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        水電站溢洪道超大型弧形工作閘門設(shè)計(jì)解析

        2019-10-21 17:10:30茍小偉
        裝飾裝修天地 2019年2期
        關(guān)鍵詞:溢洪道水電站設(shè)計(jì)

        茍小偉

        摘? ? 要:隨著我國(guó)水利事業(yè)不斷發(fā)展,當(dāng)今水利電站工程數(shù)量越來越多,為了能夠全面保障水電站運(yùn)行安全性、穩(wěn)定性,必須要加強(qiáng)溢洪道超大型弧形工作閘門設(shè)計(jì)工作,其不僅要具備防洪、保護(hù)的功能,同時(shí)也要確保閘門使用效率與功能?;诖?,本文重點(diǎn)探究水電站溢洪道超大型弧形工作閘門設(shè)計(jì)方案。

        關(guān)鍵詞:水電站;溢洪道;超大型弧形工作閘門;設(shè)計(jì)

        1? 引言

        溢洪道作為水利建筑的防洪設(shè)備,通常都建設(shè)在水壩的一側(cè),就像是一個(gè)大槽,如果水庫(kù)水位超過了安全界限,水就會(huì)從溢洪道向下游流出,避免水壩被破壞。溢洪道想要實(shí)現(xiàn)排、堵水的功能,就必須要保證工作閘門設(shè)計(jì)的規(guī)范性,在水位超過標(biāo)準(zhǔn)時(shí),閘門可以自動(dòng)打開向下游排水,從而確保水電站的安全性。

        2? ?工程概況

        某水電工程溢洪道主要設(shè)置了4孔閘門,孔口尺寸的寬度和高度分別為13m、22m,校核泄洪量為13330m3/s;設(shè)計(jì)泄洪量為11478m3/s。泄洪道每個(gè)孔都設(shè)置一道閘門,總共4扇閘門。閘門主要的作用是泄洪、調(diào)節(jié)水庫(kù)水位、動(dòng)水啟閉、局部開啟等。由于本工程溢流堰頂高程在死水位的15m以下,所以超大型弧形閘門通常是處于關(guān)閉狀態(tài)來保障發(fā)電水位。

        由于發(fā)電站水庫(kù)帶有調(diào)節(jié)功能,所以弧門的啟閉十分頻繁,再加上閘門本體體積較大,所以閘門設(shè)計(jì)是否穩(wěn)定、安全會(huì)直接影響水電工程安全性能。常規(guī)的設(shè)計(jì)手段主要是對(duì)構(gòu)件進(jìn)行處理分析,無法反應(yīng)內(nèi)部構(gòu)件的受力情況。為了能夠保障閘門設(shè)計(jì)質(zhì)量,掌握閘門內(nèi)部構(gòu)件受力特性、振動(dòng)性能。在CATIA平臺(tái)上采用三維有限元對(duì)弧門進(jìn)行了分析,并計(jì)算整個(gè)弧門正常擋水情況下構(gòu)件所受到的靜應(yīng)力、位移系數(shù)、穩(wěn)定性能,之后再對(duì)閘門活動(dòng)狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析。

        3? ?水電站溢洪道超大型弧形工作閘門設(shè)計(jì)

        3.1? 閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        在閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中,需要按照最不利于工況標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì),確保閘門能夠應(yīng)對(duì)任何的事故。結(jié)合工程概況,閘門設(shè)計(jì)水頭23.94m下的啟門工況。在實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中,需要重點(diǎn)考慮閘門結(jié)構(gòu)不同部位的動(dòng)力系數(shù)。

        在弧門框架設(shè)計(jì)過程中,要按照主梁正、負(fù)彎矩大致相同的原則,在閘門開啟當(dāng)中,弧門框架除了會(huì)受到水壓荷載力之外,還需要承受液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的啟門作用力,為了保障梁臂位置的最大彎矩以及跨中最大彎矩向接近,主梁懸臂端長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為19m,從而達(dá)到又經(jīng)濟(jì)、又可靠的目的。為了降低支臂彎矩以及框架反作用力,在能夠滿足以上條件基礎(chǔ)上,要盡可能增加支鉸中心到側(cè)墻之間的距離。

