桐子林水电站溢流闸表孔弧形闸门设计

李 焰

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

桐子林水电站溢流闸表孔弧形闸门设计

李 焰

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

本文介绍了桐子林水电站溢流闸表孔弧形闸门的设计原则，并简述了该弧形闸门的设计方法。

大孔口;表孔弧形闸门;施工进度;经济性;主横梁;斜支臂;液压启闭机

1 概 况

桐子林水电站位于四川省攀枝花市盐边县境内，距上游二滩水电站18 km，距雅砻江与金沙江汇口15 km，是雅砻江下游最末一个梯级电站。电站以发电为主，兼有下游综合用水要求。水库正常蓄水位1 015.00 m，死水位为1 012.00 m,总库容 0.912亿m3,水库具有日调节性能。

桐子林水电站枢纽从左至右由左岸重力式挡水坝段、河床式电站厂房坝段、河床4孔溢流闸坝段、右岸导流明渠内3孔泄洪闸坝段、右岸重力式挡水坝段等建筑物组成。

在河床溢流闸和右岸导流明渠结合段共布置7孔溢流闸，其中河床坝段4孔、明渠结合段3孔。其主要用途是宣泄洪水。每孔溢流闸设置一道工作闸门，为了检修工作闸门，在工作闸门前面设置一道检修闸门，7孔溢流闸共用1扇检修闸门。为满足泄洪和控制库水位的要求，闸门要求动水启闭，可局部开启，故将溢流闸工作闸门设置为弧形。两孔检修闸门储门槽布置在右岸坝段。溢流闸坝顶平面布置见图1。

目前，7孔溢流闸表孔弧形闸门已全部安装完成并投入运行，运行状况良好。

2 设计原则及总体设计思路

2.1 设计原则

(1)在保证闸门安全可靠运行的前提下，尽量降低闸门制作和安装的繁杂程度，以满足河床式电站施工度汛的要求是闸门设计中的首要原则。

(2)由于雅砻江流域水电开发有限公司在桐子林电站首次对电站设计实行了投资控制，因此满足经济性要求也成为该闸门设计中相当重要的原则之一。

(3)便于检修和维护。

2.2 闸门总体设计思路和基本设计资料的确定

2.2.1 总体思路

由于河床式水电站需要宣泄大流量解决汛期泄洪问题，设置的泄洪闸数量较多。而且河床式水电站的金属结构设备较多，制作和安装工程量非常大。所以金属结构的制造及安装进度是低水头河床式水电站施工总进度的关键点之一。

桐子林水电站导流工程采用明渠导流，主体建筑分两段三期施工。一期建设导流明渠(包括部分泄洪闸和右岸挡水坝段)；二期建设河床4孔泄洪闸、电站厂房和左岸挡水坝段；三期完建明渠内3孔泄洪闸及右岸挡水坝段。也就是说，二期建设需要完成4孔河床段溢流闸工作闸门制作和安装，三期建设需要完成3孔明渠段溢流闸工作闸门安装。根据实际的施工情况，二期建设施工期70 d左右，三期建设施工期仅1个月。因此溢流闸工作闸门的制造和安装工作量很大，工期相当紧张。

考虑到弧形闸门门槽埋件制作相对简单，而闸门门叶制作相对繁杂，根据设计原则(1)，将明渠段和河床段的弧形闸门埋件设计成不同的高度，而将闸门门叶结构设计成完全相同的形式，以期最大限度地降低制造复杂程度，缩短生产周期，为闸门的施工安装进度提供有效保障。

2.2.2 基本参数的确定

溢流闸表孔弧形闸门的孔口宽度为16 m,按正常蓄水位即1 015.00 m作为设计水位。由于安装位置不同，溢流闸表孔弧形闸门的底坎高程略有不同，其中河床段底坎高程为993.518 m，右岸明渠结合段993.638 m， 河床段底坎略低于右岸明渠段底坎高程，故7 孔溢流闸工作闸门均按河床段溢流闸水头即21.482 m 作为设计水头，闸门超高0.5 m。

根据设计规范的要求和泄流曲线的形态，弧门曲率半径设计为25 m,支铰高度为14.982 m。

河床段和明渠段溢流闸表孔弧形闸门的整体布置见图2。

3 闸门结构设计说明

3.1 结构设计

该弧形闸门孔口尺寸为16 m ×21.982 m - 21.982 m，属于大孔口表孔弧形闸门。设计中对支铰 形式的选择、制造安装方面的研究和分析，尤其是 结构布置的优化，是该闸门在保证安全可靠的前提 下，满足其经济性的关键。

3.1.1 结构布置

由于闸门跨度较大，有效控制闸门的整体挠度 是闸门设计需要考虑的关键因素之一。门叶结构采 用主横梁布置，纵、横次梁与主横梁在面板侧形成 同层梁系结构，可增强门叶结构的整体刚度。同时， 主横梁布置方案通常采用横向分节， 便于制造、运 输，现场安装焊接易控制精度。因此该弧门门叶结 构采用了双主横梁布置方案。

