江口水电站左岸溢洪道T型浮塞式检修闸门技术研究与应用

王南山，胡 力，丁丽军

（中电投江西电力有限公司江口水电厂，江西新余，338025）

0 引言

江口水电站位于江西省新余市河下镇江口村，是一座以发电为主，兼有防洪、灌溉、供水、旅游、水产养殖等功能的综合利用工程。水库流域控制面积为3 900 km2，总库容8.9亿m3，正常蓄水位72.00 m，设计洪水位74.40 m，校核洪水位76.00 m，死水位65.70 m。工程于1958年8月开工，1959年9月蓄水，1961年基本完工，设两座溢洪道。

左岸溢洪道（以下简称左溢）堰顶高程64.00 m，共3孔，孔口宽12 m，高6 m，上设7.3 m高的胸墙，用潜孔弧形闸门控制泄流。弧门运行已历54年，老化变形严重，锈蚀漏水明显，在72.00 m水位下不能安全运行。电站三次大坝安全定期检查结论均指出，左溢弧门存在安全隐患，要求更换。但水库死水位高于溢洪道堰顶，弧门前未设检修闸门，致使更换施工难以进行。因此增设检修闸门成为更换左岸溢洪道弧门的必要条件。

因左溢堰体混凝土未延伸到闸墩头部，采用常规平面闸门或浮箱闸门没有混凝土底坎配合止水和支承，在有堰体混凝土的部位增设门槽又受孔口胸墙限制，因此必须突破常规设计，研究全新的检修门型。

1 浮塞门概述

新门型采用“T型浮塞式检修闸门”方案，以下简称浮塞门。为了克服进口没有底坎可利用的困难，检修闸门塞入孔口止水，凸出的后缘卡住闸墩支承，形如T型塞，其止水原理见图1。浮塞门进出孔口依靠浮力漂移，既类似浮箱闸门依靠浮力漂移，又有别于浮箱闸门伸入孔内止水。

1.1 浮塞门操作程序

（1）平时依靠缆绳拴住，漂浮在水库港湾中。

（2）使用时依靠机动船浮推入孔口，采取措施保证闸门准确就位。

（3）向浮塞门内灌水，门体下沉到堰体混凝土上。

（4）提起弧门放空两门间的水体，浮塞门挡水，弧门更换或检修。

（5）弧门更换或检修完毕后关闭。

（6）向两门间充水平压，浮塞门脱离挡水工况。

（7）浮塞门排出内部水体浮起。

（8）依靠机动船浮拖回港湾存放。

1.2 浮塞门方案优点

（1）无需增设门槽以及水下施工，较降低库水位并修筑围堰方案更为简便、安全；

（2）无需增设启闭机及有关排架，且3孔可共用1扇浮塞门，较增设检修闸门方案更为可行、经济；

（3）闸门不高（约4 m），挡水不低（水位达67.00 m），不影响水库正常运行。

图1 浮塞门止水示意图Fig.1 Sealing of floating gate

1.3 浮塞门技术重点

（1）浮塞门类似浮箱闸门，要合理布置灌排水设备和正确处理好三心（重心、浮心和稳心）；

（2）浮塞门没有浮箱闸门那样的埋件配合运行，需要采取措施保证闸门准确就位、可靠锁定、安全运行；

（3）浮塞门在平面度较差的溢洪道混凝土面上止水，要装置配套的新型水封装置；

（4）闸墩头部圆弧状混凝土无埋件支承闸门水压力，为了防止局部混凝土过载产生破坏，需装置配套的压力扩散垫；

（5）泄洪闸孔口宽度可能随里程变化，且各孔口实际尺寸可能存在差异，浮塞门需张开挡水和收拢漂移，需要设计独特的伸缩臂装置以适应各类尺寸变化。

笔者就浮塞门方案实施有关的结构分析、稳定验算、就位和锁定措施、混凝土表面止水、墩头混凝土压力扩散和伸缩臂等技术问题进行分别论述。

2 浮塞门结构分析

浮塞门采用双主横梁和多纵小梁的箱形结构，结构方案见图2。

2.1 主横梁的结构分析

闸门在检修水位时挡水深度为3.6 m，孔口宽度12 m，由此可计算得闸门总水压力为777.6 kN，下主梁水荷载强度为39.4 kN/m。门体受腹板局部稳定控制，上、下主梁截面相同，由于下主梁荷载强度大，因此仅需对下主梁进行计算分析即可。