        本工程弧門框架主梁、支臂單位剛度比為:上框架為6.656;中框架6.243;下框架為6.195。在截面選擇過程中,由于中、下主梁會(huì)受到啟門力的影響,因此中、下主梁、支臂設(shè)計(jì)采用箱型截面,受力較小的上主梁、支臂采用了“工”字截面。支臂在弧門當(dāng)中發(fā)揮著重要作用,支臂除了能夠滿足上述剛度、強(qiáng)度外,在實(shí)際使用中也必須要保持穩(wěn)定性?;¢T破壞的主要形式就是支臂失穩(wěn),會(huì)造成嚴(yán)重的事故。為了能夠強(qiáng)化支臂穩(wěn)定性,需要在上、中支臂之間以及中、下支臂之間增加連接系統(tǒng)以及斜向連接系統(tǒng)。針對(duì)支臂截面尺寸較大的問題,可以在支臂腹板上增設(shè)筋肋,這樣可以提高腹板局部的穩(wěn)定性。

        3.2 閘門零部件設(shè)計(jì)

        3.2.1? 止水設(shè)計(jì)

        為了保障弧門的密封性,側(cè)水封采用了無節(jié)型橡塑復(fù)合止水裝置,水封座材料為不銹鋼,這樣可以減少水封磨損,延長(zhǎng)整個(gè)系統(tǒng)的使用時(shí)間,也能夠減少水摩擦、提高閘門的啟門性能。底止水和底坎采用了I130-20止水,根據(jù)實(shí)際工程情況對(duì)夾角進(jìn)行切割處理,并保留5mm的預(yù)壓縮量,這樣即可滿足水壩的止水標(biāo)準(zhǔn)。

        3.2.2 側(cè)向支承設(shè)計(jì)

        為了避免閘門啟閉過程中造成中門葉傾斜卡阻問題,確保側(cè)水封能夠正常使用,在閘門邊柱腹板位置上增設(shè)了筒支側(cè)輪,并在側(cè)輪底部安裝了橡膠墊(15mm),側(cè)軌與側(cè)輪之間保持5mm的距離。每節(jié)門葉布置2個(gè),總統(tǒng)布置了16個(gè)。

        3.2.3 支鉸設(shè)計(jì)

        閘墩與閘門傳力的主要零部件就是支鉸,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中十分重要。支鉸設(shè)計(jì)需要考慮其受力,要結(jié)合最不利于工況的基礎(chǔ)下進(jìn)行支鉸設(shè)計(jì),包括水壓力、啟門力、止水摩擦力、重力等,從而獲得支鉸座板平面垂直應(yīng)力以及支鉸座的平衡應(yīng)力(側(cè)推力)。再者,需要正確選擇支鉸軸型式,對(duì)于超大型弧門通常都選擇球鉸或者圓柱鉸。在性能選擇中,結(jié)合工程實(shí)際情況,要求動(dòng)荷載在60850kN以上;靜荷載在101420kN以上。

        3.3? 閘門三維線彈性有限元設(shè)計(jì)

        在三維線彈性有限元分析當(dāng)中,在實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中需要重點(diǎn)計(jì)算弧形閘門在擋水工程下的位移、靜應(yīng)力、穩(wěn)定性、閘門自由狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)性能,采用四面體單元形式進(jìn)行計(jì)算,將整個(gè)閘門模型劃分為502452個(gè)單元、163623個(gè)節(jié)點(diǎn),在進(jìn)行動(dòng)力分析當(dāng)中,對(duì)閘門時(shí)間質(zhì)量之后,在增加任何約束的情況下,確保閘門能夠?qū)崿F(xiàn)自由開啟狀態(tài),對(duì)閘門的自由模型進(jìn)行分析,分析閘門自由狀態(tài)下的運(yùn)行頻率,從而獲得閘門在各個(gè)振動(dòng)頻率狀態(tài)下的振動(dòng)模態(tài),這樣即可得得到閘門在動(dòng)態(tài)情況下的運(yùn)行特征。本工程的三維線彈性有限元計(jì)算結(jié)果為:

