門門槽部在高水位運(yùn)行情況下產(chǎn)生較嚴(yán)重的空化空蝕，放棄弧形閘門布置方案，要求我公司重新考慮中孔閘門布置型式。在進(jìn)行了大量的研究工作后，為改善水力學(xué)條件，中孔流道除進(jìn)口為矩形漸變段外，其后均為圓形斷面。我們?cè)谥锌琢鞯啦贾昧巳篱l門，進(jìn)口處設(shè)置檢修閘門，采用壩頂門機(jī)操作；出口處設(shè)置事故閘門及工作閘門，事故閘門與工作閘門均采用附環(huán)閘門，采用8 000 kN/6 000 kN(啟門力/閉門力)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作。新布置方案獲得業(yè)主、咨詢公司及土建承包商三方認(rèn)可，并經(jīng)水力學(xué)模型試驗(yàn)驗(yàn)證可行后最終確定(見圖1)。

圖1 GIBE Ⅲ中孔流道布置

2 閘門的水力設(shè)計(jì)

附環(huán)閘門是高水頭平面閘門的一種，在高水頭平面閘門的基礎(chǔ)上于閘門底部增設(shè)附環(huán)結(jié)構(gòu)，使閘門開啟時(shí)，附環(huán)結(jié)構(gòu)對(duì)門槽部分進(jìn)行回補(bǔ)后無門槽，以保證整個(gè)流道為圓形斷面，減少了流道形狀的變化。泄洪時(shí)等于無門槽，出流為圓形斷面，能避免或減少高速水流與門槽的空化空蝕，滿足高速水流下流道的設(shè)計(jì)要求。GIBE Ⅲ水電站的中孔工作閘門及事故閘門均采用附環(huán)閘門，其操作水位達(dá)到了142 m，事故閘門的孔口直徑為Φ5.4 m，出口工作閘門直徑為Φ4.6 m，單孔泄洪能力能達(dá)到810 m3/s。閘門段進(jìn)出流條件、門槽的抗空化能力及門槽下游相鄰區(qū)域的邊界水力特性等成為水力設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題，在設(shè)計(jì)中我們特別加以關(guān)注并開展了相關(guān)的試驗(yàn)研究工作(見圖2)。

圖2 附環(huán)閘門的操作示意

GIBE Ⅲ水電站的土建設(shè)計(jì)承包商SP公司在確定中孔閘門布置之后，委托瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院(Swiss Federal Institute of Technology Zurich)展開了中孔流道的水力學(xué)試驗(yàn)研究。同時(shí)，我公司也是第一次設(shè)計(jì)附環(huán)閘門，且國(guó)內(nèi)也未曾有類似閘門的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，我們分析認(rèn)為，在啟、閉過程中經(jīng)歷的部分開啟工況，水力流態(tài)紊亂。閘門橫向、縱向附加激振力及頻率對(duì)閘門結(jié)構(gòu)和啟、閉力會(huì)造成大的影響，必須加以研究。附環(huán)閘門的動(dòng)水操作水頭很高，高速水流下若閘門起升的穩(wěn)定性及閘門的剛、強(qiáng)度和變形得不到有效控制，就可能造成閘門啟閉的困難。故我公司特委托長(zhǎng)江科學(xué)研究院進(jìn)行了該閘門的水力學(xué)及流激振動(dòng)模型試驗(yàn)研究。

2.1 出口錐管設(shè)計(jì)

由于高速水流下，附環(huán)閘門的附環(huán)結(jié)構(gòu)與圓形流道的圓周能否對(duì)齊，是避免流道內(nèi)產(chǎn)生有害漩渦或空穴的主要措施。在設(shè)計(jì)附環(huán)閘門門槽時(shí),我們?cè)谄涑隹谠O(shè)計(jì)了錐管段，流道由事故閘門處的Φ5.4 m壓縮至出口處工作閘門的Φ4.6 m，以提高錐管前壓力，錐管后無壓泄流。借此消除流道表面和附環(huán)突出部分的空蝕現(xiàn)象，并能適應(yīng)附環(huán)閘門處于全開位置時(shí)，自行下沉而形成凹凸不平的錯(cuò)臺(tái)。設(shè)計(jì)時(shí)，要求液壓?jiǎn)㈤]機(jī)在附環(huán)閘門下滑達(dá)到2 cm時(shí)，啟動(dòng)回升裝置。

