李仙江戈兰滩水电站工程泄洪系统金属结构设计

莘 龙 李润芝 吕晓腾

李仙江戈兰滩水电站位于云南省思茅地区江城县和红河洲绿春县的界河——李仙江干流上,是李仙江流域7个梯级电站中的第6级,坝址距省会昆明市公路里程约650 km,距左岸红河洲绿春县县城140 km,距右岸思茅地区江城县县城90 km。本电站为岸边式地面厂房,工程主要任务是发电,电站装机 3台,单机容量为 150 MW,总装机容量450 MW。电站具有不完全年调节水库,调节库容0.87×108m3,保证出力81.02MW,多年平均发电量20.182×108kW◦h。

李仙江戈兰滩水电站工程泄洪闸是本工程重要的泄洪建筑物,承担着泄洪排沙和调节水库水位等任务,泄洪闸的布置优劣,产品闸门设计的刚度、强度及稳定性,启闭机选型是否合理,启闭机的同步等均关系着工程的安全性。根据本工程采用碾压混凝土坝以及洪峰流量大,上、下游水位变幅大的特点,从枢纽布置合理性及水力学条件等方面考虑,采用泄水建筑物集中布置在主河道且表孔和底孔采用 “五表二底”的重叠布置方式。表孔泄洪闸共设5孔。为保证水流平顺,减少底部气蚀,保证坝面平整美观,泄洪闸采用弧形钢闸门,启闭机采用双作用液压启闭机。本文主要就表孔泄洪系统的金属结构布置及启闭机选型的思路及设计特点进行论述。

1 金属结构布置及工作闸门的设计

李仙江戈兰滩水电站工程泄洪闸为2级建筑物,其洪水标准为100年一遇设计,1 000年一遇校核。设计洪水位453.47 m,校核洪水位457.29 m。

表孔泄洪闸为本工程主要泄洪建筑物。水库没有调蓄能力,泄洪闸应能宣泄各种流量。因此要求,泄洪闸的金属结构设备应操作灵活、运行可靠并能满足各种过流量的要求。

为满足以上要求并结合水工布置,表孔泄洪闸金属结构布置采用5扇尺寸为13 m×18.8 m-18.49 m(宽×高-设计水头,下同)弧形工作钢闸门,堰顶高程为438.00 m,采用2×2 500 kN双作用液压启闭机操作。表孔弧门主要承担泄洪任务,操作比较频繁。考虑到弧门门槽的检修与维护,弧门前设有检修闸门。表孔检修闸门为叠梁型式,5孔共用1套检修闸门,检修门底槛高程为437.955 m。该闸门由溢流坝段坝顶门机2×250 kN副钩通过液压抓梁操作。泄洪闸布置见图1。

图1 表孔泄洪闸布置图(单位:高程m；尺寸mm)

表孔弧形工作门半径21 m,闸门底坎布置在溢流堰顶,高程为438.00 m,支铰高程考虑按校核洪水位时支铰不能受门后水流及漂浮物冲击,故将支铰布置于高程447.00 m处,高于最大过流曲线水位。考虑到该闸门在工程运用中的重要性,闸门设计采用最不利的工况进行设计,即以上游设计挡水位456.00 m作为闸门进行强度、刚度和稳定性计算及液压启闭机启闭力的正常设计依据。以校核洪水位457.29 m作为闸门启闭力的校核工况。

弧门框架布置采用主横梁、斜支臂结构型式。弧门门叶结构采用双主梁结构、主次梁采用同层布置方式,以提高整个门叶的刚度。侧止水采用L型水封。

弧形闸门技术参数如下:

闸门作用 泄洪

闸门型式 表孔弧形

孔口数量/个 5

闸门数量/套 5

埋件数量/套 5

孔口宽度/m 13

闸门高度/m 18.8

设计水头/m 18.49

底坎高程/m 437.51

设计挡水位/m 456.00

曲率半径/m 21

支铰高程/m 447.00

总水压力/kN 23 667

支臂型式 斜支臂

支铰型式 球面关节轴承

主梁布置方式 双主横梁

运行条件 动水启闭,局部开启

与启闭机连接方式 直接相连

启闭设备 表孔工作闸门液压启闭机

弧门在最大设计水位的工况下开启时,闸门开启瞬时水压力可达到26 700 kN,因此在设计中对闸门结构的不同部分考虑了动力系数,其中主梁动力系数1.1,支臂动力系数1.2,以保证闸门主要结构及各部件在动水条件下或局部开启过流时,仍能稳定可靠地工作。

