峡江水利枢纽弧形闸门设计及关键技术研究

应国华，杨贵海，徐礼锋

（中铁水利水电规划设计集团有限公司，江西 南昌，330029）

0 引言

峡江水利枢纽工程位于江西省吉安市峡江县境内赣江中游河段，坝址下游距峡江老县城巴邱镇6km，是一座以防洪、发电、航运为主，兼顾灌溉等综合利用的大（1）型水利枢纽工程。枢纽工程主要建筑物和布置：单线单级船闸布置于左岸；河床式电站厂房布置于右岸；18孔开敞式泄水闸位于河道主流区、船闸与电站厂房之间；左、右岸灌溉取水口布置在左、右混凝土重力坝坝身；鱼道布置在电站厂房安装间坝段右侧；泄水闸检修门库布置在船闸和泄水闸之间。工程于2013年第一台机组发电，2015年9台机组全部发电，枢纽全部于2016年建设完成。分别获2017～2018年度中国水利优质（大禹）工程奖和2018～2019年度中国建设工程鲁班奖。本工程泄水闸工作闸门属大（Ⅲ）型，接近超大型，为赣江上最大的泄水闸门，优选合理的闸门、启闭设备的型式和金属结构总体布置至关重要。曾智怿等[1]总结了泄水闸金属结构安装质量控制的几点施工管理经验，对关键技术和值得注意的问题进行了分析，对安装调试中出现的缺陷及故障等问题进行了充分研究并提出了解决措施。冷涛等[2]以本工程为实例，利用有限元软件对闸门结构静动力、自振特性、脉动压力频谱等进行了分析，结果显示，各工况条件下的闸门应力均在材料强度的允许范围内，且闸门各方向的位移均较小，表明闸门结构的强度和刚度均可满足设计要求。笔者分析了闸门运行过程中可能存在的问题，并从设计角度提出了解决措施，最后通过模型试验加以论证。

1 泄水闸金属结构布置

泄水系统由18孔泄水闸组成，水闸为宽顶堰开敞型式，孔口尺寸16.0m×17.0m，闸底高程30.0m（黄海高程，下同），闸顶高程51.2m，水库正常蓄水位46.0m，死水位44.0m，防洪高、设计、校核洪水位49.0m；坝下游校核（P=0.05%）洪水位 47.41m、设计（P=0.2%）洪水位46.62m。根据泄水闸挡水或控制泄量调节库水位的功能要求，每孔闸设有一道工作闸门和启闭设备，在工作闸门上、下游设置了2套检修闸门和启闭设备，在泄水闸左侧设有门库，布有台车启闭机用于检修闸门的存放移位。泄水闸金属结构布置如图1所示。

图1 泄水闸金属结构布置图

2 弧形闸门设计及关键技术研究

2.1 工作闸门和启闭设备型式

泄水闸主要功能是调节泄流量保持正常库水位，当洪水时全开工作闸门泄洪，确保挡水建筑物安全。工作闸门型式根据水工建筑物功能、运行要求、水位条件和建筑物尺寸等基本要求，有适合两门型可供选择，一是平面钢闸门，另为弧形钢闸门。平面钢闸门结构简单、制造安装容易、不受下游水位影响、闸门整体刚度大可靠性高；但启闭机工作桥高至少需要20.0m，设有闸门槽影响泄流，容易产生闸门振动、气蚀等。因此，最终设计选择了弧形钢闸门作为工作闸门方案，该型式闸门在泄水闸中使用最广泛，也是设计规范推荐优选的闸门型式，具有美观、启闭力小、泄流条件好等优点。

弧形闸门启闭设备通常有3种型式可供选择，即前拉式固定卷扬机，后拉式固定卷扬机和液压启闭机。若采用前拉式固定卷扬机，容量规模约2×2 000kN，启闭机工作桥面高度至少需要10.0m，影响闸顶景观，更重要的是启闭机工作桥需要占用一定的闸顶长度影响交通桥和上游检修闸门布置。又若采用后拉式卷扬启闭机，容量规模较大约2×4 000kN，卷扬机导向定滑轮组安装高程需要在闸顶上抬高约5.0m，影响闸顶景观；重要的是启门速度较慢难满足开门速度要求。因此，设计方案选择液压启闭机（QHLY 2×3 200kN-8.8m）。该机型不需设置启闭机工作桥，具有结构小巧便于布置、整体美观、技术先进和自动化程度高的特点。

弧形闸门底坎高程30.0m，孔口宽16.0m，闸门高17.0m。工作闸门的挡水位和运行水位均为水库正常蓄水位46.0m，对应下游无水，总水压力23 870kN。面板的曲率半径R=21.0m，支铰的安装高程为45.50m。闸门结构为双主横梁、“A”形斜支臂、自润滑球铰形式，主横梁和支臂为箱形截面，材料为Q345B，上、下支臂的夹角分别为26.5度。闸门动水启闭，启闭设备为QHLY-2×3 200kN液压式启闭机，油缸铰座安装高程为51.36m。每孔设一座控制及动力泵站，泵站设在孔口左侧闸顶。

