大藤峡泄水闸金属结构关键技术研究

袁 伟，范小付，其其格

(1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021；2.广西大藤峡水利枢纽开发有限责任公司，广西 南宁 530200)

1 工程概述

大藤峡水利枢纽是一座以防洪、航运、发电、补水压咸、灌溉等综合利用的大型水利枢纽工程。枢纽建筑物包括挡水坝、泄水闸、船闸、河床式发电厂房、鱼道、生态泄水建筑物、灌溉取水口及开关站等[1]。水库正常蓄水位为61.0 m，汛期洪水起调水位和死水位为47.6 m，防洪高水位和1 000年一遇设计洪水位为61.0 m，5 000年一遇校核洪水位为61.1 m，防洪库容和调节库容均为1.5×109m3，电站装机容量8×200 MW(左岸厂房3台机组，右岸厂房5台机组)。金属结构设备主要布置在泄水闸、发电系统、航运系统、灌溉和生态系统及鱼道系统等部位，其中泄水闸设在黔江主坝，共26孔泄洪设备[2]。

2 泄水闸金属结构布置

大藤峡泄水闸布置在黔江主河床偏左岸，泄水孔分别布置在碾压混凝土纵向围堰坝段两侧，左侧设20个低孔和1个高孔，右侧设1个高孔和4个低孔。高孔主要满足泄洪和排漂功能，采用开敞式实用堰，堰面采用WES幂曲线[3]，在堰顶附近设有1道平面定轮事故闸门及1道弧形工作闸门。低孔主要满足泄洪和排沙功能，堰顶高程与开挖后河床底高程相差不多，有利于排沙，顺水流方向依次设有潜孔式平面事故闸门及弧形工作闸门。高、低孔弧门采用斜拉式液压启闭机操作，事故闸门均采用坝顶2×2 500 kN双向门机操作，事故闸门门槽均采用Ⅱ型门槽[4]。低孔工作闸门下游设1道浮箱式检修闸门，平时存放在专用门库内，工作时采用拖船进行操作。泄水闸坝段金属结构平面布置见图1。

图1 大藤峡泄水闸坝段平面布置

3 金属结构关键技术研究

大藤峡泄水闸孔数多，尺寸大，防洪调度控泄要求高，运行工况十分复杂。特别是二期导流期间，左岸仅3台机组发电，要求闸门在任意开度下均匀局部开启控制下泄流量，几乎全年参与控泄，运行特别频繁。复杂恶劣的水力条件、巨大的挡水荷载以及频繁的操作，而工作弧门的安全运行直接关系着整个工程的安全运行，因此必须重视闸门水力特性以及设备的结构设计。通过借鉴已建工程经验，采取有限元分析与模型试验相互验证的技术路线，着重对泄水闸事故门槽型式的选择、弧形工作闸门局开水力条件及振动特性、低孔弧门的支承体选型等关键技术问题进行研究。

3.1 高、低孔事故闸门门槽形式选择

作为平面闸门的行走和支承结构，门槽是必不可少的。然而，门槽的存在又引来了一系列的水力学问题，水流经过门槽时会出现复杂的分离流现象，不仅使阻力增加、脉动增强，更重要的是易在槽内和下游形成空化，甚至空蚀。门槽一旦空蚀，轻则出现麻点、蜂窝，重则导致闸门操作失灵，危及工程安全[5]。特别是泄洪系统，深孔流速大，水流空化数小；表孔虽然水头不高，但门槽不同于一般水洞试验中的二维凹槽流动，具有2个显著的特点：①流动形式为堰顶自由溢流；②流动同时受曲底、门槽、以及闸墩的影响，具有很强的三维性[6]。本工程参考已建工程并结合水工模型试验确定了初生空穴数值较低的Ⅱ型门槽的相关参数，降低了门槽体型不佳导致的空蚀风险。

