陶光慧，楊 松，覃志強(qiáng)

（貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,貴州 貴陽(yáng) 550002）

1 工程概況及金屬設(shè)備概況

角木塘水電站是芙蓉江第10 級(jí)梯級(jí)電站,位于貴州省道真縣,電站距遵義市及重慶市均為200 km左右,電站總庫(kù)容3259 萬(wàn)m3,工程等別由水庫(kù)庫(kù)容及裝機(jī)容量決定,工程規(guī)模中型,工程等別Ⅲ等。

大壩樞紐主要由碾壓混凝土重力壩（壩身溢流表孔）、引水發(fā)電建筑物、發(fā)電廠房和升壓站等組成,主要溢泄建設(shè)物為壩身溢流表孔,總溢流寬度62.5 m,共分成5 孔,單孔最大下泄流量為2640 m3/s。需根據(jù)來(lái)水量調(diào)節(jié)閘門(mén)開(kāi)啟的數(shù)量及開(kāi)度,確定泄洪安全及電站發(fā)電效益最大化。樞紐區(qū)相應(yīng)的水工建筑物設(shè)置各種功能需要的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備,泄水系統(tǒng)[1]：溢洪道工作閘門(mén)、檢修閘門(mén)；導(dǎo)流洞封堵閘門(mén)。引水發(fā)電系統(tǒng)：取水口進(jìn)口攔污柵、檢修閘門(mén)及快速閘門(mén)；廠房尾水閘門(mén)?？傆?jì)活動(dòng)件重2100 t,埋設(shè)件重800 t。

2 具體的方案變更內(nèi)容

2.1 原設(shè)計(jì)表孔閘門(mén)的布置方案

溢洪道位于壩頂,采用開(kāi)敞式溢洪道形式,分別設(shè)置檢修及工作閘門(mén)各1 套,主要用于庫(kù)水位的調(diào)節(jié),閘門(mén)的檢修,檢修及工作閘門(mén)均采用平面鋼閘門(mén)[2]。檢修閘門(mén)孔口尺寸12.5 m×19 m（寬×高）,設(shè)計(jì)水頭18.5 m,采用平面滑動(dòng)露頂式疊梁鋼閘門(mén),分節(jié)制安及啟閉運(yùn)行。在溢洪道左側(cè)非溢流壩段設(shè)置有1 個(gè)儲(chǔ)門(mén)槽,平時(shí)疊梁閘門(mén)存放于門(mén)庫(kù)內(nèi),需要時(shí)分節(jié)吊裝至檢修門(mén)槽內(nèi)擋水。檢修閘門(mén)啟閉機(jī)設(shè)備選用單向移動(dòng)門(mén)式啟閉機(jī)DM-2×400-27,容量2×400 kN,揚(yáng)程27 m（軌上揚(yáng)程為4.6 m）,吊點(diǎn)距8 m,數(shù)量1 臺(tái),配套液壓自動(dòng)抓梁1 套,5 孔檢修門(mén)槽共用1 扇檢修門(mén)[3]。工作閘門(mén)孔口尺寸12.5 m×19.5 m（寬×高）,設(shè)計(jì)水頭19 m,采用平面滾動(dòng)鋼閘門(mén)型式,啟閉機(jī)設(shè)備選用固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)QP2×2500 kN-25 m,啟門(mén)容量2×2500 kN,揚(yáng)程25 m,吊點(diǎn)距8 m,采用一門(mén)一機(jī)布置方案[4]。

此平門(mén)布置方案,汛期時(shí)可將閘門(mén)提出孔口,不影響泄洪,但本工程閘門(mén)孔口尺寸規(guī)模過(guò)大,設(shè)計(jì)水頭較高,閘門(mén)整體承受荷載較大,在設(shè)備及零部件選型及選材上均有較大難度,平面鋼閘門(mén)配置固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)進(jìn)行操作控制,啟閉機(jī)的排架較高[5],高聳的排架及閘門(mén)鎖定于檢修平臺(tái)上時(shí)均將承受較大的風(fēng)荷載,偶然荷載的疊加對(duì)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是一種挑戰(zhàn)。同時(shí)排架過(guò)高,施工難度大,工期長(zhǎng),這對(duì)一個(gè)希望盡早投產(chǎn)的水電站項(xiàng)目而言,經(jīng)濟(jì)效益將大受影響。雖然閘門(mén)全工時(shí)可將門(mén)體提升至壩頂平臺(tái)以上,安裝檢修及更換方便,閘門(mén)提升至檢修平臺(tái)后,整個(gè)泄洪通道可以無(wú)障礙行洪的優(yōu)點(diǎn)。但平門(mén)泄洪時(shí)門(mén)槽部位的水流條件較差,門(mén)槽空化現(xiàn)象比較嚴(yán)重。而本工程由于水庫(kù)庫(kù)容小,且壩址以上集雨面積大,導(dǎo)致工作閘門(mén)在汛期經(jīng)常處于全開(kāi)或局部開(kāi)啟泄水狀態(tài),工作頻繁,水流條件、運(yùn)行工況復(fù)雜,整體運(yùn)行條件不佳,平門(mén)方案存在較大挑戰(zhàn)。

