SonLa水电站超大型潜孔弧形闸门布置形式研究

王春，罗进

(1．黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州 450003;2．小浪底水利水电工程有限公司，河南 济源 454650)

越南SonLa 水电站位于越南北部SonLa 省的沱江干流，装机6 ×400 MW，是越南也是东南亚迄今为止规模最大的水电站，溢流表孔工作闸门孔口宽度15．0 m，孔口高度11．491 m，设计水头28．0 m，闸孔规模超过4 000 m3(宽×高×水头)． 近年来，超大型潜孔弧形工作闸门越来越多．2008 年，楼高峰等［1］对滩坑水电站泄洪洞弧形闸门设计及制造技术进行集成创新，闸门总水压力89 000 kN，在当时国内属于最高等级，经济效益和社会效益明显;2013 年，刘光华等［2］对构皮滩水电站泄洪洞弧形闸门进行了研究，作为当时国内最大的潜孔式全弧面加工弧形门，成功解决了超大型弧形闸门的一些制造加工技术难题;王兴恩等［3］对某寒冷地区高坝大库大孔口深孔弧形闸门结构形式进行了分析，对其中层放空洞尺寸大、挡水及运行水头高、孔口传统形式存在管路冻住失效、液压机规模太大、单缸容量及行程超出了国内当时最高水平等问题提出了相应的解决方案．笔者围绕越南SonLa 水电站超大型溢流表孔工作闸门在设计过程中存在的难点构思了新的方案和解决方法．

1 闸门新型总体布置

常规潜孔弧形工作闸门规模不宜超过4 000 m3，尤其直支臂弧门形式，否则由于支铰荷载大，导致水封效果难以保证、启闭设施的布置困难等，采用传统的结构布置形式会引起一系列的设计、制造、安装及运行问题，故突破常规，针对其特点采用新的总体布置形式［2］．溢洪道布置在主河道上，共设6 孔，每孔依次设有检修闸门、工作闸门及其启闭设备．工作闸门孔口宽度15．0 m，孔口高度11．491 m，设计水头28．0 m;闸门运行方式为动水启闭，无局开运行要求;采用原招标文件中潜孔直支臂弧门形式，弧面半径R=17．5 m，支铰高度9．031 m;门叶主材采用Q345B，支铰铰轴采用34CrNi3Mo 不锈钢，轴承采用迪瓦球面滑动轴承;采用2 ×3 200 kN 液压启闭机操作，一机一泵控制方式． 闸门、启闭机纵剖面及平面布置分别如图1 和图2 所示．

图1 闸门、启闭机纵剖面布置(单位:mm)

图2 闸门、启闭机平面布置(单位:mm)

1．1 工作门止水装置设计布置及有限元分析

止水装置作为闸门最关键技术部件之一，根据闸门运行和布置特点正确设置止水装置和合理选择止水形式至关重要［4－5］． 止水装置作用是在闸门关闭后，堵塞门叶与闸孔周界的空隙以阻止漏水．如果失效，不仅有可能造成闸门严重漏水，更为重要的是止水漏水往往会引起缝隙气穴，导致埋设件的气蚀破坏;止水漏水还是引起闸门振动的根源［6］．该闸弧门设计水头虽相对较低，闸孔尺寸大，其结构变形对止水影响相对较小，但此闸孔规模超过4 000 m3，作为超大规模潜孔弧门，止水形式选择需考虑支臂变形的影响，故采用ANSYS 有限元分析软件分析支臂应力和挠度变形，得出支臂最大变形量为11．8 mm，如图3所示［7］．

图3 门体结构变形图(单位:m)

由于该闸门正常情况下处于关闭挡水状态，因此不考虑门叶宽度方向变形的影响，闸门顶部主止水采用适应水平及纵向变位的P 形压盖形式，依靠预压和水压达到止水目的．同时，为保证主止水座的安装精度要求，国内范围内首次采用工地焊接形式．顶部辅助止水采用转铰形式，可以随着闸门的变位，在水压力及弹性橡胶板的作用下贴紧门叶面板，防止闸门在启闭过程中门顶射水． 支承轮材料采用尤尼龙，以防止磨损闸门面板涂层．胸墙及闸门顶止水形式如图4 所示．

图4 顶止水形式(单位:m)

