緬甸滾弄水電站溢流表孔三支臂弧形閘門的設(shè)計布置

生永貞

摘 要：滾弄水電站位于緬甸聯(lián)邦丹倫江上游的撣邦滾弄縣，樞紐工程主要由混凝土重力壩，左岸壩后式地面發(fā)電廠房，壩身溢流表孔、壩身沖沙底孔，左右非溢流壩段和右岸導(dǎo)流兼泄洪洞組成。文章對滾弄水電站的溢流表孔弧形工作閘門的設(shè)計布置進行了系統(tǒng)的介紹。

關(guān)鍵詞：滾弄水電站；表孔三支臂弧形工作閘門；設(shè)計布置

1 工程概況

滾弄水電站位于緬甸聯(lián)邦丹倫江上游的撣邦滾弄縣戶里鄉(xiāng)境內(nèi)，為怒江出境后第一個梯級水電站，也是丹倫江梯級開發(fā)方案中的第一級。水庫正常蓄水位為EL.519m，最大壩高103m，對應(yīng)庫容為659×106m3，具日調(diào)節(jié)性能，裝機規(guī)模為1400MW，保證出力301.27MW，年發(fā)電量7.09GW·h，年利用小時5064h。

電站電能質(zhì)量好，具有向緬甸和中國等地區(qū)的送電能力和區(qū)位優(yōu)勢，是開發(fā)條件好、技術(shù)經(jīng)濟指標較為優(yōu)越的水電工程。

樞紐工程主要由混凝土重力壩，左岸壩后式地面發(fā)電廠房，壩身溢流表孔、壩身沖沙底孔，左右非溢流壩段和右岸導(dǎo)流兼泄洪洞組成。壩身溢流表孔是本工程的主要泄洪設(shè)施，布置6孔表孔，堰頂高程EL.496.00m，平臺高程EL.523.00m，孔口寬度為16m，設(shè)有溢洪道表孔檢修閘門和溢洪道表孔工作弧門。采用WES堰型，后接1：0.8斜坡段和反弧段，下接消力池底板，采用底流消能作為基本消能方案。

2 表孔弧形工作閘門及啟閉設(shè)備的布置

溢流表孔金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備由6孔1扇平面滑動疊梁閘門、6孔6扇弧形工作閘門及相應(yīng)啟閉設(shè)備組成。弧形工作閘門孔口尺寸（凈寬×凈高）16.0m×23.0m，堰頂高程EL.496.00m，底檻高程EL.497.49m，以正常蓄水位EL519.00m，作為弧門設(shè)計擋水位和操作運行水位，考慮涌浪高度和風(fēng)荷載門葉取超高0.6m，弧門總高度為24.11m，弧門支鉸高度根據(jù)泄放最高水位時不被沖刷和規(guī)范要求，確定為EL.508.99m。弧門面板半徑取26.0m。

FH>5000屬于超大型閘門，對于超大型、窄高型弧形鋼閘門，若采用傳統(tǒng)的雙支臂閘門則整體剛度較差，在上支臂以上的門葉懸臂段將很大，其剛度很難保證，其內(nèi)力也較大。對于大型弧形閘門，從結(jié)構(gòu)布置的合理性與經(jīng)濟性看雙支臂結(jié)構(gòu)都不如三支臂結(jié)構(gòu)。本閘門設(shè)計初步考慮為三斜支臂、主橫梁、圓柱鉸支承的露頂式弧形閘門。閘門的操作條件為動水啟閉，可以局部開啟以控制流量，局開時要求避開閘門的振動區(qū)。閘門為雙吊點，每套閘門采用1臺懸掛式液壓啟閉機進行操作。液壓啟閉機的油缸一端設(shè)置在閘墩上，另一端和閘門吊軸連接。每套啟閉機配置一套泵站，設(shè)置在閘墩內(nèi)，每套泵站設(shè)兩臺互為備用的油泵電動機組，其控制方式按現(xiàn)地手動、現(xiàn)地自動和預(yù)留遠方自動三種方式進行設(shè)計。啟閉設(shè)備設(shè)置工作、備用雙電源。其油箱，泵站和電氣設(shè)備布置在位于閘墩上的啟閉機房內(nèi)。

3 門葉及支臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算

該閘門門葉和支臂結(jié)構(gòu)按現(xiàn)行的鋼閘門設(shè)計規(guī)范采用平面體系計算方法，平面體系計算方法分為主橫梁框架結(jié)構(gòu)計算方法和主縱梁框架結(jié)構(gòu)結(jié)算方法，滾弄電站表孔三支臂弧形閘門采用主橫梁同層布置框架結(jié)構(gòu)，利用Mathcad進行計算。根據(jù)初始結(jié)構(gòu)基本布置情況，總水壓力作用線和水平線的夾角為12.9406°，采用三主梁荷載基本均分的原則，中支臂選擇位于總水壓力合力作用線上，為了減少上懸臂段，設(shè)計時盡量向上布置上主梁，下主梁在滿足主梁下翼板與底檻水平夾角及結(jié)構(gòu)布置要求的條件下，盡量向下布置。上、中支臂的夾角采用15.8665°，中、下支臂的夾角采用14.3239°。