2.2 變更后的表孔閘門(mén)布置方案

此方案采用經(jīng)典閘門(mén)布置方案,采用平門(mén)加弧門(mén)相組合。檢修閘門(mén)孔口尺寸12.5 m×19.75 m（寬×高）,設(shè)計(jì)水頭19.25 m,整扇疊梁門(mén)體共分為5 疊,由液壓抓梁自動(dòng)穿銷(xiāo)按檢修的需要來(lái)疊放或是提開(kāi),在非工作時(shí)段逐節(jié)鎖定于各孔口頂部。閘門(mén)的啟閉機(jī)設(shè)備選用1臺(tái)單向門(mén)機(jī)（帶回轉(zhuǎn)吊）,主起升主要用于檢修閘門(mén)的吊裝,啟門(mén)容量2×400 kN,揚(yáng)程27 m（其中軌上4.6 m）,吊點(diǎn)距8.74 m,軌距5.5 m（該軌距為平衡回轉(zhuǎn)吊下壓力所需最小軌距）,配套液壓自動(dòng)抓梁1 套,回轉(zhuǎn)吊主要回轉(zhuǎn)半徑內(nèi)各設(shè)備的輔助檢修用,額定容量250 kN,起升高度27 m,回轉(zhuǎn)半徑10 m,回轉(zhuǎn)角度180°。工作閘門(mén)布置在堰頂下游側(cè),底檻底于堰頂高程為363.90 m,孔口尺寸12.5 m×19.6 m（寬×高）,設(shè)計(jì)水頭19.1 m?；∶姘霃綖镽22.0 m,支鉸高度14.5 m,雙主橫梁斜支臂結(jié)構(gòu)型式。工作閘門(mén)啟閉機(jī)設(shè)備選用露頂式弧門(mén)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)QHLY-2×2800 kN-10.2 m,啟門(mén)容量2×2800 kN,行程10.2 m,雙吊點(diǎn),吊點(diǎn)距11.4 m,數(shù)量5 臺(tái),一門(mén)一機(jī)布置形式。液壓泵站設(shè)置2 個(gè)[6],分別一控2 及一控3。為保證啟閉機(jī)油缸長(zhǎng)期處于全伸狀態(tài)下不出現(xiàn)撓度變形,故在油缸運(yùn)行至下極限位置9.8 m處設(shè)置1 套托架?？紤]到弧形工作閘門(mén)處于全開(kāi)位時(shí),閘墩處設(shè)置鎖定裝置較困難,直接利于液壓式啟閉機(jī)的預(yù)鎖功能,故未加裝全開(kāi)位液壓或是機(jī)械鎖定裝置。

根據(jù)可研內(nèi)審專(zhuān)家意見(jiàn),針對(duì)表孔閘門(mén)布置形式,根據(jù)本工程的特點(diǎn),為響應(yīng)專(zhuān)家意見(jiàn),特別對(duì)表孔工作閘門(mén)的型式進(jìn)行深入的分析比較,具體如下：

（1）根據(jù)《水利水電工程鋼閘門(mén)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 74-2013）中第“3.2.3 泄水系統(tǒng)工作閘門(mén)宜選用弧形閘門(mén),水頭較低時(shí)也可選用平面閘門(mén)”的明確規(guī)定,本閘門(mén)為泄水系統(tǒng)的工作閘門(mén),孔口尺寸上屬于大型閘門(mén),且接近為超大型閘門(mén),故本平面閘門(mén)有必要改為弧形閘門(mén)。[1]

