楊娟麗

(中國水利電力對外有限公司，北京 100120)

蘇丹上阿特巴拉水利樞紐項目(the Dam Complex of Upper Atbara Project)位于蘇丹東部的卡薩拉州與加達里夫州交界處，距首都喀土穆公路約460 km。該項目由位于Atbara河的Rumela(C1-A標)和位于Setit河的Burdana(C1-B標)兩座大壩及其附屬工程組成，該樞紐主要功能為灌溉和供水，并兼顧發(fā)電。項目建成后，將形成兩條河流聯(lián)通的一個約30億m3庫容的水庫，灌溉面積達50萬公頃，為當?shù)丶爸苓?00萬人口解決灌溉用水問題，為300萬人口提供飲用水保障，為上百萬人提供電力供應，蘇丹三分之一的人口將因此直接受益。對于促進蘇丹經(jīng)濟發(fā)展、改善當?shù)厝嗣裆罹哂兄匾膽?zhàn)略意義。

發(fā)電廠房位于Rumela(C1-A標)大壩右岸下游，為壩后式廠房。電站裝有4臺混流式水輪發(fā)電機組，總裝機容量320 MW，四條直徑為8.8 m的壓力鋼管引水至水輪發(fā)電機組。

上阿特巴拉水利樞紐工程C1-A和C1-B標金屬結構由廠房進水口、溢流壩、泄洪底孔及尾水系統(tǒng)的攔污柵和閘門組成，C1-A標還包括壓力鋼管，兩標啟閉設備由門機和液壓啟閉機組成。其中C1-A標溢流壩表孔設置1孔弧形工作閘門，C1-B標溢流壩表孔設置2孔弧形工作閘門，兩標的弧門起升設備均為液壓啟閉機。

1 一體化表孔弧門設計方案

為實現(xiàn)蘇丹上阿特巴拉水利樞紐蓄水和泄洪功能，在C1-A和C1-B標段均設計了表孔溢流壩段，上設弧形閘門。我們在分析水利樞紐的運行實際時發(fā)現(xiàn)，泄水閘門還需要滿足調(diào)節(jié)水庫的上游水位、排泄水面漂浮物等多種功能，這就需要弧形工作閘門長期在小開度開啟狀態(tài)下工作，一方面會影響弧門的使用壽命，增加維修和檢修工作量；另一方面又難以實現(xiàn)水面漂浮物的排泄。為此我們與咨詢經(jīng)過多次溝通研究，經(jīng)過對弧門面板厚度、實際過流能力、翻板門鎖定機構形式、液壓啟閉機起升量、超高運輸及分節(jié)安裝等實際問題深入探討，提出了弧形閘門門葉上加裝弧形翻板門的一體化設計方案[1]。

弧門結構按雙主橫梁斜支臂布置，為增加弧門剛度和整體穩(wěn)定性，梁系采用實腹式齊平連接。翻板門的側邊和底邊與弧形閘門止水配合?；￠T頂部鉸接的翻板門由單獨的液壓啟閉機操作[2]。表孔弧門和翻板門結構圖見圖1。

圖1 弧門和翻板門結構圖

表孔弧門和翻板門的設計是從結構強度、剛度和穩(wěn)定性出發(fā)，要確保質(zhì)量，做到技術先進、經(jīng)濟合理和運行安全可靠。首先綜合考慮了支鉸高程的合理設置，因為弧門支鉸的位置直接影響到弧門承受的總水壓力、面板弧長、閘門自重，進而影響液壓啟閉機的容量；其次是液壓缸上懸吊點位置的合理選擇，這直接關系到弧門啟閉力的大小、閘門能否落到底坎或能否開啟到設計高程；再次是弧門主框架懸臂長度的合理取值，因為合適的懸臂長度可以平衡設計荷載條件下主框架的內(nèi)力值，這樣可充分發(fā)揮鋼材的性能，節(jié)省鋼材[3]。只有遵循上述設計原則，才能達到技術可行、經(jīng)濟合理的目的。

2 弧門和翻板門設計計算

2.1 采用的設計標準

由于本項目咨詢單位為德國拉美爾工程咨詢公司(Lahmeyer International)，因此弧門和翻板門的設計計算采用以下德國、歐洲標準及日本標準：

DIN 19704-1，水工鋼結構第1部分：設計和計算標準。

DIN 19704-2，水工鋼結構第2部分：設計和制造。

DIN 18800-1，鋼結構第1部分：設計和結構。

DIN 18800-2，鋼結構第2部分：線性構件和框架翹曲安全性分析。

DIN 18800-3，鋼結構第3部分：鋼板翹曲的穩(wěn)定性分析。

JIS，閘門和壓力管道技術標準。

2.2 設計材料及標準

溢流壩表孔弧門和翻板門由弧門門葉、翻板門門葉、支臂裝置、支鉸裝置、側輪裝置及附件(扶手、爬梯)等組成。主要材料為Q345B和1Cr18Ni9，支鉸材料采用鑄鋼ZG310-570，支鉸軸采用40Cr。