3.2 高孔弧形工作闸门流激振动试验研究

泄洪闸高孔弧形工作闸门孔口宽度14.0 m，高度26.5 m，按正常蓄水位61.00 m设计，设计水头26 m，弧门面半径32.0 m，静水总压力49 619 kN。弧门采用QHLY-2×5000 kN液压启闭机[7]操作。弧形工作闸门为三主横梁、三斜支臂结构，由门叶结构、支臂结构、水封装置、侧轮装置、支铰装置组成，支臂与门叶、支臂与支铰之间均采用螺栓联接，支承体结构采用预应力钢筋混凝土结构[8]。该弧形工作闸门有局部开启控泄要求，另外弧门下游水位较高，弧门在局部开启工况下存在淹没出流情况，水力学条件差，弧门局部开启时在水流脉动压力的激励下，可能出现有害的流激振动，这种振动对门叶结构、启闭机系统均会带来不利影响，因此有必要对弧门的水力特性及流激振动特性进行系统的模型试验[9]及数值模拟研究，以全面掌握工作弧门在不同特征运行水位和开度下的水力特性与流激振动特性，为弧门结构设计和运行管理提供依据，使工作弧门的结构布置合理，保证运行安全。泄水闸高孔金属结构设备布置见图2。

图2 大藤峡泄水闸高孔金属结构布置(m)

泄水高孔弧形工作闸门三维有限元分析按工作弧门全关挡水工况(挡水水头26 m)进行了计算模拟。在全关挡水工况下，闸门结构的主要应力不超过140.0 MPa。在弧门吊耳下方靠近底缘部位的纵横梁交接处位置，出现应力极大的现象，极值应力产生的原因主要是结构存在应力集中现象。这些极值应力并不影响构件的整体受力状态。最大合位移为15.27 mm(弧门门叶顶部位置)。

泄洪高孔工作弧门水力相似模型按照重力相似准则设计，水弹性相似模型按水弹性相似的要求设计制作，模型几何比尺为1∶28。试验中观测了不同上游水位及下游水位闸室段及下游一级消力池内的水流流态。总体上看，当闸门开度小于5 m时，闸门上下游水面平静，波动较小，消力池靠下游部位出现向上涌动水流，并且随开度增大，涌动水流强度也随之增强；当闸门开度在5～11 m时，闸门前后水面出现波动，闸门前出现未贯穿漏斗形漩涡，门槽内出现立轴漩涡，同样随着闸门开度增大，水面波动也随之增大，消力池后部涌动水流较为强烈；当闸门开度大于11 m时，闸门前水面强烈波动，出现不稳定串通型漏斗漩涡，门槽内出现强烈立轴漩涡，一直深入到门槽底部，闸门后为自由出流，表层水流强烈翻滚，大量掺气，水流上层呈白色掺气水体，消力池内上游端水面波动剧烈，下游端水流涌动强烈；当闸门开度大于16～18 m时，闸室段由闸孔出流过渡到自由堰流。

图3 闸门开度11 m时的闸室段流态

通过对泄洪高孔工作弧门有限元模型静动力计算分析、门体及门槽段动水压力测量分析以及门体动应力、加速度及位移响应测量分析，大藤峡高孔工作弧门在不同组合试验工况下，闸门结构的强度和刚度满足设计和规范要求，其振动也属于微小量级，振动位移均方根值小于0.16 mm，但在模型试验中观测到部分运行工况弧门上游来流流态比较紊乱，漏斗型漩涡的频次高、强度大，事故闸门门槽内的漩涡强度较大，实际运行应尽量避免弧门在较大开度运行时漩涡、水面大幅波动等不良流态带来的不利影响。工作弧门大开度运行时，事故门槽脉动压力均方根最大值达到57.4 kPa，门槽存在瞬时空化的可能，实际工程运行过程中应密切关注该部位运行情况[10]。

3.3 低孔弧形工作闸门流激振动试验研究

低孔流道采用带胸墙宽顶堰，为压力段进口形式，堰顶高程22.00 m，孔宽9 m，孔高18 m，上游设双胸墙，胸墙最低处底高程为40.00 m。低孔采用两孔一联的结构分缝型式，边墩厚度4.0 m，中墩厚度5.3 m，坝段长31.3 m。工作闸门采用主纵梁三支臂弧形闸门、设计水头39 m，面板半径33 m，总水压力58 837 kN，支铰高程47.00 m，闸门采用双缸后拉式液压启闭机操作。