（2）采用弧形工作閘門(mén)配置液壓式啟閉機(jī)的布置方案,雖然校核洪水位時(shí)洪水水面線位置較高,但在設(shè)計(jì)洪水位時(shí)水面線低于支鉸近3 m,在大概率的條件下,支鉸運(yùn)行是安全可靠的,作為設(shè)計(jì)條件運(yùn)行可以支撐弧門(mén)方案的。且校核洪水位時(shí)水面線較緩,初步判斷低水流流速對(duì)支鉸及支臂褲衩結(jié)構(gòu)影響不大,針對(duì)洪水淹沒(méi)支鉸的問(wèn)題,特地進(jìn)行考察及學(xué)習(xí)；湘江浯溪水電站均出現(xiàn)洪水淹支鉸情況,且表孔閘門(mén)與本工程表孔尺寸均屬于大型表孔弧門(mén),在與上述電站運(yùn)行單位交流發(fā)現(xiàn),在汛期,會(huì)出現(xiàn)在上下游水位差較小時(shí)水淹支鉸（支臂）的情況,根據(jù)多年運(yùn)行情況,該種工況后對(duì)閘門(mén)結(jié)構(gòu)的影響不大,沒(méi)有出現(xiàn)影響閘門(mén)的正常運(yùn)行。

3 變更方案工程量對(duì)比及結(jié)論

原平門(mén)方案壩體較薄,布置緊湊,變更成弧門(mén)方案后,水流條件優(yōu)化不少,但閘墩伸長(zhǎng)不小,整體布置會(huì)有較大調(diào)整。而相應(yīng)的金屬結(jié)構(gòu)的工程量有一定變化,具體見(jiàn)表1。

表1 平門(mén)方案及弧門(mén)方案工程量對(duì)比表

表孔金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變更主要為取消檢修門(mén)門(mén)庫(kù),啟閉機(jī)改成單向門(mén)機(jī)；工作閘門(mén)由平板閘門(mén)改成弧形閘門(mén),相應(yīng)啟閉設(shè)備由卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)改成液壓?jiǎn)㈤]。方案變更后為增加近600 萬(wàn)的投資,項(xiàng)目可早投產(chǎn),整體經(jīng)濟(jì)比較基本持平,但變更后的方案壩頂無(wú)高排架變得整潔美觀,閘門(mén)運(yùn)行管理更為方便,且克服了高啟閉排架的施工難度,在一定程度上使施工進(jìn)度和工期更有保障。另外,采用弧形閘門(mén)使閘墩增長(zhǎng),但閘墩厚度減薄,溢流凈寬減小2.0 m,可將右岸廠房往河床方向平移2 m,在一定程度上降低了廠區(qū)右岸邊坡高度。