        (1)在正常擋水情況下,閘門不會(huì)受到較大應(yīng)力,大部分情況下閘門所受到的應(yīng)力都可以控制在100MPa以內(nèi),最大變形處位于上肢臂,位移距離為20mm。

        (2)在正常擋水情況下,對(duì)屈曲系數(shù)進(jìn)行分析可知,各個(gè)模態(tài)屈曲系數(shù)都保持在1以上,表明閘門運(yùn)行穩(wěn)定性符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn);。

        (3)閘門在自由狀態(tài)下,振動(dòng)頻率能夠控制在0~5Hz之間。大體上來看,模態(tài)數(shù)量和閘門變形系數(shù)成正比,也就是模態(tài)數(shù)量增加約會(huì)增加閘門變形系數(shù)。通過分析自由振動(dòng)系數(shù),表明閘門上肢臂抗震性較弱(與最大變形成正比)。

        從整體方面來看,在三維線彈性有限元參照比較當(dāng)中,本工程閘門設(shè)計(jì)的安全性、可靠性符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

        3.4? 啟閉機(jī)選型布置

        現(xiàn)如今,液壓技術(shù)不斷發(fā)展和進(jìn)步,其先進(jìn)性也逐漸被設(shè)計(jì)人員認(rèn)可,在設(shè)計(jì)中液壓技術(shù)的應(yīng)用也愈加廣泛。在漏頂式弧門,特別是超大型弧門設(shè)計(jì)當(dāng)中,雙缸液壓機(jī)已經(jīng)成為了設(shè)計(jì)當(dāng)中的首要選擇。這是因?yàn)橐簤簡(jiǎn)㈤]機(jī)在超大型弧門設(shè)計(jì)當(dāng)中具有十分明顯的優(yōu)勢(shì),例如布置緊湊、結(jié)構(gòu)清晰、自重小、承載性能強(qiáng)、抗緩沖能力強(qiáng)、調(diào)速效率高、可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等等。特別是在近幾年,隨著液壓?jiǎn)㈤]機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中愈加成熟,應(yīng)用水平也有所提高,因此新型液壓技術(shù)也廣受大型金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者的歡迎,并且在實(shí)際應(yīng)用中取得了不錯(cuò)的成效。因此,本工程溢洪道弧門主要是采用了液壓?jiǎn)㈤]機(jī)作為弧門啟閉裝置。

        在雙缸懸掛式啟閉機(jī)布置過程中,其核心要點(diǎn)是如何將啟閉機(jī)油缸正確安裝在掛點(diǎn)位置,讓啟閉機(jī)在啟閉門時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)最佳性能。通過采用作圖法對(duì)不同設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比,可以找出弧門油缸的最佳掛點(diǎn),并提出相應(yīng)的工作行程。本工程的溢洪道弧門啟閉機(jī)容量為2*4500kN,工作行程為14m。

        4? 結(jié)束語(yǔ)

        綜上所述,為了能夠保障水電站工程運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性,確保溢洪道閘超大型弧門運(yùn)行功能。本文結(jié)合了某工程概況與特點(diǎn),對(duì)弧門進(jìn)行設(shè)計(jì)分析,包括閘門結(jié)構(gòu)、零部件、三維線彈性有限元、啟閉機(jī)等,該設(shè)計(jì)在實(shí)際投入使用中可以完全滿足溢洪道排水、調(diào)節(jié)功能,提高了水電站的運(yùn)行效益。

        參考文獻(xiàn):

        [1] 王興恩.董箐水電站溢洪道超大型弧門設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)探討[J].水電勘測(cè)設(shè)計(jì),2012(4):14~18.

        [2] 黃偉,楊永崗.糯扎渡水電站溢洪道表孔超大型弧形閘門倒序安裝[J].水利水電技術(shù),2014(3):38.

        [3] 王春,羅進(jìn). SonLa水電站超大型潛孔弧形閘門布置形式研究[J].華北水利水電大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2015(5):34~38.

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