2.2 弧形闸门运行条件及可能存在的问题

弧形闸门底高程30.0m，闸顶高程51.2m。水库上游校核（设计）洪水位49.0m、正常蓄水位46.0m；坝下游校核洪水位47.41m、设计洪水位46.62m。洪水时，泄水闸过闸洪峰流量大，最大泄量32 800m3/s，上、下游水位差较小，校核（设计）洪水位相差1.59（2.38）m。下游校核洪水位高于弧门支铰1.91m，下游设计洪水位高于弧门支铰1.15m。9台机组发电尾水位36.61m高于闸门底坎6.61m，设计洪水淹没底板深度16.62m。

鉴于上述水位条件，闸门经常要在高淹没度条件下启、闭，局部开度运行，水闸泄流条件极为复杂。可能存在的主要问题：①闸门局部开启淹没出流，闸门存在流激振动；②设计洪水闸门全开泄流时，弧门支铰和弧门支臂后端被水流淹没冲击，附加了冲击荷载，对支铰密封及轴承材料要求更高；③闸门全开泄洪时处在高位可能侧向失稳，对支臂的选型及侧轨高度和安装精度提出了更高要求；④上游未设置事故闸门，对工作闸门可靠性要求更高。因此，工作闸门结构的可靠性直接关系到整个枢纽工程运行的安全性，为了确保闸门结构安全可靠，针对上述可能存在的问题，设计过程中采取了“A”形箱式支臂结构形式及工程措施。除上述相关结构加强设计外，还针对闸门结构和布置型式的最终方案，和河海大学合作进行了有限元数值分析、水力学及流激振动模型试验研究。2.3“A”形箱式支臂结构

目前国内外常采用的弧形闸门支臂结构形式主要有3种：一是桁架结构；二是“∧”形结构；三是“A”形结构。桁架结构是传统使用最广泛的、也是最成熟的形式。但桁架结构的构件及焊接节点较多，构件受力不明确，制造、安装较麻烦；以往表孔弧形闸门出现事故大多原因是支臂设计单薄，稳定性不够；“∧”形和“A”形结构传力简洁、明确，制造、安装方便；这两种结构尚属探索性使用，工程实例不多。本工程弧形闸门采用“A”形斜支臂的基础上，支臂设计为全封闭箱形截面，以配合液压启闭机布置方案，并满足流激振动时支臂的稳定及可靠度要求，详见图2。

图2 支臂结构图

支臂为一偏心受压杆件，除应满足强度、局部稳定要求外，还应在外力作用下，不失去其整体稳定。支臂失稳形态有两种可能情况：一是在弯矩作用平面内，因外力过大以致外力和构件内力不能继续保持静力平衡，使弯矩变形急剧增加而失去稳定。一是弯矩作用平面外，即垂直弯矩作用的平面，构件以弯扭变形而失去稳定。因此支臂必须进行弯矩作用平面内和外的稳定验算。不管是那种支臂结构，其强度和弯矩作用平面内、外的稳定计算方法、公式、构件参数取值等是相似的。这些内容在有关规范和设计手册中均有明示。本工程弧形闸门“A”支臂结构的主要特性参数、控制工况的内力及稳定应力计算结果见表1。

表1 支臂结构特性参数表

2.4 自润滑关节轴承

弧形闸门的支铰承受全部水压力、部分启闭力和门重，将荷载传至闸墩并保证闸门能绕水平轴转动。根据斜支臂角度的大小，支铰结构形式主要有三种：圆柱铰，圆锥铰和球铰，传统的轴套材料为青铜和胶木；自润滑关节轴承具有自润滑性能、可以任意方向转动、可同时承受径向和横向荷载，又具有承载力高、摩擦系数小、少维护、使用寿命长等特点，尤其是能够长期浸泡在水中工作。

结合弧形闸门使用条件：支铰荷载大、轴承摩擦面上速度低（线速度0.001m/s以下）、有一定的侧推力、设计洪水全开泄流时被水流淹没，本工程选用GEH型关节轴承，设有密封装置和油槽，以提高其性能、防止沙尘进入；关节轴承内径560mm，技术参数为：静荷载 4 043.2t，动荷载 2 234.4t，最大摩擦系数 f＜0.12，自润滑层≥10mm，其它尺寸应符合图纸要求。

2.5 门槽顶部活动式侧轨

针对闸门全开泄洪时处在高位可能侧向失稳，在门槽顶部采用活动式侧轨，当闸门运行至正常蓄水位时可以确保闸门每侧至少有两个侧轮仍留在闸槽里，对闸门的侧向稳定作用极大；当闸门侧轮需要检修或更换时拆除侧轨的活动部分即可。