图2 浮塞门结构图Fig.2 Structure of floating gate

2.1.1 下主梁内力计算

闸门水平横剖如图3所示，根据闸门设计尺寸，可求得下主梁跨中最大弯矩Mmax=1063.8 kN·m；端部支承力、切力Qmax=236.4 kN；距支承点0.6 m处弯矩M0.6=141.8 kN·m，切力Q0.6=236.4 kN；距支承点2.2 m处弯矩M2.2=510.4 kN·m，切力Q2.2=208.8 kN。

图3 闸门水平剖面设计图Fig.3 Design of horizontal section of floating gate

2.1.2 下主梁应力计算

根据下主梁形状以及截面尺寸，经计算得下主梁截面应力见表1。

表1 下主梁应力计算表Table 1 Stress calculation of lower main girder

2.1.3 下主梁腹板局部稳定验算

为分析下主梁腹板（材质为Q235B）稳定性，根据图3所示设计高度以及厚度数据计算其高厚比，求得比值为232.4，已接近现行钢结构设计规范容许极限（250），因此需要同时布置横向加劲肋和纵向加劲肋。设计横向加劲肋间距a=1 800 mm,纵向加劲肋距受压翼缘h1=1 044 mm。

2.1.3.1 验算梁最大弯矩处（跨中）的稳定

下主梁跨中弯曲压应力σ=18.6 MPa，剪应力τ=0，局部压应力σc=0，属纯弯屈曲。此时为梁受压翼缘扭转受到约束的情况，求得抗弯计算腹板通用高厚比为0.78，弯曲临界应力值可取钢材的抗弯强度设计值235 N/mm2，由此计算腹板跨中加劲肋局部稳定性可满足要求。计算参见式（1）所示。

2.1.3.2 验算梁变截面处（距支点2.2 m）的稳定

横向加劲肋间距a=1 600 mm,弯曲压应力σ=53.9 MPa，剪应力τ=10.2 MPa，局部压应力σc=0。此时为梁受压翼缘扭转未受到约束的情况，求得抗弯计算腹板通用高厚比为0.5，弯曲临界应力值可取钢材的抗弯强度设计值235 N/mm2；抗剪切腹板通用高厚比为0.7，据此可得剪切临界应力值为136 N/mm2。由此计算腹板梁变截面处加劲肋局部稳定性可满足要求。计算参见式（2）所示。

2.1.4 加劲肋的截面惯性矩验算

横向加劲肋截面尺寸设计为14 mm×200 mm，纵向加劲肋截面尺寸设计为12 mm×160 mm，当腹板同时用横向加劲肋和纵向加劲肋加强时，应在其相交处切断纵向肋而使横向肋保持连续，此时横向肋的截面惯性矩应满足Iz≥3h0要求；纵向加劲肋的截面惯性矩应满足Iy≥1.5h0要求。

根据加劲肋设计尺寸以及下主梁设计数据，按照矩形截面惯性矩计算公式可求得横向加劲肋、纵向加劲肋截面惯性矩分别为85 207 071 mm4和38 614 472 mm4，均可满足以上要求。

2.1.5 下主梁闸墩混凝土承压应力估算

假定梁端为短支承板（宽400 mm×长600 mm）时，根据梁端支承力可求得混凝土平均承压应力σ=1.0 MPa；假定梁端为长支承板（宽200 mm），混凝土承压应力类似水压力三角形均布，此时混凝土最大承压应力σmax=36×6÷200=1.1 MPa。根据计算结果，梁端采用短支承板假定。