对于大型弧门的主梁目前在国内通常采用箱型断面,主要是因为:箱型断面较工字型断面的刚度、稳定性都要高,另外如采用工字型断面,则主梁高度将相当大,造成闸门的工程量增大很多,经济上不合理。故该弧门的主梁采用了箱型断面主梁。主梁受力型式为双悬臂简支梁。弧门框架除受水压力及泥沙压力作用外,在闸门开启过程中还要承受液压启闭机双缸启门瞬间的最大作用力,因而为保证主梁悬臂端的最大弯应力与跨中的最大弯应力相同或接近,以达到既经济又可靠的目的,而将主梁悬臂端长度取为0.17L(L为孔口宽度),而不是规范推荐的0.2L。

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本闸门的支臂断面采用箱型结构。

弧门支铰作为闸门与闸墩传力的主要构件,其结构设计至关重要。单铰受力最大可达到10 000 kN,本弧形闸门的支铰轴承采用自润滑球面轴承,此轴承除能承受较高的径向荷载外,还能承受一定的轴向荷载。该轴承采用铜基镶嵌石墨作为摩擦副,轴承球形摩擦面上根据一定规律镶嵌着石墨固体润滑剂,石墨与轴承球面采用特殊工艺烧结成一体。本轴承同时具有低摩擦(干摩擦系数0.1～0.13)、自润滑 (镶嵌石墨会随轴承的转动游离出来充当润滑剂)、无需密封(无润滑剂)、安装方便(轴承外圈采用分体拼接而成)、免维护等优点。另外对于大型斜支臂弧形闸门,由于制造、运输中闸门各部件产生的制造偏差、变形,往往在弧门的支臂、主梁、支铰的安装时调整比较困难。球面自润滑轴承允许轴承外圈左右偏摆2°角,闸门的制造偏差、局部变形通过球面轴承可以得到微调,从而使闸门安装更为方便。

弧形工作闸门门槽侧轨采用钢板焊接Π型断面结构,止水座板采用4 mm厚的机加工不锈钢板,底坎采用钢板和工字型钢的焊接组合断面。除不锈钢座板外,其余均采用Q235B材质。支铰埋件由埋在一期混凝土内的预埋锚栓和垫板组成。

2 液压启闭机布置与选型

液压启闭机主要技术参数如下:

启闭机名称 表孔工作闸门启闭机

型式 双吊点QHLY系列液压启闭机

容量/kN 2×2 500

启门速度/(m◦s-1) 约0.8

工作行程/m 9 000

最大行程/mm 9 200

油缸内径/mm 480

活塞杆直径/mm 250

有杆腔压力/MPa 18.96

无杆腔压力/MPa 0.5

油泵型号 160SCY

油泵排量/(L◦min-1) 160

电机型号 Y280M-4

电机功率/kW 90

电机额定转速/(r◦min-1) 1 470

油箱容积/L 4 000

2×2 500 kN液压启闭机采用端部悬挂式布置,液压启闭机室布置于每孔弧门左侧的闸墩上。为保证双吊点液压启闭机的同步,每套启闭机的2个油缸内均设置了进口欧特克内置式位移传感器以提高开度检测精度,并在液压系统中设置了电磁换向阀和叠加式节流阀组成的开式纠偏装置。所有阀件均采用的进口PARKER产品。

由于弧形闸门支铰处轴承为球铰及闸门侧轮与门槽轨道有一定的间隙,闸门在启闭过程中会在门槽内有轻微摆动,而液压启闭机也会同闸门一起摆动,故液压启闭机的上、下吊点的轴承均选用球面自润滑轴承。保证弧门液压启闭机上下吊点在各个方向上有多个自由度,从而使液压启闭机安装、调试更为方便以及运行过程中满足弧形闸门摆动的需要。

启闭机的控制为3级控制:1级为现地控制,设在每个油泵房内；2级为集中控制,设在坝上控制楼；3级为远方控制,设在电站中控室。

3 结 语

通过实际运用,感觉到大型弧门的设计尤其应重视支臂的断面选择及确定支臂结构型式。弧门的整体刚度决定于弧门支臂的刚度和稳定性。另外闸门计算中应充分考虑启闭机的最大启门力对闸门主框架的内力影响,否则会造成闸门启门瞬间的结构破坏或变形。

对于大型弧门启闭机的同步问题解决得好坏是闸门能否正常启闭的关键,而同步方式的选择是否合理,同步设备质量是否合格,同步精度是否达到要求均是影响同步的因素。

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