弧門和翻板門所用材料遵照國際標準執(zhí)行，和中國標準等同的材料標準對應表見表1。

表1 材料標準對應表

2.3 設計計算

設計計算至關重要。根據(jù)上述設計原則，在擬定閘門梁格布置和相應構件尺寸的基礎上，根據(jù)閘門孔口的性質(zhì)和相關參數(shù)，計算梁格所受荷載，驗算門葉厚度，次梁、隔板的結構強度和剛度。進行主橫梁框架結構應力計算和穩(wěn)定性計算，對閘門的啟閉力進行核算，確定啟閉機的容量，驗算吊耳孔和支鉸強度。

為了設計出弧門和翻板門的合理尺寸及容量滿足要求的啟閉設備，需要對以下方面進行一系列的結構力學計算，具體包括弧門的主橫梁布置、框架荷載、主橫梁總水壓，支鉸座中心壓力、最大開度、支臂裝配應力、鎖扣安全分析、起升設備、弧門重心、弧門操作力及絞座等，以及翻板門主水平梁、旋轉(zhuǎn)鉸鏈及起升設備等方面的計算。

以C1-A標弧門為例，主要計算成果匯總表見表2。

表2 弧門主要計算成果匯總表 MPa

由表2計算結果可知，各項計算結構的強度和剛度均在容許范圍內(nèi)，且滿足結構穩(wěn)定要求，證明我們所擬定的閘門結構尺寸是合理的。表孔弧門和翻板門選用的液壓啟閉機均滿足啟閉要求。C1-A標和C1-B標溢流壩表孔弧門和翻板門及液壓啟閉機參數(shù)見表3。

表3 C1-A標和C1-B標溢流壩表孔弧門和翻板門及液壓啟閉機參數(shù)表

2.4 設計優(yōu)化

設計計算完成后，還需結合加工制作過程的實際情況，對弧門和翻板門進行設計優(yōu)化。例如，翻板門止水埋件使用的是安裝在弧門門葉結構上的兩道箱型梁，為保證整體剛度需要在加工時對箱型內(nèi)部進行優(yōu)化設計，布置加強筋板。對弧門門葉爬梯、弧門支鉸座埋件錨筋及翻板門側擋分節(jié)等局部設計進行優(yōu)化。

優(yōu)化后的一體化閘門不僅各主要構件的強度和剛度滿足設計要求，而且結構空間布局合理，外觀緊湊，操作靈活，大大減少了弧門的小開度啟閉次數(shù)，減少了弧門的振動和止水的磨損，保證了弧門的正常運行實效。

3 設計優(yōu)點

將表孔弧形閘門門葉設計為“凹”字型，上面加裝弧形翻板門，組成一體化弧門形式，并配置不同啟閉力的液壓啟閉機來單獨操作運轉(zhuǎn)弧門和翻板門。此種設計可根據(jù)水庫實際水位調(diào)度需要，靈活啟閉弧門或翻板門，自動化控制程度高，功能上各盡其用，運轉(zhuǎn)安全也大為提高。同時可降低弧形工作閘門小開度開啟的頻率，避免弧門高頻率的小開度開啟而產(chǎn)生的傾斜、振動及止水磨損等問題，降低門槽氣蝕幾率，消除安全運行隱患。已安裝的C1-A標和C1-B標表孔弧門和翻板門見圖2。

圖2 已安裝的C1-A標和C1-B標表孔弧門和翻板門圖

4 結 語

在有限的水工結構空間內(nèi)，通過創(chuàng)新設計方法，在溢流壩表孔弧門上部開凹槽，加裝翻板門，形成一體化弧門形式，實現(xiàn)弧門和翻板門兼具的泄洪、蓄水、控制水庫上游水位以及排漂等多種功能。與常規(guī)的表孔弧門和翻板門相比，提高了操作靈活性，提高了自動化控制程度，簡化了結構布置，降低了投資成本。本項目C1-A標和C1-B標溢流壩表孔弧門的一體化設計為表孔弧門的設計和應用提供了新的思路，應用前景廣闊。

C1-A標和C1-B標溢流壩弧門和翻板門安裝完成后經(jīng)試驗、驗收，各項技術指標均滿足設計和使用要求，值得推廣應用。