由于溢流闸工作闸门属于大跨度露顶闸门，闸 门采用“Π”型斜支臂框架，“Π”型框架如图3 所 示。

闸门上下主梁按等水压力布置，动力荷载系数 为1.2，总水压力达40 900 kN。由于整体荷载大，主 框架的荷载也因此较大，同时对有局部开启要求的 表孔弧形闸门，支臂的稳定性也尤为重要。因此桐 子林溢流闸表孔弧形闸门的主梁和支臂截面形式 均采用箱型截面，刚度比约5.0，经理论计算，在各 种设计工况下，主梁和直臂截面的选择均能满足强 度、刚度和稳定性的要求。

按规范要求，图中l1 宜取0.2 L 左右。但根据已 完成的大跨度表孔弧门的设计经验，在相同截面特 性的情况下，l1 取0.17 L 左右反而更加经济。因此 在设计过程中对此进行了分析和比较。

按规范中取l1=0.2 L 时，l1=3.2 m， 此时计算出 的主梁跨中最大弯应力约为118.1 MPa,但支座处最 大拉应力约为184.4 MPa,已相当接近最大许用应力 184.5 MPa。如果取l1=2.7 m，即l1≈0.17 L,主梁跨中 最大弯应力约为178.1 MPa,支座处最大拉应力约为 148.9MPa。根据以上计算值可以看出，当l1≈0.17 L，支座截面最大拉应力明显降低，虽然此时主梁跨中最大弯矩有所增大，但仍在最大许用应力范围内，且有一定的安全裕度。因此,在此弧门的设计中按l1≈0.17L取值，使主梁材料的性能得到了充分发挥，结构布置更加合理，从而满足了闸门设计的经济性要求。

图2 河床段和明渠段溢流闸表孔弧形闸门整体布置

图3 闸门“∏”型框架

3.1.2 支铰轴承的选择

支铰是弧形闸门的关键部件之一，近些年来，大型的弧门支铰均采用球形铰。这种支铰采用球面自润滑轴承，其最大的优点是自动调整能力强，既便于安装还可消除安装中可能存在的误差。同时由于这种轴承具有承载力高、体积小的特点，从而使支铰的活动座和固定座的重量也相应减小。基于可靠性和经济性的原则，该表孔弧形闸门的支铰轴承也采用了球形自润滑轴承。

3.1.3 其他零部件设计

闸门侧水封采用“L”形橡塑水封，其接触面积小，水封摩阻力较小，且止水效果比较理想。各节闸门的两侧均设置1个侧轮作为侧向限位装置，用于保证闸门在门槽内的正常运行。

3.1.4 闸门的分节

由于该闸门的孔口尺寸较大，考虑到制造、安装及运输等要求，门叶结构设计共分为7个制造运输单元，最大运输单元外形的尺寸为2 126 mm×3 550mm×15 962 mm。为保证结构单元的受力条件，减小门叶结构在运输过程中的变形，闸门面板分节均设置在横向次梁位置，并要求生产厂家对解体后的闸门进行加固措施后再运输至工地。

3.2 启闭设备

由于河床段和明渠段的表孔弧门在门叶上的吊点位置相同，为保证启闭机容量的一致和土建施工安装的统一性，将液压启闭机的上部支铰位置也布置在同一高程，因此液压启闭机容量均为2×4 000 kN，最大行程10.15 m，仅在工作行程上略有差异，河床段液压启闭机工作行程为10.04 m，明渠段液压启闭机工作行程为9.978 m。这样的布置保证了液压启闭机油缸缸径和活塞杆直径的统一性，避免了加工的多样性，有效减少了启闭机制作周期，同样为溢流闸表孔弧形闸门的安装进度提供了保障。

4 检修与维护的保护设施

为方便闸门的检修和维护，在闸门支臂、闸门门叶上设有拦杆和检修爬梯，在闸门支铰和液压启闭机支铰处也设置了检修爬梯和检修平台。

5 结 语

桐子林水电站属于典型的河床式水电站，施工期间交接面多、施工工期短、金属结构制造安装量大,是所有河床式水电站施工的普遍特点，因此如何在保证金属结构设备安全有效运行的情况下，尽量简化制作安装的复杂性和多样性是设计中需要重点考虑的问题。

桐子林溢流闸表孔弧门属于大孔口表孔弧门，具有典型性和代表性。由于孔口尺寸大，闸门尺寸及闸门承受的荷载也相应较大，因此如何在保证闸门结构满足强度、刚度等要求的前提下，尽量发挥材料的最佳性能对闸门设计的经济合理性有举足轻重的作用。

在弧门后期的安装过程发现，大孔口表孔弧形闸门的很多设计细节同样会对施工安装产生一定的影响，比如:门叶结构解体后的加固、箱型结构的现场焊接和内部的防腐、闸门安装中所需的进人孔和安装孔的设置等等细节问题，在今后的设计中值得进行更详细的推敲和研究，尽可能为现场施工提供更多的方便。

[1] 水电站机电设计手册编写组.金属结构[M].北京：水利电力出版社，1986(12):248-289.

[2] 水利水电工程钢闸门设计规范 (SL 74-95)[S].1995(10).

[3] 钢结构设计规范 (GB 50017-2003)[S].2003(12).

2016-09-27

李焰(1971-)，女，四川荣县人，高级工程师，从事水电工程金属结构设计工作。

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1003-9805(2017)02-0069-04