2.2 面板的结构分析

按下式选择板的厚度：

式中[σ]=160 MPa，为面板的容许应力；α=1.5，为弹塑性调整系数；a=1 060 mm，为面板计算区格短边长度；b=1 150 mm，为面板计算区格长边长度；k为支承长边中点弯应力系数，查表为0.308；p=0.027 23 MPa，为区格中心水压强度，代入式（3）可求得δ=6.3 mm（取8 mm）。

3 漂浮的稳定分析

浮塞门排水宽度4.2 m，排水长度10.6 m,吃水深度2.42 m，可计算出浮心距底主梁中心线SD=0.81 m；门体重心经计算距底主梁中心线SW=0.26 m；门体横稳心半径经计算可求得r=0.629 m，门体横浮心距底主梁中心线SM=1.439 m。经计算对比SM＞SD＞SW,重心在稳心之下，故闸门漂浮稳定性可满足要求。

4 闸门就位和锁定措施

浮塞门没有门槽，甚至没有底坎可以放置，为了平稳就位和可靠锁定，实施中采用以下措施：

（1）人工辅助机动船将浮塞门初步推入孔口内，人工监视和推顶闸门。

（2）闸墩布置锚杆套入浮塞门导向长孔内引导沉浮，到位锁定闸门。

（3）闸门4个隔开的水箱分别灌排水，甲板上布置水平监视系统（4支连通水管），根据监视系统调整进出水，控制闸门平衡沉浮。

5 混凝土面止水的新型橡皮

混凝土面比钢制埋件平整度更为粗糙，因此要使用适应性更强的新型橡皮。为此，电站与厂家沟通，根据现场实际情况，开发研制新型橡皮，如图4、图5所示。新型橡皮尺寸较大（达300 mm宽），加大与混凝土的接触面，有小凹坑时可以覆盖过去。新型橡皮由P形和L形橡皮组合，软硬兼顾，既不易翻又能贴紧止水。P形部分加长了柄把，而且与压板之间留有V形间隙，变形能力更强。底止水和侧止水都用相同的新型橡皮，依靠P形部分的方头限位和支承。

图4 新型橡皮（底水封）Fig.4 A new type of rubber(bottom water seal)

图5 新型橡皮（侧水封）Fig.5 A new type of rubber(lateral water seal)

6 闸墩混凝土压力扩散垫

下主梁端支承力为236.4 kN，压力扩散垫承压设计面积为400 mm×600 mm，厚度L=90 mm。

6.1 扩散垫的变形尺寸

如图6，闸墩半径R=1 500 mm，当扩散垫压到接触弦长400 mm时，净矢高S净=13.4 mm，弓形面积J=3 574.7mm2，平均高度S平均=3 574.7÷400=8.94 mm，则S净/S平均=1.5倍。

6.2 扩散垫的最大压应力和需要的体积弹性模量

最大压应力

需体积弹模

由于橡胶体积弹模为7.84 N/mm2，因此可以采用橡胶制品改良为压力扩散垫。扩散垫装入钢板盒，限制横向变形，保证边缘压力扩散效果。

图6 压力扩散垫变形分析图Fig.6 Deformation analysis of pressure diffusion pad

7 伸缩臂的研究重点

闸门需张开挡水和收拢漂移，伸缩臂需要设置以下机构部件：

（1）传力结构：保证伸缩臂的水压力可靠地传递到门体上。

（2）移动机构：保证伸缩臂伸缩灵活，要求的动力小。

（3）移动机械：应是手拉葫芦之类简单机械。

（4）止水连接：伸缩臂的水封可以在移动范围内处处与门体水封系统连接止水。

（5）利用水压：作用在伸缩臂上的水压力最好能压紧侧水封。

8 组合浮塞方案

上文阐述的浮塞门不仅能为左岸溢洪道弧门更换和检修提供必要的条件，而且还有许多优点（无门槽、无启闭机等）。但它也存在不足之处，如尺寸大、钢板厚、运输和维护难等。为了克服不足，实施中进一步对方案进行了优化，提出组合浮塞门方案，为便于区别，前面阐述的浮塞门以下均称为整体浮塞门。如图7所示，组合浮塞门的结构分为3部分：挡水浮体、支承浮体和联接浮体。3个浮体分开制作和运输，放到水库能独立漂浮，可以用4根销轴联接在一起如整体浮塞门一样使用，也可以拆散吊上岸存放维护。