角木塘電站下游尾水較深,變化幅度大,消力池內(nèi)波動(dòng)水流容易對(duì)弧形閘門(mén)造成強(qiáng)烈擾動(dòng),引起閘門(mén)振動(dòng),為確?；￠T(mén)方案的可靠性,對(duì)弧門(mén)方案進(jìn)行有限元分析及水力學(xué)及流激試驗(yàn)研究,從有限元分析結(jié)果來(lái)看弧門(mén)的縱梁、橫梁應(yīng)力變化較小,應(yīng)力分布對(duì)稱(chēng)；上下支臂受力均勻,應(yīng)力分布規(guī)律及大小相似,弧門(mén)的結(jié)構(gòu)布置是合理的；弧門(mén)整體強(qiáng)度均滿(mǎn)足應(yīng)力要求,并有較大的安全儲(chǔ)備。在容易出現(xiàn)局部集中應(yīng)力的部位,比如：在吊軸與小縱梁的鏈接處、前斜支桿與上支臂下腹板連接處、下支臂上腹板與前斜支桿連接處存在較大應(yīng)力,但均小于材料的允許應(yīng)力；分析弧門(mén)的主要構(gòu)件（面板、主梁、縱梁、支臂、支鉸）在設(shè)計(jì)工況下的位移結(jié)果,研究閘門(mén)剛度。結(jié)果表明,角木塘弧形閘門(mén)的變形能滿(mǎn)足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求,其整體穩(wěn)定性可以得到保證?；谒δＰ驮囼?yàn)獲得的水流脈動(dòng)壓力數(shù)據(jù),將其作用在閘門(mén)結(jié)構(gòu)有限元模型上,運(yùn)用ANSYS軟件進(jìn)行瞬態(tài)時(shí)程分析,研究閘門(mén)的流激振動(dòng)特性。閘門(mén)振動(dòng)響應(yīng)與閘門(mén)開(kāi)度存在一定關(guān)系,其規(guī)律性與脈動(dòng)荷載隨閘門(mén)開(kāi)度關(guān)系密切。由脈動(dòng)響應(yīng)可知,閘門(mén)在開(kāi)度0.4 H工況下的動(dòng)位移最大均方根值為63.3 μm ,動(dòng)位移幅值為189.9 μm,如果按照美國(guó)阿肯色河判別標(biāo)準(zhǔn)判斷,閘門(mén)為微小危害。從時(shí)均應(yīng)力和脈動(dòng)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可知,閘門(mén)下支臂靠近內(nèi)側(cè)產(chǎn)生較大應(yīng)力,但是動(dòng)應(yīng)力較小,時(shí)均應(yīng)力占主要部分,脈動(dòng)應(yīng)力占總應(yīng)力的6%以?xún)?nèi),符合脈動(dòng)部分荷載占總荷載2%～7%的規(guī)律。在上游洪水位分別為381 m、383 m,在弧形閘門(mén)開(kāi)度依次為0.1 H～0.5 H工況下,閘室進(jìn)水口均存在不良間歇漩渦,且漩渦主要在左右兩側(cè)門(mén)槽附近游弋,漩渦尺寸隨閘門(mén)開(kāi)度增大而增大,隨上游水位上漲而增大,在上游水位為383 m、弧形閘門(mén)開(kāi)度為0.5 H時(shí)閘室進(jìn)水口兩側(cè)均形成貫通立軸漩渦,漩渦最大尺寸為1.5 m。堰面下泄水流在0+18 m～0+30 m區(qū)域形成強(qiáng)烈孔口出流,并形成大幅度紊動(dòng),濺起大量水股,在0.2 H、0.3 H開(kāi)度工況中有少許水股擊打在弧形閘門(mén)斜支臂；堰面表層下泄水流受淹沒(méi)紊動(dòng)擠壓向堰面底層發(fā)展,堰面底層最大流速達(dá)到20 m/s,底層堰面水流俯沖碰撞折線型消力池,在消力池入口引起強(qiáng)烈紊動(dòng),并溢出大量摻混氣泡。消力池下泄水流受中墩和尾坎阻礙,迫使底層水流上涌,在弧形閘門(mén)小開(kāi)度工況下,消能效果良好；在弧形閘門(mén)大開(kāi)度工況下消力池大范圍涌動(dòng)、回流,出池水流伴隨間歇性二次水躍,消能效果較差?；⌒伍l門(mén)各測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓強(qiáng)均值、峰值均隨弧形閘門(mén)開(kāi)度增大而減小,均隨自身高程增大而減小,隨上游庫(kù)區(qū)水位上漲而增加,其中脈動(dòng)壓強(qiáng)最大均值為134.63 kPa,最大峰值為168.82 kPa；但弧形閘門(mén)下底緣受下泄高速水流影響,部分壓能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,脈動(dòng)壓強(qiáng)均值和峰值均較小,其脈動(dòng)壓強(qiáng)最大均值為40.74 kPa,最大峰值為78.38 kPa?；⌒伍l門(mén)整體脈動(dòng)壓強(qiáng)主頻區(qū)在0～10 Hz,其中壓強(qiáng)能量較集中區(qū)域主要在0～5 Hz區(qū)域。從研究結(jié)果來(lái)看,方案是合適的。

4 結(jié)語(yǔ)

電站已運(yùn)行兩年,經(jīng)歷了洪水期的檢驗(yàn),運(yùn)行正常,電站效益穩(wěn)定發(fā)揮,再一次印證了變更后的方案的合理性。由于本工程庫(kù)容小,集雨面積大,徑流量大等特點(diǎn),表孔工作閘門(mén)在今后的運(yùn)行中會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)全開(kāi)和局部開(kāi)啟泄水狀態(tài),采用弧形工作閘門(mén)在小開(kāi)度區(qū)間及大開(kāi)度區(qū)間均有可能出現(xiàn)較大振動(dòng)問(wèn)題,故在編制電站運(yùn)行調(diào)度報(bào)告中應(yīng)著重研究該問(wèn)題,在運(yùn)行初期,運(yùn)行單位應(yīng)在每次泄水后對(duì)每扇表孔閘門(mén)進(jìn)行檢查,觀測(cè)并記錄運(yùn)行數(shù)據(jù),在有條件的情況下,建議運(yùn)行單位進(jìn)行原型觀測(cè)試驗(yàn),掌握表孔閘門(mén)不同開(kāi)度的運(yùn)行數(shù)據(jù)。