活动式侧轨沿侧轮轨迹中心线总长2 640mm，由上中下三部分组成，上、下为固定部分，中间为活动部分；上部与锁定装置的埋件焊成整体，下部与原侧轨对接，中间活动部分与上下两部分采用螺栓固定，详见图3。

图3 活动式侧轨

活动式侧轨与弧形闸门同时安装，在安装过程中活动式侧轨可以调整其相对位置，通过在安装现场与安装人员交流，闸门运行安全平稳与侧轨的精准安装关系密切；前六孔弧门安装时曾出现困难，通过加强侧轨的安装精度及增加活动式侧轨以后，后十二孔的安装非常顺利。

2.6 电动推杆式锁定装置

设计洪水闸门全开泄流时，弧门支铰和弧门支臂后端被水流淹没冲击，闸门每侧只有一个侧轮留在闸槽里，对闸门的侧向稳定不利；另外由于弧门支臂较长，闸门全开后其自重产生的力矩较大，长时间的开启对液压启闭机的液压系统稳定不利。为避免上述不利情况在闸墩顶设电动推杆式锁定装置，锁定梁为电动插入式结构，操作灵活、安全可靠。

3 水力学模型试验

3.1 水力学模型试验

根据运行条件拟定试验工况如表2。

表2 弧形闸门试验工况

试验研究时，建立水力学物理模型，进行水力学模型试验；对整个闸门结构建立三维有限元模型，进行有限元静力计算分析，得到应力应变指标；并建立包含闸门及一定范围水体的三维有限元模型，数值分析水体与结构相互作用的闸门结构自振特性，根据模型试验测定的水流脉动压力数据，对闸门进行动力分析。试验、计算和分析主要结果如下：

（1）闸下水位较低的自由出流工况（工况9、10）时，闸下的水跃漩滚对闸门没有冲击等不利影响。在淹没出流状态：上下游水位差较小时，闸门上下游水流平稳，水面波动较小，过闸水流没有在闸门后形成明显的漩滚；上下游水位差较大，当闸门开启高度较小时（小于孔口高度的20%），上下游水流仍然较平稳，水面波动不大，闸门后漩滚较弱；当开启高度较大时（工况4、7，约孔口高度的50%），上下游水流波动剧烈，闸门后形成明显的强烈漩滚，而且水流漩滚对闸门有明显的拍击作用；

（2）闸门上下游面板的时均动水压强总体上呈底部大、上部小、上游大、下游小的规律分布，上下游时均动水压强差值较大（33～47kPa）出现在工况4、9和10门底缘处（对应高程34.15m），结果表面动水压强小于闸门相应挡水静水压强；

（3）闸门启闭过程中，相同开度条件下启门力大于闭门力。闸门开启过程中总体上启门力随着开度的增加而增加，在开度0.6附近启门力达到最大值，之后启门力稍有减小后再有所增加。最大启门力出现在工况4的0.6开度，启门力为3 145kN，没有超过启闭机的容量（3 200kN)；

（4）闸门挡水开启瞬时最大启门力出现在工况9（上游水位47.0m，下游水位33.0m），最大启门力为3 169kN；

（5）随着闸门挡水水位的升高，支铰推力也随之增加，相同上游水位，支铰推力随下游水位的升高而减小；

（6）闸门挡水启闭瞬时支铰推力比相应挡水工况有较大的增加，实测最大支铰推力为12 475kN（上游水位47.00m，下游水位30.00m），设计支铰推力为17 800 kN；

（7）闸门启闭过程中支铰推力总体上不大，支铰推力基本一致，同一开度条件下，上下游水位差对支铰推力的影响较显著。

（8）为了减小闸门支铰推力，运行中尽量在挡水位较低或者水位差较小时启闭闸门。

3.2 安全性结论和建议

试验、计算和分析结果表明，弧形工作闸门结构强度、刚度和稳定满足规范要求；启闭机容量满足运行要求；闸门不会产生共振和危害性破坏。因此，闸门结构是安全可靠的。

当上游水位49.0m对应下游水位44.0m～45.5m，闸门开启开度约为孔口高度的50%时，上、下游水流波动剧烈，闸门后形成明显的强烈漩滚，而且水流漩滚对闸门有明显的拍击作用。因此，建议闸门运行时，尽可能避开在此水位范围对应约50%开度区域停留。尽量在挡水位较低或者水位差较小时启闭闸门。

4 结 语

峡江水利枢纽工程发电引水和泄水系统闸门及启闭设备安装完成后经过了安全鉴定、验收和高水位条件下运行的检验。检验情况和结果表明闸门和启闭设备选型和布置合理、经济，结构安全。坝顶、闸顶简洁美观，启闭设备先进、自动化程度高，人性化设计，管理和维护方便。针对泄水系统工作闸门结构和布置进行了数值分析、水力学及流激振动模型试验研究，从而大大降低了工程的安全风险。