陶光慧，楊 松，覃志強

（貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司,貴州 貴陽 550002）

1 工程概況及金屬設備概況

角木塘水電站是芙蓉江第10 級梯級電站,位于貴州省道真縣,電站距遵義市及重慶市均為200 km左右,電站總庫容3259 萬m3,工程等別由水庫庫容及裝機容量決定,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。需根據來水量調節(jié)閘門開啟的數量及開度,確定泄洪安全及電站發(fā)電效益最大化。樞紐區(qū)相應的水工建筑物設置各種功能需要的金屬結構設備,泄水系統[1]：溢洪道工作閘門、檢修閘門；導流洞封堵閘門。引水發(fā)電系統：取水口進口攔污柵、檢修閘門及快速閘門；廠房尾水閘門?？傆嫽顒蛹?100 t,埋設件重800 t。

2 具體的方案變更內容

2.1 原設計表孔閘門的布置方案

溢洪道位于壩頂,采用開敞式溢洪道形式,分別設置檢修及工作閘門各1 套,主要用于庫水位的調節(jié),閘門的檢修,檢修及工作閘門均采用平面鋼閘門[2]。檢修閘門孔口尺寸12.5 m×19 m（寬×高）,設計水頭18.5 m,采用平面滑動露頂式疊梁鋼閘門,分節(jié)制安及啟閉運行。在溢洪道左側非溢流壩段設置有1 個儲門槽,平時疊梁閘門存放于門庫內,需要時分節(jié)吊裝至檢修門槽內擋水。檢修閘門啟閉機設備選用單向移動門式啟閉機DM-2×400-27,容量2×400 kN,揚程27 m（軌上揚程為4.6 m）,吊點距8 m,數量1 臺,配套液壓自動抓梁1 套,5 孔檢修門槽共用1 扇檢修門[3]。工作閘門孔口尺寸12.5 m×19.5 m（寬×高）,設計水頭19 m,采用平面滾動鋼閘門型式,啟閉機設備選用固定卷揚式啟閉機QP2×2500 kN-25 m,啟門容量2×2500 kN,揚程25 m,吊點距8 m,采用一門一機布置方案[4]。

此平門布置方案,汛期時可將閘門提出孔口,不影響泄洪,但本工程閘門孔口尺寸規(guī)模過大,設計水頭較高,閘門整體承受荷載較大,在設備及零部件選型及選材上均有較大難度,平面鋼閘門配置固定卷揚式啟閉機進行操作控制,啟閉機的排架較高[5],高聳的排架及閘門鎖定于檢修平臺上時均將承受較大的風荷載,偶然荷載的疊加對設計來說是一種挑戰(zhàn)。同時排架過高,施工難度大,工期長,這對一個希望盡早投產的水電站項目而言,經濟效益將大受影響。雖然閘門全工時可將門體提升至壩頂平臺以上,安裝檢修及更換方便,閘門提升至檢修平臺后,整個泄洪通道可以無障礙行洪的優(yōu)點。但平門泄洪時門槽部位的水流條件較差,門槽空化現象比較嚴重。而本工程由于水庫庫容小,且壩址以上集雨面積大,導致工作閘門在汛期經常處于全開或局部開啟泄水狀態(tài),工作頻繁,水流條件、運行工況復雜,整體運行條件不佳,平門方案存在較大挑戰(zhàn)。

2.2 變更后的表孔閘門布置方案

此方案采用經典閘門布置方案,采用平門加弧門相組合。檢修閘門孔口尺寸12.5 m×19.75 m（寬×高）,設計水頭19.25 m,整扇疊梁門體共分為5 疊,由液壓抓梁自動穿銷按檢修的需要來疊放或是提開,在非工作時段逐節(jié)鎖定于各孔口頂部。閘門的啟閉機設備選用1臺單向門機（帶回轉吊）,主起升主要用于檢修閘門的吊裝,啟門容量2×400 kN,揚程27 m（其中軌上4.6 m）,吊點距8.74 m,軌距5.5 m（該軌距為平衡回轉吊下壓力所需最小軌距）,配套液壓自動抓梁1 套,回轉吊主要回轉半徑內各設備的輔助檢修用,額定容量250 kN,起升高度27 m,回轉半徑10 m,回轉角度180°。工作閘門布置在堰頂下游側,底檻底于堰頂高程為363.90 m,孔口尺寸12.5 m×19.6 m（寬×高）,設計水頭19.1 m?；∶姘霃綖镽22.0 m,支鉸高度14.5 m,雙主橫梁斜支臂結構型式。工作閘門啟閉機設備選用露頂式弧門液壓啟閉機QHLY-2×2800 kN-10.2 m,啟門容量2×2800 kN,行程10.2 m,雙吊點,吊點距11.4 m,數量5 臺,一門一機布置形式。液壓泵站設置2 個[6],分別一控2 及一控3。為保證啟閉機油缸長期處于全伸狀態(tài)下不出現撓度變形,故在油缸運行至下極限位置9.8 m處設置1 套托架?？紤]到弧形工作閘門處于全開位時,閘墩處設置鎖定裝置較困難,直接利于液壓式啟閉機的預鎖功能,故未加裝全開位液壓或是機械鎖定裝置。

