袁 偉，范小付，其其格

(1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130021；2.廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530200)

1 工程概述

大藤峽水利樞紐是一座以防洪、航運(yùn)、發(fā)電、補(bǔ)水壓咸、灌溉等綜合利用的大型水利樞紐工程。樞紐建筑物包括擋水壩、泄水閘、船閘、河床式發(fā)電廠房、魚道、生態(tài)泄水建筑物、灌溉取水口及開關(guān)站等[1]。水庫(kù)正常蓄水位為61.0 m，汛期洪水起調(diào)水位和死水位為47.6 m，防洪高水位和1 000年一遇設(shè)計(jì)洪水位為61.0 m，5 000年一遇校核洪水位為61.1 m，防洪庫(kù)容和調(diào)節(jié)庫(kù)容均為1.5×109m3，電站裝機(jī)容量8×200 MW(左岸廠房3臺(tái)機(jī)組，右岸廠房5臺(tái)機(jī)組)。金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備主要布置在泄水閘、發(fā)電系統(tǒng)、航運(yùn)系統(tǒng)、灌溉和生態(tài)系統(tǒng)及魚道系統(tǒng)等部位，其中泄水閘設(shè)在黔江主壩，共26孔泄洪設(shè)備[2]。

2 泄水閘金屬結(jié)構(gòu)布置

大藤峽泄水閘布置在黔江主河床偏左岸，泄水孔分別布置在碾壓混凝土縱向圍堰壩段兩側(cè)，左側(cè)設(shè)20個(gè)低孔和1個(gè)高孔，右側(cè)設(shè)1個(gè)高孔和4個(gè)低孔。高孔主要滿足泄洪和排漂功能，采用開敞式實(shí)用堰，堰面采用WES冪曲線[3]，在堰頂附近設(shè)有1道平面定輪事故閘門及1道弧形工作閘門。低孔主要滿足泄洪和排沙功能，堰頂高程與開挖后河床底高程相差不多，有利于排沙，順?biāo)鞣较蛞来卧O(shè)有潛孔式平面事故閘門及弧形工作閘門。高、低孔弧門采用斜拉式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作，事故閘門均采用壩頂2×2 500 kN雙向門機(jī)操作，事故閘門門槽均采用Ⅱ型門槽[4]。低孔工作閘門下游設(shè)1道浮箱式檢修閘門，平時(shí)存放在專用門庫(kù)內(nèi)，工作時(shí)采用拖船進(jìn)行操作。泄水閘壩段金屬結(jié)構(gòu)平面布置見圖1。

圖1 大藤峽泄水閘壩段平面布置

3 金屬結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)研究

大藤峽泄水閘孔數(shù)多，尺寸大，防洪調(diào)度控泄要求高，運(yùn)行工況十分復(fù)雜。特別是二期導(dǎo)流期間，左岸僅3臺(tái)機(jī)組發(fā)電，要求閘門在任意開度下均勻局部開啟控制下泄流量，幾乎全年參與控泄，運(yùn)行特別頻繁。復(fù)雜惡劣的水力條件、巨大的擋水荷載以及頻繁的操作，而工作弧門的安全運(yùn)行直接關(guān)系著整個(gè)工程的安全運(yùn)行，因此必須重視閘門水力特性以及設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過(guò)借鑒已建工程經(jīng)驗(yàn)，采取有限元分析與模型試驗(yàn)相互驗(yàn)證的技術(shù)路線，著重對(duì)泄水閘事故門槽型式的選擇、弧形工作閘門局開水力條件及振動(dòng)特性、低孔弧門的支承體選型等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行研究。

3.1 高、低孔事故閘門門槽形式選擇

作為平面閘門的行走和支承結(jié)構(gòu)，門槽是必不可少的。然而，門槽的存在又引來(lái)了一系列的水力學(xué)問(wèn)題，水流經(jīng)過(guò)門槽時(shí)會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的分離流現(xiàn)象，不僅使阻力增加、脈動(dòng)增強(qiáng)，更重要的是易在槽內(nèi)和下游形成空化，甚至空蝕。門槽一旦空蝕，輕則出現(xiàn)麻點(diǎn)、蜂窩，重則導(dǎo)致閘門操作失靈，危及工程安全[5]。特別是泄洪系統(tǒng)，深孔流速大，水流空化數(shù)?。槐砜纂m然水頭不高，但門槽不同于一般水洞試驗(yàn)中的二維凹槽流動(dòng)，具有2個(gè)顯著的特點(diǎn)：①流動(dòng)形式為堰頂自由溢流；②流動(dòng)同時(shí)受曲底、門槽、以及閘墩的影響，具有很強(qiáng)的三維性[6]。本工程參考已建工程并結(jié)合水工模型試驗(yàn)確定了初生空穴數(shù)值較低的Ⅱ型門槽的相關(guān)參數(shù)，降低了門槽體型不佳導(dǎo)致的空蝕風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 高孔弧形工作閘門流激振動(dòng)試驗(yàn)研究