低孔泄洪闸弧形工作门作为重要泄洪设备对确保低孔泄水闸的正常运行乃至整个水利枢纽的安全运行具有极为重要的作用。闸门水力学试验的主要目标在于全面掌握闸门运行过程中的各种水力参数，论证原设计闸门体型的合理性，对存在问题提出相应改善措施，以确保闸门结构的运行安全。泄水闸低孔金属结构设备布置见图4。

图4 大藤峡泄水闸低孔金属结构布置(水位：m)

主坝泄水低孔孔口尺寸很大、水头较高，工作闸门上下游水位变幅大，上游进口漩涡、封闭气囊可能会对闸门结构产生不利动力作用，以及下游水跃对弧形闸门支臂、面板等局部结构和整体结构的冲击作用，以及由此导致的结构强烈振动问题。同时，该闸门的设计泄水流量较大，有局部开启控泄要求，门后水位变幅大，闸下出流经历深度淹没出流、淹没出流、临界出流(临门水跃)、自由出流(远趋式水跃)等，水闸流态复杂，闸门结构承受水动力荷载变化复杂多变，流态复杂。泄水低孔弧形工作闸门流激振动试验主要测试闸门时均动水压力荷载和由于上游水流脉动和下泄水流的扯动及水封漏水而引起的压力脉动荷载。从试验的角度验证闸门在水压力作用下动力安全问题，确保闸门结构安全运行。

单孔泄水试验时，发现当弧形工作闸门开度位于no=0.7～0.8大开度范围时闸室出现强烈翻滚水跃，冲击闸门支铰大梁，闸门运行时需避开该类运行工况，以免引起闸室闸墩结构和闸门结构的强烈振动而破坏。

图5 库水位61.0 m、下游水位46.41 m底孔泄流流态(no=0.8)

运行调度上，可按如下方式进行闸门开启操作：①在宣泄设计等大流量洪水时采用闸门全开运行；②在非汛期需要进行泄洪闸弧形闸门调控泄流时，可考虑闸门在相对开度no=0.6以下作局部开启运行；③在非汛期、泄流量位于所有闸孔全开与所有闸孔开度no=0.6以下的区间内时，可采用闸孔间隔、闸门全开运行方式进行开启操作。

闸门结构流激振动试验结果表明：低孔闸门结构下游处于深度淹没状态，闸门振动位移量较大，具有低频大振幅振动特征，尤以侧向和切向振动为大。因此，设计时增设了闸门结构侧向滚轮(需要精加工)，并保持与两侧导轨(严格控制制作和施工安装精度)的紧密接触，使之起到闸门侧向振动约束作用[11]。

3.4 低孔弧形工作闸门支承结构研究

3.4.1支承结构选型

主坝泄水低孔弧门总推力为66 800 kN，根据弧门推力选用预应力闸墩。国内已建或在建工程泄水建筑物大型弧门预应力混凝土闸墩的支承结构型式主要有锚块式和深梁式2种[12]。国内部分已建工程泄水建筑物弧门支承体结构特性见表1。

表1 国内部分已建同类工程支承体结构特性

泄水闸共设26孔泄洪设备，受溢流前缘宽度及基础条件限制，低孔采用两孔一联的布置型式，弧门支承体如采用混凝土锚块型式，为满足边墩锚块次锚索的布置要求，需加宽边墩的尺寸，致使泄水坝段宽度加大，溢流前沿宽度增加，对施工导流设施的纵向混凝土围堰的位置影响较大，投资变化相应增大。考虑到孔口跨度不大，采用钢梁式支承体系可取消次锚索，也能改善闸墩的受力状态，不会增加泄水坝段宽度，不会影响施工导流布置方案。因此，弧门支铰的支承结构采用单跨支承钢梁。

3.4.2支承结构设计分析

将支承钢梁作为弧形闸门的支承体在国内尚属首次，设计上给与了足够的重视，钢梁设计成果应保证足够的强度、刚度及稳定性并留有适当的安全裕度。该钢梁主要受力截面采用箱型梁截面，支承跨度为11 400 mm，端部通过预应力锚索固定于闸墩上。弧门推力传递至钢梁引起的弯应力及剪应力主要由钢梁箱型截面承担。集中荷载位置，如弧门支铰与钢梁连接处以及钢梁端部受预应力锚索紧固处分别设置小截面梁格和传力隔板来扩散过渡集中应力，使受力更加均衡合理。

