溪洛渡水電站1號導流洞封堵閘門的三維有限元靜力計算

劉天德，龍朝暉

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072)

1 門葉結構布置

閘門孔口尺寸為18m×20m(寬×高，下同)，第一次啟門水頭為18.98m，第二次下閘水頭為12.67m，封堵擋水水頭為36.43m，閘門總水壓力為97 836kN。門槽采用II型門槽，門型為潛孔式平面滑動閘門，門葉結構主要材料為Q345B，下游止水，采用NL150滑道支承，閘門分為6節，其中2～5節門葉結構相同。為方便二次安裝，節間采用螺栓連接。閘門由1臺2×8000kN固定卷揚啟閉機操作，揚程47m。門葉結構布置見圖1。

圖1 門葉結構布置

2 強度理論與允許應力

閘門應力分布為三向應力狀態，閘門在常溫、靜載受力狀況下，金屬材料應按第四強度理論驗算門葉強度。第四強度理論為：

按DL/T5039-95《水利水電工程鋼閘門設計規范》，閘門構件允許應力[σ]見表1。其中面板允許應力=1.1×1.3[σ]=1.43[σ]，其他構件允許應力=0.9[σ]，1.1×1.3為考慮面板進入塑性的系數，0.9為應力折減系數。

表1 閘門構件允許應力 MPa

注： [σcd]為腹板局部承壓應力，不乘調整系數0.9。

3 閘門有限元計算模型

閘門結構有限元計算程序采用國際通用的有限元程序ANSYSWORKBENCH V11。采用三維實體建模，除連接螺栓、側輪、小筋板、焊縫未在模型中反映外，其他均按實體結構尺寸建模。模型中水封橡膠及節間橡膠墊按小變形線性材料處理，其他材料為結構鋼。橡膠材料彈性模量E=6.5MPa，泊松比μ=0.49，密度ρ=1.5e-6kg/mm3；鋼材彈性模量E=2.05e+5MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85e-6kg/mm3。

圖2 閘門網格劃分

考慮閘門對稱性，取閘門一半進行計算。有限元模型共劃分171 225個帶中間節點的二次實體單元，320 914個節點，模型網絡劃分見圖2。

4 閘門有限元靜力計算

4.1 閘門最高擋水位工況

閘門在第二次下閘及施工堵頭施工完并具備擋水時，閘門最高擋水水頭為36.43m。頂側水封壓縮x=-4mm，滑塊頂面位移x=0mm，邊梁底面y=0mm。

4.1.1 各節門葉位移分布(見圖3、4、5)

圖3為第1節門葉位移圖，最大位移13.9mm，z軸方向位移分布0.771～13.9mm。

圖3 第1節門葉位移分布

第2～5節門葉結構相同，其中第5節門葉位移最大。圖4為第5節門葉位移圖，最大位移20.04mm，z方向位移分布1.93～20.04mm。

圖4 第5節門葉位移分布

圖5為第6節門葉位移圖，最大位移19.4mm，z方向位移分布0.15～19.4mm。

4.1.2 各節門葉Mises 應力

圖6為面板應力分布，最大值115.51MPa，面板強度富裕度較大。

圖7為下游側梁系后翼緣應力分布，最大值為261.6MPa，是面板滑塊部位與邊梁筋板局部承壓應力，離開最大值后應力迅速降低至100MPa以下。圖中100MPa以下顯示為藍色，171MPa以上為紅色。其中第6節門葉第一根主梁后翼緣應力為145MPa 左右。

圖8為第5節門葉下主梁腹板及前翼緣應力分布，最大值為204.3MPa，是滑塊部位邊梁后翼緣支承反力在主梁腹板產生的局部承壓應力，離開最大值后應力迅速降至140MPa以下。

圖9為門葉中心線處縱隔板腹板應力分布，最大值為107.9MPa，在主梁前后翼緣與主梁腹板交界處應力較大，是腹板產生的局部承壓應力。

圖10為邊梁腹板應力分布，最大值為162.9MPa，在滑塊部位邊梁后翼緣與筋板交界處應力較大，是腹板產生的局部承壓應力。

圖11為小梁應力分布，最大值為91.7MPa，位于門葉中心附近。

圖5 第6節門葉位移分布

圖6 面板應力分布

圖7 門葉后翼緣應力移分布

圖8 面板應力分布

圖9 門葉中心線處縱隔板腹板應力分布

圖10 邊梁腹板應力分布

圖11 小梁應力分布

圖12 頂節門葉結構及水封分布

圖13 頂水封位移分布

名稱滑塊及水封受力HK1HK2HK3HK4HK5HK6HK7頂水封側水封受力/ kN2 408.42 575.96 617.57 629.98 481.88 979.711 623263516.1平均線壓強/N·mm-12 408.42 575.92 205.82 543.32 827.32 993.23 874.328.525.7

從頂至下各滑塊及水封所受的靜力荷載見表2。

各滑塊受力總和的2倍∑F=96 632.4 kN (重力加速度取9 806.6mm/s2)，計算得總水壓力P=97 776kN (重力加速度取10 000mm/s2)，相對誤差0.8%。

4.2 閘門下閘工況

對于該工況主要關心頂水封壓板在閘門即將下降至門楣時的變形情況。橡塑水封對不銹鋼摩擦系數取0.2，NL150滑塊對不銹鋼摩擦系數取0.05。圖12為該工況頂節門葉結構位移,圖13為水封位移分布情況，最大值2.36mm，水封及壓板位移均在1.7mm左右，不會發生因頂水封壓板變形過大與門楣相碰的情況。

5 結 論

(1) 模型考慮了水封、滑道的約束，反映了原型的約束情況，對超彈材料橡膠在小變形情況下作為線彈性材料處理是可行的。

(2) 第5節門葉最大位移為20.6mm，按支承跨度19 400mm，主梁最大撓度1/942，小于規范1/750的規定。第5節門葉的小梁在門葉中心支承處位移分別為20.3mm、19.7mm，跨中20.2mm；邊跨支承處5.5mm、1.7mm，跨中3.6mm。縱隔板位移基本上是隨閘門位移的整體平移，自身變形較小。

(3) 面板等效應力較低，強度富裕度較大。

(4) 梁系各板等效應力均小于相應板厚的板件容許應力，腹板局部承壓應力均小于相應的局部承壓容許應力。

(5) 在閉門工況下，水封及壓板位移均在1.7mm左右，不會發生因水封壓板變形過大與門楣相碰的情況。