泄洪閘高孔弧形工作閘門孔口寬度14.0 m，高度26.5 m，按正常蓄水位61.00 m設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)水頭26 m，弧門面半徑32.0 m，靜水總壓力49 619 kN?；￠T采用QHLY-2×5000 kN液壓?jiǎn)㈤]機(jī)[7]操作?；⌒喂ぷ鏖l門為三主橫梁、三斜支臂結(jié)構(gòu)，由門葉結(jié)構(gòu)、支臂結(jié)構(gòu)、水封裝置、側(cè)輪裝置、支鉸裝置組成，支臂與門葉、支臂與支鉸之間均采用螺栓聯(lián)接，支承體結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)[8]。該弧形工作閘門有局部開啟控泄要求，另外弧門下游水位較高，弧門在局部開啟工況下存在淹沒(méi)出流情況，水力學(xué)條件差，弧門局部開啟時(shí)在水流脈動(dòng)壓力的激勵(lì)下，可能出現(xiàn)有害的流激振動(dòng)，這種振動(dòng)對(duì)門葉結(jié)構(gòu)、啟閉機(jī)系統(tǒng)均會(huì)帶來(lái)不利影響，因此有必要對(duì)弧門的水力特性及流激振動(dòng)特性進(jìn)行系統(tǒng)的模型試驗(yàn)[9]及數(shù)值模擬研究，以全面掌握工作弧門在不同特征運(yùn)行水位和開度下的水力特性與流激振動(dòng)特性，為弧門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理提供依據(jù)，使工作弧門的結(jié)構(gòu)布置合理，保證運(yùn)行安全。泄水閘高孔金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備布置見圖2。

圖2 大藤峽泄水閘高孔金屬結(jié)構(gòu)布置(m)

泄水高孔弧形工作閘門三維有限元分析按工作弧門全關(guān)擋水工況(擋水水頭26 m)進(jìn)行了計(jì)算模擬。在全關(guān)擋水工況下，閘門結(jié)構(gòu)的主要應(yīng)力不超過(guò)140.0 MPa。在弧門吊耳下方靠近底緣部位的縱橫梁交接處位置，出現(xiàn)應(yīng)力極大的現(xiàn)象，極值應(yīng)力產(chǎn)生的原因主要是結(jié)構(gòu)存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。這些極值應(yīng)力并不影響構(gòu)件的整體受力狀態(tài)。最大合位移為15.27 mm(弧門門葉頂部位置)。

泄洪高孔工作弧門水力相似模型按照重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，水彈性相似模型按水彈性相似的要求設(shè)計(jì)制作，模型幾何比尺為1∶28。試驗(yàn)中觀測(cè)了不同上游水位及下游水位閘室段及下游一級(jí)消力池內(nèi)的水流流態(tài)?？傮w上看，當(dāng)閘門開度小于5 m時(shí)，閘門上下游水面平靜，波動(dòng)較小，消力池靠下游部位出現(xiàn)向上涌動(dòng)水流，并且隨開度增大，涌動(dòng)水流強(qiáng)度也隨之增強(qiáng)；當(dāng)閘門開度在5～11 m時(shí)，閘門前后水面出現(xiàn)波動(dòng)，閘門前出現(xiàn)未貫穿漏斗形漩渦，門槽內(nèi)出現(xiàn)立軸漩渦，同樣隨著閘門開度增大，水面波動(dòng)也隨之增大，消力池后部涌動(dòng)水流較為強(qiáng)烈；當(dāng)閘門開度大于11 m時(shí)，閘門前水面強(qiáng)烈波動(dòng)，出現(xiàn)不穩(wěn)定串通型漏斗漩渦，門槽內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)烈立軸漩渦，一直深入到門槽底部，閘門后為自由出流，表層水流強(qiáng)烈翻滾，大量摻氣，水流上層呈白色摻氣水體，消力池內(nèi)上游端水面波動(dòng)劇烈，下游端水流涌動(dòng)強(qiáng)烈；當(dāng)閘門開度大于16～18 m時(shí)，閘室段由閘孔出流過(guò)渡到自由堰流。

圖3 閘門開度11 m時(shí)的閘室段流態(tài)