試驗(yàn)研究表明門槽段及鄰近區(qū)域的時(shí)均壓力分布正常，沿程壓力變化平緩，附環(huán)閘門門槽段及鄰近區(qū)域的水流脈動(dòng)壓力均較??；事故閘門前后水流空化數(shù)較大，無空蝕危險(xiǎn)；臨近工作閘門槽的流道末端水流空化數(shù)相對(duì)較小。事故閘門附環(huán)與流道形成±0.10 m的錯(cuò)臺(tái)后，附環(huán)閘門門槽段及鄰近區(qū)域水流順暢，未見不良流態(tài)；凸坎及凹槽前后的時(shí)均壓力均有一定升降，時(shí)均壓力最大變化約7×9.81 kPa，水流脈動(dòng)壓力也有不同程度的增加，但鑒于該段流道的時(shí)均壓力值較大，該區(qū)段的水流空化數(shù)變化不大，亦不會(huì)產(chǎn)生空蝕現(xiàn)象。

2.2 門槽下游邊界設(shè)計(jì)

在工作水頭下，附環(huán)閘門出閘水流流速接近50 m/s，若出口處門槽體型設(shè)計(jì)不當(dāng)，門槽后邊墻會(huì)出現(xiàn)局部負(fù)壓區(qū)，這意味著該區(qū)將面臨空蝕破壞的危害。在泄水道運(yùn)行時(shí)，出閘水流以射流形態(tài)向下游泄放。下泄水流對(duì)下游邊界可能誘發(fā)空化空蝕問題。設(shè)計(jì)時(shí)，我們借鑒以往的高水頭平面滑動(dòng)研究成果，盡量采用門槽下游錯(cuò)距加擴(kuò)散角的門槽體型以形成超空穴狀態(tài)，避免射流與邊壁發(fā)生碰觸。經(jīng)試驗(yàn)研究確定，錯(cuò)距為400 mm，擴(kuò)散角為25°。

試驗(yàn)研究表明,中孔附環(huán)閘門在正常開啟泄洪條件下，附環(huán)閘門門槽段及鄰近區(qū)域水流順暢，未出現(xiàn)旋滾、氣囊，事故門井內(nèi)充盈水體；水體出工作閘門后呈平拋射出，水流整體呈現(xiàn)規(guī)則圓柱狀，水柱與工作閘門閘室段邊界有足夠距離，無水體擊打工作閘門后突擴(kuò)門槽閘室段。工作閘門門槽后射流水體脫離過流壁面，對(duì)流道壁面不會(huì)產(chǎn)生空蝕破壞(見圖3)。

2.3 附環(huán)閘門后摻氣設(shè)計(jì)

GIBE Ⅲ中孔事故閘門與工作閘門緊挨著布置，瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院試驗(yàn)研究表明,當(dāng)工作閘門在啟閉過程中出現(xiàn)事故時(shí)需要事故閘門動(dòng)水閉門，事故閘門后會(huì)產(chǎn)生漩渦與負(fù)壓，導(dǎo)致門槽被空化空蝕破壞。試驗(yàn)測(cè)得50 m水頭下，最大負(fù)壓為-60×9.81 kPa，且該負(fù)壓會(huì)隨著水頭的升高而增大，故需考慮采取措施控制和避免空穴的產(chǎn)生(見圖4)。