重點對門葉面板、主梁、次梁、縱梁、支臂和支鉸、吊耳等進行了強度、剛度和穩(wěn)定性計算，經(jīng)過計算，門葉面板選用主梁與支臂的單位剛度比取5.4682；根據(jù)對閘門和啟閉設(shè)備的總體布置進行了啟閉力計算，選用容量為2×5000kN，工作行程為9.2m的懸掛式液壓啟閉機進行操作。該閘門屬超大型工作閘門，操作條件為動水啟閉，有局部開啟控制泄流量要求，因此材料容許應(yīng)力調(diào)整系數(shù)根據(jù)規(guī)范取0.9，動力系數(shù)取1.2，依據(jù)計算結(jié)果，確定采用主橫梁同層布置方案，上、中、下主梁和上、中、下支臂均采用箱形斷面，門葉水平次梁均采用工字鋼，縱梁采用焊接工字型，上、中支臂之間，中、下支臂之間均采用縱向聯(lián)接系聯(lián)接，這種結(jié)構(gòu)形式具有閘門整體剛度好，便于加工制造等優(yōu)點。在弧門兩側(cè)的邊梁上各布置有6個側(cè)導(dǎo)向輪，可以有效的控制閘門偏斜，保證閘門運行平穩(wěn)。弧門的側(cè)止水為“L”形橡塑水封，其摩擦系數(shù)低，經(jīng)工程驗證，止水效果較理想，底止水采用常規(guī)的板形水封。閘門支鉸軸承采用自潤滑滑動軸承，但設(shè)計中仍保留有常規(guī)注油潤滑油孔，作為自潤滑不理想或失效時的后備措施。閘墩頂部設(shè)有機械鎖定裝置。門槽底檻埋件和側(cè)軌埋件均為鋼結(jié)構(gòu)件，側(cè)軌上設(shè)有水封和側(cè)輪不銹鋼座板。

4 三支臂弧形閘門的Inventor模型及ANSYS有限元計算

斜支臂弧形閘門的門葉結(jié)構(gòu)、支臂結(jié)構(gòu)、支鉸裝置屬于復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，在以往的采用Auto CAD二維平臺設(shè)計二斜支臂弧形閘門中，斜支臂的扭角只能通過經(jīng)驗公式計算后，反過來表示在圖中，閘門重心位置也是通過經(jīng)驗選用。而三支臂弧形工作閘門的支臂扭角更為復(fù)雜，用經(jīng)驗公式計算出的數(shù)據(jù)精確度差。而三維模型的建立，解決了這一在二維圖中遇到的問題，根據(jù)閘門結(jié)構(gòu)計算成果，運用Inventor軟件進行三維建模，直接以弧門主橫梁的空間端點和支鉸點的位置，即可做出支臂模型，直接測量到精確的支臂扭角，還能精確的測量出閘門重心的位置，有利于對弧門的啟閉力進行較準確計算。對于采用懸掛式油缸作為閘門啟閉設(shè)備，閘門在啟閉過程中是否會和油缸有干涉的問題，通過三維模型的旋轉(zhuǎn)，也能較準確、簡單的進行判斷，避免了要對不同位置組合進行計算的復(fù)雜程序。

利用有限元法對該三支臂閘門從強度、剛度和穩(wěn)定性等方面進行分析和復(fù)核，確定合理的整體結(jié)構(gòu)型式及主要構(gòu)件截面尺寸， 同時針對三支臂弧形閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計計算中存在的問題進行研究，借助有限元軟件ANSYS Workbench進行了仿真模擬分析以力求閘門的設(shè)計科學(xué)、合理、安全、經(jīng)濟，為目前工程經(jīng)驗少的三支臂弧形閘門提供了更多的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)支撐。

針對滾弄水電站三支臂弧形閘門這一工程實例，采用空間有限元法對三支臂弧形鋼閘門進行結(jié)構(gòu)計算，較好地體現(xiàn)出閘門的空間結(jié)構(gòu)效應(yīng)，更準確地反映出閘門各構(gòu)件的受力情況，不僅可以達到驗算傳統(tǒng)計算方法的準確性，還可以節(jié)約材料、減輕閘門自重、優(yōu)化閘門整體結(jié)構(gòu)以及提高閘門的整體安全度。將平面體系計算和空間有限元兩種計算方法計算出的閘門各構(gòu)件上應(yīng)力荷載及變形進行了對比與分析，從而驗證了平面體系法計算的安全性。同時根據(jù)有限單元法解決在平面體系計算方法中存在的一些疑惑與問題，也為三支臂弧形閘門的優(yōu)化提出一定的方向。

由整個閘門的ANSYS Workbench的計算結(jié)果可知，滾弄水電站三支臂弧形工作閘門的結(jié)構(gòu)設(shè)計最大應(yīng)力和剛度均未超過材料和構(gòu)件的許用值，都有一定的富余度，存在可優(yōu)化的空間。可以考慮面板厚度，上支臂與上主梁的橫截面，起支撐作用的槽鋼等結(jié)構(gòu)的進一步優(yōu)化。考慮啟門力的閘門計算，在平面體系計算過程中，以下主梁與下支臂的剪力作為控制條件，但有限元計算結(jié)果表明，中主梁與中支臂也受到啟閉力的影響，閘門的上主梁與上支臂等效應(yīng)力、最大剪應(yīng)力以及綜合變形有所減小。中主梁和中支臂對應(yīng)的各值有一定程度的增加。下主梁與下支臂的等效應(yīng)力與最大剪應(yīng)力的各值有明顯的提高。在下階段的設(shè)計中應(yīng)給予重視。

5 結(jié)束語

滾弄水電站表孔三支臂弧形工作閘門采用主橫梁同層布置方案，上、中、下主梁和上、中、下支臂均采用箱形斷面，在設(shè)計上不僅考慮了制造、安裝要求，以及設(shè)備的先進性，更重要的是充分考慮了其運行的安全可靠性。經(jīng)平面體系計算和三維有限元復(fù)核計算，閘門的強度、剛度滿足設(shè)計規(guī)范的要求。