通過(guò)對(duì)泄洪高孔工作弧門有限元模型靜動(dòng)力計(jì)算分析、門體及門槽段動(dòng)水壓力測(cè)量分析以及門體動(dòng)應(yīng)力、加速度及位移響應(yīng)測(cè)量分析，大藤峽高孔工作弧門在不同組合試驗(yàn)工況下，閘門結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，其振動(dòng)也屬于微小量級(jí)，振動(dòng)位移均方根值小于0.16 mm，但在模型試驗(yàn)中觀測(cè)到部分運(yùn)行工況弧門上游來(lái)流流態(tài)比較紊亂，漏斗型漩渦的頻次高、強(qiáng)度大，事故閘門門槽內(nèi)的漩渦強(qiáng)度較大，實(shí)際運(yùn)行應(yīng)盡量避免弧門在較大開度運(yùn)行時(shí)漩渦、水面大幅波動(dòng)等不良流態(tài)帶來(lái)的不利影響。工作弧門大開度運(yùn)行時(shí)，事故門槽脈動(dòng)壓力均方根最大值達(dá)到57.4 kPa，門槽存在瞬時(shí)空化的可能，實(shí)際工程運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)密切關(guān)注該部位運(yùn)行情況[10]。

3.3 低孔弧形工作閘門流激振動(dòng)試驗(yàn)研究

低孔流道采用帶胸墻寬頂堰，為壓力段進(jìn)口形式，堰頂高程22.00 m，孔寬9 m，孔高18 m，上游設(shè)雙胸墻，胸墻最低處底高程為40.00 m。低孔采用兩孔一聯(lián)的結(jié)構(gòu)分縫型式，邊墩厚度4.0 m，中墩厚度5.3 m，壩段長(zhǎng)31.3 m。工作閘門采用主縱梁三支臂弧形閘門、設(shè)計(jì)水頭39 m，面板半徑33 m，總水壓力58 837 kN，支鉸高程47.00 m，閘門采用雙缸后拉式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作。

低孔泄洪閘弧形工作門作為重要泄洪設(shè)備對(duì)確保低孔泄水閘的正常運(yùn)行乃至整個(gè)水利樞紐的安全運(yùn)行具有極為重要的作用。閘門水力學(xué)試驗(yàn)的主要目標(biāo)在于全面掌握閘門運(yùn)行過(guò)程中的各種水力參數(shù)，論證原設(shè)計(jì)閘門體型的合理性，對(duì)存在問(wèn)題提出相應(yīng)改善措施，以確保閘門結(jié)構(gòu)的運(yùn)行安全。泄水閘低孔金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備布置見圖4。

圖4 大藤峽泄水閘低孔金屬結(jié)構(gòu)布置(水位：m)

主壩泄水低孔孔口尺寸很大、水頭較高，工作閘門上下游水位變幅大，上游進(jìn)口漩渦、封閉氣囊可能會(huì)對(duì)閘門結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利動(dòng)力作用，以及下游水躍對(duì)弧形閘門支臂、面板等局部結(jié)構(gòu)和整體結(jié)構(gòu)的沖擊作用，以及由此導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈振動(dòng)問(wèn)題。同時(shí)，該閘門的設(shè)計(jì)泄水流量較大，有局部開啟控泄要求，門后水位變幅大，閘下出流經(jīng)歷深度淹沒(méi)出流、淹沒(méi)出流、臨界出流(臨門水躍)、自由出流(遠(yuǎn)趨式水躍)等，水閘流態(tài)復(fù)雜，閘門結(jié)構(gòu)承受水動(dòng)力荷載變化復(fù)雜多變，流態(tài)復(fù)雜。泄水低孔弧形工作閘門流激振動(dòng)試驗(yàn)主要測(cè)試閘門時(shí)均動(dòng)水壓力荷載和由于上游水流脈動(dòng)和下泄水流的扯動(dòng)及水封漏水而引起的壓力脈動(dòng)荷載。從試驗(yàn)的角度驗(yàn)證閘門在水壓力作用下動(dòng)力安全問(wèn)題，確保閘門結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行。

單孔泄水試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)弧形工作閘門開度位于no=0.7～0.8大開度范圍時(shí)閘室出現(xiàn)強(qiáng)烈翻滾水躍，沖擊閘門支鉸大梁，閘門運(yùn)行時(shí)需避開該類運(yùn)行工況，以免引起閘室閘墩結(jié)構(gòu)和閘門結(jié)構(gòu)的強(qiáng)烈振動(dòng)而破壞。

圖5 庫(kù)水位61.0 m、下游水位46.41 m底孔泄流流態(tài)(no=0.8)