設(shè)計(jì)時(shí)，在事故閘門后，錐管段前設(shè)置了兩根Φ250 mm的自動(dòng)吸排氣裝置，以減少漩渦的產(chǎn)生和負(fù)壓。增設(shè)摻氣裝置后，在很小的一段開度范圍內(nèi)，水體強(qiáng)烈摻氣，此時(shí)通氣孔較強(qiáng)進(jìn)氣，測(cè)得風(fēng)速約30 m/s，布設(shè)測(cè)點(diǎn)壓力均為負(fù)壓，最大負(fù)壓為-2.68×9.81 kPa，較好地解決了漩渦與負(fù)壓的問題。

圖3 GIBE Ⅲ中孔門槽布置

模型試驗(yàn)結(jié)果表明，在各級(jí)水位下，附環(huán)閘門門槽無漩渦，流態(tài)平順，壓力分布合理。

3 閘門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

附環(huán)閘門的門槽結(jié)構(gòu)、門葉結(jié)構(gòu)及止水設(shè)計(jì)較常規(guī)平面閘門設(shè)計(jì)難度大。閘門結(jié)構(gòu)作為運(yùn)行安全控制的主體部分，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需從如下幾方面加以考慮。

3.1 門槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)工作閘門門槽支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。GIBE Ⅲ水電站中孔工作閘門的尺寸為Φ4.6 m，擋水水頭為142 m，總水壓力為28 154 kN，同時(shí)，工作閘門在動(dòng)水啟閉的過程中，在不同開度區(qū)間閘門水流向會(huì)因?yàn)樗骷ぐl(fā)而產(chǎn)生振動(dòng)，這就要求工作閘門的門槽支承結(jié)構(gòu)做得盡可能強(qiáng)。而工作閘門位于大壩后部，門槽下游邊界為避免射流與邊壁發(fā)生碰觸，工作閘門后的門槽擴(kuò)散角要求達(dá)到25°，這導(dǎo)致工作閘門門槽的支承混凝土比較薄弱。設(shè)計(jì)過程中，我們考慮將工作閘門的門槽支承通過鋼梁結(jié)構(gòu)傳遞至上游的中孔鋼襯上去，并在事故閘門與工作閘門之間的混凝土增設(shè)支承臺(tái)階以提升門槽的支承強(qiáng)度。同時(shí)，土建設(shè)計(jì)將工作閘門門槽后混凝土通過錨索的方式與大壩相連，進(jìn)一步增強(qiáng)工作閘門門槽的支承。

(2)門槽結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)。GIBE Ⅲ水電站中孔工作閘門平常處于關(guān)閉狀態(tài)，事故閘門門槽內(nèi)有庫(kù)水。事故閘門與工作閘門的布置距離僅有4 m，土建承包商擔(dān)心事故閘門與工作閘門門槽間的混凝土難以承受142 m水頭庫(kù)水壓力，要求我公司計(jì)算門槽結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能單獨(dú)承受水壓作用。我們考慮在門槽結(jié)構(gòu)的上游側(cè)做加強(qiáng)工字型鋼梁，下游側(cè)通過與工作閘門門槽連接，形成較大尺寸的箱型梁以滿足要求(見圖5)。

(3)下沉腔設(shè)計(jì)。事故閘門由于附環(huán)閘門結(jié)構(gòu)的需要，閘門門槽需設(shè)計(jì)下沉腔，閘門下沉擋水時(shí)，附環(huán)部分下沉腔中。下沉腔需考慮排沙及檢修時(shí)的排水要求，我們?cè)谇坏撞吭O(shè)置了斜坡，并設(shè)置閥門適應(yīng)上述要求。

圖4 未摻氣附環(huán)閘門事故閉門過程產(chǎn)生的漩渦

圖5 門槽結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)

3.2 門葉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

附環(huán)閘門設(shè)計(jì)時(shí)與普通平面閘門的不同在于附環(huán)閘門所受水壓力為圓形斷面，并且由于閘門擋水水頭很高，對(duì)止水面的撓度要求較高。通過結(jié)構(gòu)靜力分析：在靜水壓力作用下，最大彎矩出現(xiàn)在閘門的中間部位，頂部止水處水壓力雖距支承距離較遠(yuǎn)，但壓力作用面積較小，撓度能有較好的控制。GIBE Ⅲ中孔的工作閘門與事故閘門由于布置位置的不同，附環(huán)部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也略有不同。