8.1 浮体结构分析

挡水浮体以及支承浮体的主梁位置均同整体浮塞门，其水荷载强度也一样。挡水浮体主梁可视为带双悬臂的简支梁，支承浮体主梁可视为承受两对称集中力的简支梁。

8.1.1 浮体内力计算

经计算，可求得挡水浮体以及支承浮体下主梁内力。

挡水浮体下主梁内力为：跨中最大弯矩Mmax=141.8 kN·m，悬臂最大弯矩Mmax=113.4 kN·m；跨中段最大切力Qmax=141.8 kN，悬臂段最大切力Qmax=94.5 kN。

支承浮体下主梁内力为：跨中弯矩Mmax=497 kN·m，轴力Pmax=194kN，端部切力Qmax=237kN。

8.1.2 浮体下主梁腹板局部稳定计算

为分析下主梁腹板（材质为Q235B）稳定性，分别根据图8、图9所示h0（腹板高度）以及tw（腹板厚度）计算两者比值，求得比值均为123.5，按规范要求需配置横向加劲肋。根据h0、tw数据以及梁段最大剪应力，可求得挡水浮体以及支承浮体下主梁平均剪应力τ分别为19.0 MPa、30 MPa,考虑弯曲压应力σ的影响取系数η=1，参数ξ按照式（6）计算：

可求得挡水浮体以及支承浮体ξ值分别为538.1和676.4，均小于1 200，故有横向加劲肋最大间距a=2h0=1 976 mm，闸门横向隔板、纵向隔板间距均取1 800 mm，小于a值，因此无需再添加劲肋。

图7 组合浮塞门示意图Fig.7 Schematic diagram of combinational floating gate

图8 挡水浮体下主梁截面示意图Fig.8 Sectionoflowermaingirderofwaterretainingfloating body

图9 支承浮体下主梁截面示意图Fig.9 Section of lower main girder of supporting floating body

8.2 各浮体的重心和浮心

8.2.1 挡水浮体

浮体重10 t,经计算：不加压重，重心在下主梁中心线上方1.474 m，加压重混凝土7.75 m3（17 t），重心在下主梁中心线上方0.572 m，吃水2.4 m，浮心在下主梁中心线上方0.9 m，浮心高于重心，能独立稳定漂浮。

8.2.2 支承浮体

浮体重12 t，经计算：不加压重，重心在下主梁中心线上方1.506 m，加压重混凝土7.29 m3（16 t），重心在下主梁中心线上方0.633 m，吃水2.4 m，浮心在下主梁中心线上方0.9 m，浮心高于重心，能独立稳定漂浮。

8.2.3 联接浮体

浮体重3.6 t，经计算：不加压重，重心在下主梁中心线上方1.15 m，吃水深度2.1 m，浮心在下主梁中心线上方0.9 m，浮心低于重心，能独立漂浮，但不稳定（会翻转），组合时要人工扶住。

有关面板和小梁的强度和刚度、就位和锁定、混凝土表面止水、压力扩散、灌排水、平压等，与整体浮塞门基本相同，不再赘述。

9 结语

经过以上计算分析，浮塞门方案是科学和可行的。整体浮塞门自重约40 t，加重铁砂混凝土70 t左右，造价只有“组合式闸槽方案”的50%左右；而与围堰方案比较，不但造价低，而且没有拆除的费用和技术问题，还能留下供今后继续使用，因此浮塞门方案是合理和经济的。而改为组合结构则自重约28 t，加重混凝土33 t左右，且可以降低运输和维护难度，工程量也更小。经过选比，江口水电站在左岸溢洪道闸门改造工程项目中采用了组合浮塞门方案，并在实际应用中取得了良好的效果。目前国内需要增设检修闸门的水电站还有不少，浮塞门技术是目前解决类似问题的最佳选择，值得大力推广。