運(yùn)行調(diào)度上，可按如下方式進(jìn)行閘門開啟操作：①在宣泄設(shè)計(jì)等大流量洪水時(shí)采用閘門全開運(yùn)行；②在非汛期需要進(jìn)行泄洪閘弧形閘門調(diào)控泄流時(shí)，可考慮閘門在相對(duì)開度no=0.6以下作局部開啟運(yùn)行；③在非汛期、泄流量位于所有閘孔全開與所有閘孔開度no=0.6以下的區(qū)間內(nèi)時(shí)，可采用閘孔間隔、閘門全開運(yùn)行方式進(jìn)行開啟操作。

閘門結(jié)構(gòu)流激振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果表明：低孔閘門結(jié)構(gòu)下游處于深度淹沒(méi)狀態(tài)，閘門振動(dòng)位移量較大，具有低頻大振幅振動(dòng)特征，尤以側(cè)向和切向振動(dòng)為大。因此，設(shè)計(jì)時(shí)增設(shè)了閘門結(jié)構(gòu)側(cè)向滾輪(需要精加工)，并保持與兩側(cè)導(dǎo)軌(嚴(yán)格控制制作和施工安裝精度)的緊密接觸，使之起到閘門側(cè)向振動(dòng)約束作用[11]。

3.4 低孔弧形工作閘門支承結(jié)構(gòu)研究

3.4.1支承結(jié)構(gòu)選型

主壩泄水低孔弧門總推力為66 800 kN，根據(jù)弧門推力選用預(yù)應(yīng)力閘墩。國(guó)內(nèi)已建或在建工程泄水建筑物大型弧門預(yù)應(yīng)力混凝土閘墩的支承結(jié)構(gòu)型式主要有錨塊式和深梁式2種[12]。國(guó)內(nèi)部分已建工程泄水建筑物弧門支承體結(jié)構(gòu)特性見表1。

表1 國(guó)內(nèi)部分已建同類工程支承體結(jié)構(gòu)特性

泄水閘共設(shè)26孔泄洪設(shè)備，受溢流前緣寬度及基礎(chǔ)條件限制，低孔采用兩孔一聯(lián)的布置型式，弧門支承體如采用混凝土錨塊型式，為滿足邊墩錨塊次錨索的布置要求，需加寬邊墩的尺寸，致使泄水壩段寬度加大，溢流前沿寬度增加，對(duì)施工導(dǎo)流設(shè)施的縱向混凝土圍堰的位置影響較大，投資變化相應(yīng)增大?？紤]到孔口跨度不大，采用鋼梁式支承體系可取消次錨索，也能改善閘墩的受力狀態(tài)，不會(huì)增加泄水壩段寬度，不會(huì)影響施工導(dǎo)流布置方案。因此，弧門支鉸的支承結(jié)構(gòu)采用單跨支承鋼梁。

3.4.2支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

將支承鋼梁作為弧形閘門的支承體在國(guó)內(nèi)尚屬首次，設(shè)計(jì)上給與了足夠的重視，鋼梁設(shè)計(jì)成果應(yīng)保證足夠的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性并留有適當(dāng)?shù)陌踩６?。該鋼梁主要受力截面采用箱型梁截面，支承跨度?1 400 mm，端部通過(guò)預(yù)應(yīng)力錨索固定于閘墩上?；￠T推力傳遞至鋼梁引起的彎應(yīng)力及剪應(yīng)力主要由鋼梁箱型截面承擔(dān)。集中荷載位置，如弧門支鉸與鋼梁連接處以及鋼梁端部受預(yù)應(yīng)力錨索緊固處分別設(shè)置小截面梁格和傳力隔板來(lái)擴(kuò)散過(guò)渡集中應(yīng)力，使受力更加均衡合理。

通過(guò)ANSYS軟件建立鋼梁三維有限元模型，分析比較了鋼梁在正常蓄水位(雙側(cè)弧門全關(guān))、正常蓄水位(一側(cè)過(guò)水、一側(cè)全關(guān))、施工張拉期、檢修、地震以及校核洪水等工況下的應(yīng)力、變形狀態(tài)，對(duì)鋼梁體系各構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定等進(jìn)行分析研究。支承鋼梁為薄壁組合截面，跨度與高度的比值比較小，屬于深梁范圍，剪切變形對(duì)力學(xué)性能的影響比較大，因此在建立鋼梁有限元模型時(shí)，選擇了考慮剪切變形的SHELL181單元。通過(guò)計(jì)算分析，確定正常蓄水位(一側(cè)過(guò)水、一側(cè)全關(guān))為控制工況，主要研究右孔閘室流道關(guān)門、左孔閘室流道開門情況下在結(jié)構(gòu)自重、靜水壓力、閘門推力、錨索永存預(yù)應(yīng)力、動(dòng)水壓力作用下鋼梁的強(qiáng)度和剛度問(wèn)題。左、右邊墩鋼梁各組成構(gòu)件的最大工作應(yīng)力均小于對(duì)應(yīng)的容許應(yīng)力值，強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，且均具有較大的強(qiáng)度儲(chǔ)備；最大撓度約5.94 mm，剛度滿足規(guī)范要求，且具有較大的剛度儲(chǔ)備；鋼梁固有頻率遠(yuǎn)大于水流脈動(dòng)頻率[13]。泄水低孔弧形工作閘門支承鋼梁有限元模型及下游翼緣應(yīng)力云圖見圖6。