(1)工作閘門門葉。流道泄流時(shí)，工作閘門作為操作閘門，其后進(jìn)行了較大的突擴(kuò)以滿足水力學(xué)的要求，工作閘門的附環(huán)亦不需要一個(gè)完整的圓形斷面，只取上半圓部分。為減少底緣形式對(duì)閘門的空化空蝕和振動(dòng)，改善運(yùn)行條件，附環(huán)下游傾角要求不低于30°。這種底緣形式的壓力分布及減震效果較好。因此，水流平順，減少了對(duì)門槽內(nèi)水流的擾動(dòng)，減少空化空蝕(見圖6)。

圖6 工作閘門門葉結(jié)構(gòu)

(2)事故閘門門葉。事故閘門附環(huán)結(jié)構(gòu)主要用于流道泄流時(shí)，對(duì)附環(huán)閘門門槽部分的回補(bǔ)，以保證整個(gè)流道為圓形斷面，減少流道形狀的空化空蝕。由于事故閘門后采用錐管設(shè)計(jì)，使得附環(huán)結(jié)構(gòu)與泄水流道邊緣的錯(cuò)距在允許范圍內(nèi)能被接受，所以附環(huán)結(jié)構(gòu)的直徑應(yīng)略大于流道的直徑，取Φ5.44 m(見圖7)。

圖7 事故閘門門葉結(jié)構(gòu)

3.3 止水設(shè)計(jì)

GIBE Ⅲ中孔閘門擋水水頭高，達(dá)到142 m，有效的止水設(shè)計(jì)成為附環(huán)閘門設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。我們考慮采取引庫(kù)水壓充壓止水的形式進(jìn)行止水。為便于布管引庫(kù)水壓止水，我們將止水裝置布置于門槽結(jié)構(gòu)上。止水裝置包含引庫(kù)水管道、水封裝置及泄水裝置。啟門操作時(shí)先關(guān)閉引庫(kù)水通道閥門，再開啟泄水端閥門泄壓后啟門；閉門后先開啟引庫(kù)水管道閥門，延時(shí)關(guān)閉泄水裝置閥門進(jìn)行充壓止水。由于中孔流道還肩負(fù)蓄水過程中下泄流量的要求，蓄水過程的水壓可能不足以使充壓水封充壓伸出止水，所以我們將充壓水封與止水座板的間隙進(jìn)行了控制。水封自由狀態(tài)有3 mm的預(yù)壓縮量，同時(shí)，水封底部與止水座的間隙也控制為3 mm，以滿足上述要求。止水座板焊接在門葉結(jié)構(gòu)上，采用不銹鋼，板厚5 mm，以避免水封在閘門啟閉過程中被磨損(見圖8)。

圖8 GIBE Ⅲ中孔閘門止水裝置

4 結(jié) 語

附環(huán)閘門的設(shè)計(jì)是我公司在走向國(guó)際化市場(chǎng)業(yè)務(wù)的一次重要技術(shù)探索和創(chuàng)新，被應(yīng)用于埃塞俄比亞GIBE Ⅲ水電站中孔，閘門擋水水頭和操作水頭達(dá)到了142 m。由于附環(huán)閘門整個(gè)流道為圓形斷面，減少了流道形狀的變化，且泄洪時(shí)無門槽，出流為圓形斷面，能避免或減少高速水流與門槽的空化空蝕，滿足高速水流下流道的設(shè)計(jì)要求，比普通平面閘門水力學(xué)條件更好，為高水頭大壩的泄洪底孔與放空洞結(jié)合起來所面臨的閘門操作水頭過高的問題提供了一條解決思路和辦法。

2017-01-12

陳相楠(1985-)，男，四川成都人，工程師，從事水電站金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

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