贛江尾閭主支泄水閘工作閘門(mén)選型及水力學(xué)模型試驗(yàn)

◎ 應(yīng)國(guó)華 徐強(qiáng) 楊貴海 中鐵水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司

贛江尾閭綜合整治工程由主支樞紐、南支樞紐、中支樞紐、北支樞紐組成。主支樞紐位于贛江尾閭贛江主支，新建區(qū)象山鎮(zhèn)鴨洲村附近，距象山鎮(zhèn)6km，距南昌市約35km。主支象山樞紐主體建筑物由泄水閘、船閘、魚(yú)道和連接擋水建筑物組成，閘址軸線(xiàn)總長(zhǎng)1358.3m。

為了維護(hù)江湖的生態(tài)環(huán)境，滿(mǎn)足主汛期通航要求，泄水閘分三區(qū)布置。二區(qū)大孔閘設(shè)置2孔，孔口寬度75m，大孔閘布置浮船式閘門(mén)，啟閉設(shè)備為卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)。一區(qū)、三區(qū)常規(guī)泄水閘設(shè)置在大孔閘兩側(cè)，一區(qū)設(shè)置8孔，三區(qū)設(shè)置7孔，孔口寬度均為30m，順?biāo)飨驈纳现料路謩e布置有上游檢修閘門(mén)槽、工作閘門(mén)和下游檢修閘門(mén)槽，工作閘門(mén)啟閉設(shè)備為液壓?jiǎn)㈤]機(jī)。

1.常規(guī)孔泄水閘工作閘門(mén)選型

泄水閘孔口底坎高程6.0m，孔口寬度30.0m，每孔布置1扇工作閘門(mén)。閘門(mén)擋控制水位15.50m，門(mén)頂高程16.00m。根據(jù)孔口尺寸、最大擋水水頭及調(diào)控期泄水閘工作閘門(mén)運(yùn)行特點(diǎn)，一區(qū)及三區(qū)采用相同的結(jié)構(gòu)型式，參考現(xiàn)有工程門(mén)型比選情況[1-3]，擬定3種泄水閘工作閘門(mén)的布置方案進(jìn)行比選。方案1：下臥式弧形閘門(mén)＋液壓?jiǎn)㈤]機(jī)方案；方案2：上翻式弧形閘門(mén)＋液壓?jiǎn)㈤]機(jī)方案；方案3：平面直升鋼閘門(mén)+卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)方案。

1.1 下臥式弧形閘門(mén)+液壓?jiǎn)㈤]機(jī)

方案1 采用下臥式弧形閘門(mén)結(jié)構(gòu)，啟閉設(shè)備為臥式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，其布置如圖1所示。閘底高程6.0m，閘頂高程25.00m，閘門(mén)高度10.0m，支鉸中心高程14.85m。弧形閘門(mén)面板曲率半徑R=12.15m。調(diào)控期上游最高水位15.5m，對(duì)應(yīng)下游9.50m，調(diào)控期閘門(mén)上、下游最高水位差6.0m。閘門(mén)全開(kāi)狀態(tài)至全關(guān)狀態(tài)旋轉(zhuǎn)角度53.2°，閘門(mén)全開(kāi)狀態(tài)為臥倒在弧形底坎內(nèi)，門(mén)葉背部與底板齊平，由設(shè)在閘墩兩側(cè)的鎖定裝置鎖定。閘門(mén)支臂設(shè)啟閉吊點(diǎn)，啟閉機(jī)活塞桿端頭采用球鉸與閘門(mén)啟閉吊點(diǎn)連接，雙吊點(diǎn)啟閉閘門(mén)。啟閉機(jī)型式為臥式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，每孔設(shè)置一個(gè)獨(dú)立的液壓泵站，位于閘墩尾部。啟閉機(jī)鉸點(diǎn)高程21.65m，啟閉機(jī)容量2×4000kN，最大工作行程10.5m。

圖1 下臥式弧形閘門(mén)

1.2 上翻式弧形閘門(mén)+液壓?jiǎn)㈤]機(jī)