侧、底止水采用的均为常规止水形式．为适应底坎制造，安装过程中存在直线度、平面度偏差及支臂径向变位，底止水条形橡皮预留10 mm 压缩量，保证了止水效果，另外底止水压板设有肋板，加强压板刚度，以克服门叶底缘变形;侧止水采用方头P 形橡皮，使其方头与侧止水座板(不锈钢座板)预压缩3 mm;底止水直接插入P 形橡皮的尾部下方，通过紧固件压紧压板，为保证其压缩量，侧导板安装时要求后浇筑二期混凝土．截至2015 年9 月，闸门总运行时间约17 400 h，止水效果良好．

1．2 支铰埋件形式

常规的潜孔弧形工作闸门，为保证支铰的安装精度，通常需要设置支铰大梁［8］． 但该闸孔宽度达15．0 m，单铰荷载约27 282 kN．作为传力结构，一根支铰大梁自重约60 t，势必造成不经济． 为此，采用只在支铰部位预埋一期预埋件，一二期连接结构件与一期预埋件工地焊接，铰座与一二期连接件通过高强螺栓连接，二期混凝土采用环氧砂浆形式．

一期预埋件除承担传递正向水压力荷载外，还承担传递闸门启闭过程中的切向荷载，因此设有连接板及36 的锚栓． 一二期连接件为焊接结构件，考虑尽量缩小二期混凝土尺寸，又满足浇注空间要求．一二期连接结构件高度取为164 mm，下部设有抗剪肋板，承担并传递切向力．为保证一二期混凝土结合，一期预埋件的连接板与一二期连接结构件的中间分别去掉一部分．

为保证安装精度，一期预埋件增设了座板面倾斜角度的安装偏差要求，并要求调整安装顺序． 门叶、支臂、支铰及一二期连接件装配好后(检测合格)，一二期连接结构件与一期预埋件的外围周边焊接，启闭操作运行自如，再拆下支铰铰座，焊接一二期连接件与一期预埋件的内部，最后铰座与铰链连接．支铰埋件形式如图5 所示．

图5 支铰埋件形式

1．3 非常规液压启闭机上挂点支承形式

液压启闭机容量2 ×3 200 kN，液压启闭机上挂点采用非常规支承形式，下挂点作用在主框架的下横梁上，上挂点布置在闸墩顶部的钢梁上(原招标形式)，为防止闸门启闭过程中油缸碰支撑结构及减少支撑结构断面，设置了支承钢牛腿，并在顶部布置钢梁．支承钢牛腿依靠锚筋拉锚固于闸墩混凝土内，钢牛腿自身承担抗弯、抗剪、抗扭荷载，支承点部位设有刚性支座．钢梁与钢牛腿间设有抗剪轴，承担液压机支座传来的水平推力;同时，钢梁与钢牛腿之间设调整垫，钢梁在液压机油缸摆幅范围内开槽，钢梁结构按受力大小设置变断面双腹板箱形结构，结构计算考虑开槽影响． 钢梁与液压机基座之间连接采用高强螺栓与抗剪块联合作用．

1．4 防卡阻纠偏措施优化

双吊点启闭的闸门往往由于两吊点不同步而出现卡阻现象，作为特宽潜孔弧门，两侧液压启闭机的同步应更加重要．为此在液压启闭机设计过程中提出了同步控制要求［9］．即两油缸出现同步偏差超过5 mm 时要求开始自动纠偏，同步差超过10 mm 时报警、停机．

液压系统设有功能独立的双缸比例阀同步回路和双缸简单阀组同步回路，每套功能独立的双缸同步回路可分别和单独操作其双油缸同步运行． 当两油缸行程差超过5 mm 时，通过液压系统自动开始纠偏;当出现特殊情况，两油缸行程差超过10 mm，电气控制系统报警及停机．

同时，闸门两侧设有导向轮及不锈钢工作面的侧导板，其间隙5 mm，每侧设3 个导向轮，侧导板从底坎一通到顶，保证闸门启闭过程中至少有2 个轮子起导向作用，有效防止启闭过程中由于启闭机不同步而偏向一侧而导致的卡死现象．

