芙蓉江角木塘水電站表孔金屬結構布置與設計

覃志強，謝 濤

1 概況

角木塘水電站位于芙蓉江干流下游河段，地處貴州省道真縣忠信鎮聯江村，為芙蓉江水電梯級開發中的第10級，電站距道真縣城33 km，壩址以上流域面積6886 km2，多年平均年徑流量42.3億m3，多年平均流量136 m3/s，水庫總庫容3259萬m3，最大壩高55 m，壩軸線長154.8 m，電站裝機容量70 MW，保證出力10.1 MW，多年平均發電量為2.51億kW·h，等別為Ⅲ等，規模為中型。

表孔位于水庫的壩頂，共設有5孔，孔口尺寸為12.5 m×19 m（寬×高），在每孔上均設置有1扇工作閘門，用于正常情況下抬高水庫的水位，增加庫容，滿足發電要求，汛期開啟渲泄掉庫內的多余水量，確保大壩的安全。因壩前死水位高于溢流堰頂16.5 m，工作閘門常年擋水，且存在長期局部開啟工況，為便于工作閘門及其埋件的檢修，在工作閘門的上游側設置了1扇疊梁式檢修閘門，5孔共用1扇檢修閘門，5孔檢修門槽。

由于本工程下游水位較高，工作門布置為平面定輪鋼閘門，配套卷揚式啟閉機，為便于啟閉機各部件的維修更換，在啟閉機室頂部設置了1臺單梁橋機，用于啟閉機各部件的維修。為論證提前蓄水發電的可能性，改善門槽水流條件，減短卷揚機高排架的施工時間，提出將平門及卷揚機改為弧門及雙缸液壓啟閉機的布置方案[2]。

2 表孔金屬結構布置優化

變更后表孔弧門型式為主橫梁斜支臂圓柱鉸弧形鋼閘門，弧形面板曲率半徑為22 m，支鉸高度設置為14.5 m，閘門在兩側邊梁外側布置12套側輪，閘門采用上游面板上游止水形式，側止水為PLA-1型橡塑止水，底止水為I型橡皮止水，每扇閘門均采用1套QHLY2×2800 kN-10.2 m露頂式弧門液壓式啟閉機操作，共設置2個液壓動力站，左側泵站控制左1#、2#孔閘門，右側泵站控制右3#、4#、5#孔閘門，分別布置在壩頂右、左岸。

具體變更方案工程量對比見表1。

表1 原方案與變更方案工程量對比表

根據上述方案比較，表孔閘門設計變更方案較原設計方案投資增加約591.2萬元，設計變更方案有如下優點：

1）工作閘門采用露頂式弧門比采用露頂式平面定輪鋼閘門有利于簡化施工，縮短工期，使閘門運行管理更方便，局部開啟工況運行更安全。

2）設計變更方案取消檢修門門庫后，節省了非溢流壩段的空間及門庫埋件工程量。檢修門啟閉機由臺車式啟閉機改成單向門機，相應取消了啟閉機砼高排架，壩頂顯得整潔美觀。

3 閘門結構設計

根據查詢國內同等規模的表孔弧門，采用三主橫梁三斜支臂結構較多，該種結構受力比較合理，整體剛度較好，安全性高，可解決好支臂薄弱的問題，但結構復雜、加工制造困難；同等規模也有采用雙主橫梁兩支臂結構，該種結構簡單，受力均衡，門體上懸臂段、中段跨度大，其剛度較差，需要另加支撐，保證結構安全，根據閘門結構布置，工程量對比見表2。

表2 閘門結構布置方案對比表

根據上述布置對比，三斜支臂結構方案比兩支臂結構方案投資增加412萬元，故選用兩支臂結構，主梁及支臂均采用箱型梁結構，懸臂段長度為2.05 m，兩主梁間布置14根次梁，上懸臂段布置7根次梁，下懸臂段布置1根次梁，整個閘門橫向分為25格，縱向分為6格，梁格長邊方向與主橫梁軸線方向平行，采用實腹式齊平連接。

4 閘門有限元數值分析[3]

本閘門采用ANSYS軟件25194個shell63單元、16684個Solid單元及30182個Mass單元模擬。有限元整體模型見圖1，結構變形圖見圖2。

圖1 有限元整體模型

圖2 結構變形圖

4.1 靜力特性

弧門的結構應力較小，分布對稱，上、下支臂受力均勻，應力分布規律及大小相似。

1)面板強度最大值為215 MPa，在門葉下段與中隔板交接處；最大位移為14.4 mm，在面板底端。

2)主梁強度最大值為139 MPa，在右支臂內翼緣與主橫梁的連接處；最大位移為12.9 mm，在橫梁中部。

3)支臂強度最大值為165 MPa，在上支臂下腹板與前斜支桿連接處；最大位移為11.1 mm，在下支臂靠近門臂連接處。

4.2 動力特性

通過分析在有水工況下分析計算弧門不同開度下的動力特性：

1）弧門不同開度的自振頻率為4.46 Hz～18.71 Hz，此頻率和水流脈動壓力實測頻率的1～5 Hz范圍僅在有水工況下0開度第一階頻率有重合，證明弧門在運行過程中發生共振的可能性很小。