a)有限元模型

b)下游翼緣應(yīng)力云圖

3.4.3支承鋼梁的制造及安裝工藝

支承鋼梁為Q355B鋼板焊接結(jié)構(gòu)，平均板厚大于36 mm，板材厚、焊縫多，焊后容易產(chǎn)生過(guò)大的殘余應(yīng)力，處理不當(dāng)將嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。在選材上要求翼緣及腹板均采用Z向性能鋼板，腹板與翼緣的焊縫應(yīng)進(jìn)行消氫處理以防遲滯裂紋的產(chǎn)生，整體鋼梁還應(yīng)進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效[14]消應(yīng)處理，制造環(huán)節(jié)的技術(shù)措施能從根本上保證鋼梁的質(zhì)量，是保障泄洪設(shè)備安全運(yùn)行的關(guān)鍵。

為保證運(yùn)行期間鋼梁穩(wěn)定牢固和閘墩結(jié)構(gòu)安全，鋼梁端部采用預(yù)應(yīng)力錨索與閘墩混凝土相連，錨索張拉過(guò)程中鋼梁應(yīng)力變形應(yīng)于支鉸變形相協(xié)調(diào)，鋼梁變形后弧門支鉸精度控制是鋼梁支鉸安裝的重點(diǎn)。

大藤峽水利樞紐泄水閘壩段弧形工作閘門支承鋼梁?jiǎn)渭丶s230 t，外形尺寸15 100 mm(長(zhǎng))×4 700 mm(寬)×3 860 mm(高)，支承鋼梁安裝后呈57.8°的傾斜度，現(xiàn)場(chǎng)吊裝難度大，且施工工期緊、施工強(qiáng)度很大，需一年內(nèi)完成20孔弧形工作門的安裝調(diào)試工作。支承鋼梁的安裝質(zhì)量，支承鋼梁基礎(chǔ)的設(shè)置、吊裝、調(diào)整工藝是成敗的關(guān)鍵，直接關(guān)系到整個(gè)弧形工作門的安裝。通過(guò)對(duì)五強(qiáng)溪、三板溪、埃塞吉布III等工地的實(shí)地調(diào)研或資料查閱，對(duì)大藤峽支承鋼梁工藝展開研究，主要研究鋼梁基礎(chǔ)定位及鋼梁吊裝工藝分析[15]。其主要工藝為：一期基礎(chǔ)設(shè)置、鋼梁吊裝、鋼梁調(diào)整、錨索施工、支鉸安裝及支臂和弧門安裝。通過(guò)借助一期基礎(chǔ)，調(diào)整鋼梁基礎(chǔ)三要素(高程、水平、方位)更為方便，檢查測(cè)量容易，同時(shí)便于應(yīng)力錨索鋼管的安裝，保證了安裝質(zhì)量。

4 結(jié)論

大藤峽水利樞紐工程泄水閘泄洪規(guī)模大，汛期調(diào)度運(yùn)行頻繁，尤其是該部位金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備，承擔(dān)著整個(gè)大壩及下游人民財(cái)產(chǎn)的安全責(zé)任，重要性不言而喻。不論是泄洪表孔還是泄洪低孔的工作閘門，其規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)已達(dá)到超大型。針對(duì)泄水閘事故門槽型式的選擇、弧形工作閘門局開水力條件及振動(dòng)特性、低孔弧門的支承體選型等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，采用了技術(shù)成熟的三維有限元分析、物理模型試驗(yàn)等手段進(jìn)行了技術(shù)驗(yàn)證，根據(jù)科學(xué)的驗(yàn)證結(jié)果對(duì)相關(guān)設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改善，降低了金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的事故風(fēng)險(xiǎn)，提高了設(shè)計(jì)產(chǎn)品的質(zhì)量及安全可靠性，其最終設(shè)計(jì)成果為今后類似大型工程提供了借鑒意義。