2 闸门形式安全性校核

2．1 静力结构解析计算

SonLa 水电站溢流孔工作闸布置在主河槽上，闸孔宽度15． 0 m，闸孔高度11． 491 m，径向半径17．5 m，总水压力49 613． 9 kN，最大挡水头30．561 m，工作弧门单支铰最大荷载27 282 kN，最大风速144 km/h，地震动峰值水平加速度0．234g，自重荷载3 100 kN，启闭机容量2 × 3 200 kN．5 种组合工况下水压力、浪压力、地震荷载、自重及启闭荷载进行组合，具体见表1，根据各状况最大荷载组合比为:PNmax∶PSmax∶PE=1．2∶1．9∶1．0．各自允许应力比为［σn］∶［σs］∶［σe］=1．0∶1．4∶1．7．确定挡水提门为控制工况．静力计算闸门主要结构件应力见表2，其中许用应力按照合同规定，弯应力取0．7 倍屈服极限，剪应力取0．57 倍弯应力．可以看出面板、主次梁、支臂等各部位强度和挠度均小于规范允许值．

表1 闸门荷载组合

表2 闸门主要结构件应力计算结果

2．2 三维有限元分析

采用ANSYS 软件对该闸门进行了三维有限元结构分析．取门体结构为计算对象，闸门底部施加竖向(重力方向)约束，支铰处施加刚性约束． 其余结构表面均为自由面．模型产生节点数130 842 个，门体结构应力和变形分别如图6 和图3 所示．

图6 门体结构应力云图(单位:N/m2)

由图6 可以看出，除局部角点应力较大外，各构件应力均小于允许应力［10］．

3 结 语

通过对超大型潜孔弧形工作闸门各关键结构件进行布置形式优化和工艺创新，结合工程造价指标，采用了新型闸门启闭机总体布置形式;为满足止水装置安装精度要求首次采用工地焊接方式;针对闸门特宽的特点对支铰埋件形式进行了改良，二期混凝土采用环氧砂浆，一期预埋件增设座板面倾斜角度的安装偏差要求;采用了非常规的挂点支撑形式;设双缸比例阀同步回路和双缸简单阀组同步回路进行纠偏及设导向轮、侧导板满足了特宽闸门所需的启闭同步防卡阻要求． 分别采用解析法和大型三维有限元分析软件ANSYS 对此门体结构布置形式进行了分析评价，通过对5 种荷载组合工况进行比选，确定挡水提门为控制工况，得出各构件应力和挠度均小于规范允许值，满足结构设计要求．SonLa 水电站溢流表孔工作闸门制造、安装过程中非常顺利，各项指标满足要求，目前该工程已运行两年，经历了最高挡水位的考验，闸门密封效果好，运行平稳、可靠．

［1］楼高峰，方旭光．滩区坑水电站超大型深孔弧形闸门制造技术［J］．水电站机电技术，2008，31(2):31 －33，64．

［2］刘光华，殷永忠． 超大型深孔弧形闸门制造加工技术［J］．水利水电施工，2013，137(2):100 －103．

［3］王兴恩，陆一婷，杨清华． 某水电站大孔口深孔弧形闸门设计探讨［J］．水利水电技术，2013，44(8):73 －77．

［4］陈霞，丁正中，杨光，等．大跨度液压上翻转式闸门的研究与应用［J］．华北水利水电学院学报，2010，31(6):19－22．

［5］郑小平，熊增生，徐倩．四川横江万年桥水电站泄洪、冲砂闸门制造及施工技术［J］． 华北水利水电学院学报，2011，32(1):23 －26．

［6］汪志龙，蒋正鸿．天生桥一级水电站放空洞高水头弧形闸门的设计研究［J］． 机电与金属结构，1999(3):45－47．

［7］彭成山，袁淮中，王甜，南水北调工程七里河水闸的三维有限元分析［J］． 华北水利水电学院学报，2010，31(3):12 －13，18．

［8］尤凤，肖自龙．叠梁闸门设计新思路［J］．华北水利水电学院学报，2005，26(4):7 －9．

［9］钱声源，张燎军，韩凤荣． 九甸峡水利枢纽偏心铰弧形闸门自振特性研究［J］．华北水利水电学院学报，2006，27(2):40 －43．

［10］中华人民共和国水利部．水利水电工程钢闸门设计规范:SL 74—2013［S］． 北京:中国水利水电出版社，2013．