根據可研內審專家意見,針對表孔閘門布置形式,根據本工程的特點,為響應專家意見,特別對表孔工作閘門的型式進行深入的分析比較,具體如下：

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

（2）采用弧形工作閘門配置液壓式啟閉機的布置方案,雖然校核洪水位時洪水水面線位置較高,但在設計洪水位時水面線低于支鉸近3 m,在大概率的條件下,支鉸運行是安全可靠的,作為設計條件運行可以支撐弧門方案的。且校核洪水位時水面線較緩,初步判斷低水流流速對支鉸及支臂褲衩結構影響不大,針對洪水淹沒支鉸的問題,特地進行考察及學習；湘江浯溪水電站均出現洪水淹支鉸情況,且表孔閘門與本工程表孔尺寸均屬于大型表孔弧門,在與上述電站運行單位交流發(fā)現,在汛期,會出現在上下游水位差較小時水淹支鉸（支臂）的情況,根據多年運行情況,該種工況后對閘門結構的影響不大,沒有出現影響閘門的正常運行。

3 變更方案工程量對比及結論

原平門方案壩體較薄,布置緊湊,變更成弧門方案后,水流條件優(yōu)化不少,但閘墩伸長不小,整體布置會有較大調整。而相應的金屬結構的工程量有一定變化,具體見表1。

表1 平門方案及弧門方案工程量對比表

表孔金屬結構設計變更主要為取消檢修門門庫,啟閉機改成單向門機；工作閘門由平板閘門改成弧形閘門,相應啟閉設備由卷揚式啟閉機改成液壓啟閉。方案變更后為增加近600 萬的投資,項目可早投產,整體經濟比較基本持平,但變更后的方案壩頂無高排架變得整潔美觀,閘門運行管理更為方便,且克服了高啟閉排架的施工難度,在一定程度上使施工進度和工期更有保障。另外,采用弧形閘門使閘墩增長,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,消力池內波動水流容易對弧形閘門造成強烈擾動,引起閘門振動,為確?；￠T方案的可靠性,對弧門方案進行有限元分析及水力學及流激試驗研究,從有限元分析結果來看弧門的縱梁、橫梁應力變化較小,應力分布對稱；上下支臂受力均勻,應力分布規(guī)律及大小相似,弧門的結構布置是合理的；弧門整體強度均滿足應力要求,并有較大的安全儲備。在容易出現局部集中應力的部位,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力,但均小于材料的允許應力；分析弧門的主要構件（面板、主梁、縱梁、支臂、支鉸）在設計工況下的位移結果,研究閘門剛度。結果表明,角木塘弧形閘門的變形能滿足規(guī)范和設計要求,其整體穩(wěn)定性可以得到保證?；谒δＰ驮囼灚@得的水流脈動壓力數據,將其作用在閘門結構有限元模型上,運用ANSYS軟件進行瞬態(tài)時程分析,研究閘門的流激振動特性。閘門振動響應與閘門開度存在一定關系,其規(guī)律性與脈動荷載隨閘門開度關系密切。由脈動響應可知,閘門在開度0.4 H工況下的動位移最大均方根值為63.3 μm ,動位移幅值為189.9 μm,如果按照美國阿肯色河判別標準判斷,閘門為微小危害。從時均應力和脈動應力計算結果可知,閘門下支臂靠近內側產生較大應力,但是動應力較小,時均應力占主要部分,脈動應力占總應力的6%以內,符合脈動部分荷載占總荷載2%～7%的規(guī)律。在上游洪水位分別為381 m、383 m,在弧形閘門開度依次為0.1 H～0.5 H工況下,閘室進水口均存在不良間歇漩渦,且漩渦主要在左右兩側門槽附近游弋,漩渦尺寸隨閘門開度增大而增大,隨上游水位上漲而增大,在上游水位為383 m、弧形閘門開度為0.5 H時閘室進水口兩側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)域形成強烈孔口出流,并形成大幅度紊動,濺起大量水股,在0.2 H、0.3 H開度工況中有少許水股擊打在弧形閘門斜支臂；堰面表層下泄水流受淹沒紊動擠壓向堰面底層發(fā)展,堰面底層最大流速達到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烈紊動,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,在弧形閘門小開度工況下,消能效果良好；在弧形閘門大開度工況下消力池大范圍涌動、回流,出池水流伴隨間歇性二次水躍,消能效果較差。弧形閘門各測點脈動壓強均值、峰值均隨弧形閘門開度增大而減小,均隨自身高程增大而減小,隨上游庫區(qū)水位上漲而增加,其中脈動壓強最大均值為134.63 kPa,最大峰值為168.82 kPa；但弧形閘門下底緣受下泄高速水流影響,部分壓能轉化為動能,脈動壓強均值和峰值均較小,其脈動壓強最大均值為40.74 kPa,最大峰值為78.38 kPa?；⌒伍l門整體脈動壓強主頻區(qū)在0～10 Hz,其中壓強能量較集中區(qū)域主要在0～5 Hz區(qū)域。從研究結果來看,方案是合適的。

4 結語

電站已運行兩年,經歷了洪水期的檢驗,運行正常,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。由于本工程庫容小,集雨面積大,徑流量大等特點,表孔工作閘門在今后的運行中會經常出現全開和局部開啟泄水狀態(tài),采用弧形工作閘門在小開度區(qū)間及大開度區(qū)間均有可能出現較大振動問題,故在編制電站運行調度報告中應著重研究該問題,在運行初期,運行單位應在每次泄水后對每扇表孔閘門進行檢查,觀測并記錄運行數據,在有條件的情況下,建議運行單位進行原型觀測試驗,掌握表孔閘門不同開度的運行數據。