2）弧門在有水工況下，考慮水流的耦合后，弧門自振頻率有所下降，下降最大值達到61.7%，但隨著開度的增加自振頻率又逐漸增大。

3）弧門低階振型主要表現為主支臂及斜支桿在橫向的左右擺動，證明支臂及斜支桿的剛度對弧門自振頻率影響很大，但各項數據滿足規范要求。

5 閘門水力學及流激振動試驗[4]

模型按1∶30幾何比尺建立，進行了弧門的水力學及流激振動試驗，分別測得閘門靜應力、動應力響應，用于驗證閘門結構設計。閘門最大加速度隨閘門開度變化情況見圖3。

圖3 閘門最大加速度隨閘門開度變化

5.1 水力學

1）當上游水位分別為381 m、383 m，在弧門開度依次為0.1 H～0.75 H工況下，閘室進口存在不良間歇漩渦，且漩渦在左右兩側門槽附近游弋，隨上游水位上漲而增大，在上游水位為383 m、開度為0.5 H時兩側均形成貫通立軸漩渦，最大尺寸為1.5 m。

2）堰面下泄水流在0+18 m～0+30 m區域形成強烈孔口出流，并形成大幅度紊動，濺起大量水股，在0.2 H、0.3 H開度工況中有少許水股擊打在弧門斜支臂。

3）弧門各測點脈動壓強均值、峰值均隨弧門開度增大而減小，其中脈動壓強最大均值為134.6 MPa，最大峰值為168.8 MPa。

5.2 水彈性試驗及流激振動

5.2.1 水彈性試驗閘門靜應力

利用水彈性相似模型測得不同工況下弧門主要受力構件的靜應力：

1）各種工況下，模型的支臂、褲衩板、次梁、隔板、主梁及連接桿等部位應力分布規律和結構受力特征相同；在有止水工況下，其應力值比無止水值小。

2）靜力測試中面板部位應力均小于50 MPa，梁上應力均小于70 MPa，閘門靜應力滿足要求。

5.2.2 水彈性試驗閘門動應力響應

1）動應力

在無止水工況下，最大拉應力在弧門下主橫梁靠近支臂13#測點，上游水位381 m，開度0.5 H，時均值為79.9 MPa，最大值為82.5 MPa；在有止水工況下，出現在上游水位381 m，開度0.1 H，褲衩板內側12#，最大動應力62.7 MPa，測點動應力最大值為45 MPa。

2）加速度

在無止水工況下，閘門加速度最大值為0.761 g，出現在下主橫梁豎向A4，水位381 m，開度0.1 H；在有止水工況下，閘門加速度最大值0.699 g，出現在下支臂下腹板豎向A8，水位383 m，開度0.75 H。

3）閘門的振動不利開度

閘門最大振動加速度較大值發生在0.2 H、0.3 H及0.5 H開度附近，振動加速度最大值為0.699 g。

5.2.3 流激振動特性

基于水力模型試驗獲得的水流脈動壓力數據，將其作用在閘門結構有限元模型上，運用ANSYS軟件進行瞬態時程分析，得出閘門在0.4H開度工況下的動位移最大均方根值為63.3μm，動位移幅值為189.9μm，按照美國阿肯色河判別標準判斷，閘門評定為微小危害。從時均應力和脈動應力分析，閘門下支臂靠近內側產生較大應力，但是動應力較小，時均應力占主要部分，脈動應力占總應力的6%以內，符合脈動部分荷載占總荷載2%～7%的規律。

6 結論

通過本文研究表孔金屬結構布置由平面定輪鋼閘門變更為弧形鋼閘門，引起結構形式的變化帶來的一系列問題，通過變更方案的技術經濟論證，取得如下結論：

1）表孔金屬結構可選方案較多，但本工程采用弧門方案更符合各種工況的調度、運行，使本工程更安全、可靠，且提高了建設速度，為同類設計提供了借鑒。

2）弧門及雙缸液壓啟閉機的布置運行工況安全，水力學條件好，壩頂結構美觀，但是造價比平門及卷揚機方案貴。

3）弧門為空間結構，特別是支臂部分，各種運行工況下受力復雜，易失穩，導致閘門結構破壞，運行中應采用原型觀測試驗，取得運行中結構應力數據，編制調度方案。

4）根據試驗數據，弧門在小開度工況下振動加速度值為0.699g，運行中應盡量避開在較小開度范圍內局開泄水工況，避免因長期振動而引起材料的疲勞破壞。

角木塘水電站表孔金屬結構設備均已安裝、調試完畢，電站于2017年10月首臺機組發電，設備運行平穩、正常，止水效果嚴密，啟閉順暢，基本達到設計要求。

參考資料

[1]芙蓉江角木塘水電站工程可行性研究報告[R].貴州省水利水電勘測設計研究院，2012.

[2]表孔閘門、泄水消能建筑物變更設計報告[R].貴州省水利水電勘測設計研究院，2015.

[3]芙蓉江角木塘水電站表孔弧形工作閘門結構有限元數據分析報告[R].武漢大學水資源與水電站工程科學國家重點實驗室，2016.

[4]芙蓉江角木塘水電站表孔弧形工作閘門水力學及流激振動試驗報告 [R].武漢大學水資源與水電站工程科學國家重點實驗室，2016.