通过ANSYS软件建立钢梁三维有限元模型，分析比较了钢梁在正常蓄水位(双侧弧门全关)、正常蓄水位(一侧过水、一侧全关)、施工张拉期、检修、地震以及校核洪水等工况下的应力、变形状态，对钢梁体系各构件的强度、刚度、稳定等进行分析研究。支承钢梁为薄壁组合截面，跨度与高度的比值比较小，属于深梁范围，剪切变形对力学性能的影响比较大，因此在建立钢梁有限元模型时，选择了考虑剪切变形的SHELL181单元。通过计算分析，确定正常蓄水位(一侧过水、一侧全关)为控制工况，主要研究右孔闸室流道关门、左孔闸室流道开门情况下在结构自重、静水压力、闸门推力、锚索永存预应力、动水压力作用下钢梁的强度和刚度问题。左、右边墩钢梁各组成构件的最大工作应力均小于对应的容许应力值，强度满足规范要求，且均具有较大的强度储备；最大挠度约5.94 mm，刚度满足规范要求，且具有较大的刚度储备；钢梁固有频率远大于水流脉动频率[13]。泄水低孔弧形工作闸门支承钢梁有限元模型及下游翼缘应力云图见图6。

a)有限元模型

b)下游翼缘应力云图

3.4.3支承钢梁的制造及安装工艺

支承钢梁为Q355B钢板焊接结构，平均板厚大于36 mm，板材厚、焊缝多，焊后容易产生过大的残余应力，处理不当将严重影响结构的疲劳寿命。在选材上要求翼缘及腹板均采用Z向性能钢板，腹板与翼缘的焊缝应进行消氢处理以防迟滞裂纹的产生，整体钢梁还应进行振动时效[14]消应处理，制造环节的技术措施能从根本上保证钢梁的质量，是保障泄洪设备安全运行的关键。

为保证运行期间钢梁稳定牢固和闸墩结构安全，钢梁端部采用预应力锚索与闸墩混凝土相连，锚索张拉过程中钢梁应力变形应于支铰变形相协调，钢梁变形后弧门支铰精度控制是钢梁支铰安装的重点。

大藤峡水利枢纽泄水闸坝段弧形工作闸门支承钢梁单件重约230 t，外形尺寸15 100 mm(长)×4 700 mm(宽)×3 860 mm(高)，支承钢梁安装后呈57.8°的倾斜度，现场吊装难度大，且施工工期紧、施工强度很大，需一年内完成20孔弧形工作门的安装调试工作。支承钢梁的安装质量，支承钢梁基础的设置、吊装、调整工艺是成败的关键，直接关系到整个弧形工作门的安装。通过对五强溪、三板溪、埃塞吉布III等工地的实地调研或资料查阅，对大藤峡支承钢梁工艺展开研究，主要研究钢梁基础定位及钢梁吊装工艺分析[15]。其主要工艺为：一期基础设置、钢梁吊装、钢梁调整、锚索施工、支铰安装及支臂和弧门安装。通过借助一期基础，调整钢梁基础三要素(高程、水平、方位)更为方便，检查测量容易，同时便于应力锚索钢管的安装，保证了安装质量。

4 结论

大藤峡水利枢纽工程泄水闸泄洪规模大，汛期调度运行频繁，尤其是该部位金属结构设备，承担着整个大坝及下游人民财产的安全责任，重要性不言而喻。不论是泄洪表孔还是泄洪低孔的工作闸门，其规格标准已达到超大型。针对泄水闸事故门槽型式的选择、弧形工作闸门局开水力条件及振动特性、低孔弧门的支承体选型等关键技术问题，采用了技术成熟的三维有限元分析、物理模型试验等手段进行了技术验证，根据科学的验证结果对相关设备结构进行了改善，降低了金属结构设备的事故风险，提高了设计产品的质量及安全可靠性，其最终设计成果为今后类似大型工程提供了借鉴意义。