方案2 采用上翻式弧形閘門(mén)結(jié)構(gòu)，啟閉設(shè)備為臥式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，其布置如圖2所示。閘底高程6.0m，閘頂高程25.00m，閘門(mén)高度10.0m，支鉸中心高程18.60m。弧形閘門(mén)面板曲率半徑R=14.60m。全開(kāi)狀態(tài)至全關(guān)狀態(tài)旋轉(zhuǎn)角度65°，閘門(mén)全開(kāi)狀態(tài)為兩側(cè)鎖定在閘墩頂25.0高程的鎖定裝置上。閘門(mén)梁系結(jié)構(gòu)為雙主梁同層梁系布置，A型斜支臂，主梁及支臂采用箱型梁截面設(shè)計(jì)，啟閉機(jī)活塞桿端頭采用球鉸與閘門(mén)吊耳連接，雙吊點(diǎn)啟閉閘門(mén)。啟閉機(jī)型式為露頂弧門(mén)QHLY型液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，每孔設(shè)置一個(gè)獨(dú)立的液壓泵站。啟閉機(jī)鉸點(diǎn)高程24.65m，啟閉機(jī)容量2×5000kN，最大工作行程約7.50m。

圖2 上翻式弧形閘門(mén)

1.3 平面直升閘門(mén)+卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)

方案3采用水利工程中最為常見(jiàn)的平面直升式鋼閘門(mén)，啟閉設(shè)備為卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)。閘門(mén)高度10m，由于閘門(mén)跨度大，水頭低，主梁結(jié)構(gòu)采用曲拱桁架結(jié)構(gòu)。操作條件為動(dòng)水啟閉，啟閉機(jī)容量為2×4000kN，揚(yáng)程約11m。為保證閘門(mén)敞開(kāi)泄洪及提出孔口檢修，啟閉排架較高。

1.4 方案比選

1.4.1 布置及運(yùn)行

泄水建筑物布置除了要滿(mǎn)足汛期的泄洪要求，還要滿(mǎn)足調(diào)控期的水位調(diào)控要求。方案1和方案2均為弧形閘門(mén)，全開(kāi)泄流能力較好，兩者相比，方案1下臥式閘門(mén)門(mén)葉臥于底檻下，支臂不會(huì)受到漂浮物撞擊，更加安全可靠。方案3為平面鋼閘門(mén)，局部開(kāi)啟不如方案1、2靈活，且閘門(mén)兩側(cè)門(mén)槽寬且深，水流條件差。

1.4.2 閘門(mén)結(jié)構(gòu)及啟閉機(jī)

方案3的平面鋼閘門(mén)主要梁系為桁架結(jié)構(gòu)，桁架圓管截面需在制造廠內(nèi)卷板成型，安裝現(xiàn)場(chǎng)管結(jié)點(diǎn)焊接工作量大。方案1、2設(shè)置的弧形閘門(mén)結(jié)構(gòu)型式焊接構(gòu)件易在工廠成型，減少了現(xiàn)場(chǎng)安裝焊接工作量，但弧門(mén)空間結(jié)構(gòu)對(duì)安裝精度要求較高。故從閘門(mén)結(jié)構(gòu)的制造與安裝難度比較，各方案的閘門(mén)制造安裝均有一定難度。

方案3的平面鋼閘門(mén)采用的固定式卷?yè)P(yáng)機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便運(yùn)行速度較快，能保證嚴(yán)格的傳動(dòng)比，性能可靠，對(duì)外界工作條件要求較低，但其外形較大，土建排架工程量大。機(jī)械傳動(dòng)部件笨重，機(jī)械損失大，一般為動(dòng)力的15%左右；長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)有一定機(jī)械損傷，沒(méi)有緩沖力，容易引起部件損壞，能耗高、噪聲大。

方案1、2的液壓?jiǎn)㈤]機(jī)布置緊湊，體積小，重量輕，承載能力大；能夠遠(yuǎn)距離傳遞動(dòng)力，緩沖性能好，傳動(dòng)平穩(wěn)，調(diào)速和換向方便；配備自動(dòng)糾偏裝置，液壓傳動(dòng)與電氣控制相結(jié)合，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。方案1臥式啟閉機(jī)布置揚(yáng)程小，油缸的安裝檢修維護(hù)方便。

故根據(jù)本工程的特點(diǎn)宜采用性能較好的液壓?jiǎn)㈤]機(jī)。

1.4.3 建筑美觀

當(dāng)閘門(mén)處于調(diào)控?fù)跛冢l門(mén)高度較低時(shí)，3種方案各有千秋，均具有一定的建筑美觀,可以成為贛江的一道景觀線(xiàn)。當(dāng)泄水閘門(mén)全部敞開(kāi)，江湖連通時(shí)，方案1臥于閘底恢復(fù)天然河道，無(wú)任何影響景觀效果的建筑物及大結(jié)構(gòu)件。方案2泄水閘處于全開(kāi)狀態(tài)時(shí)閘門(mén)鎖定在閘頂，可能受到樹(shù)木等漂浮物撞擊，且門(mén)體體積較大，臥于閘墩頂影響整體景觀效果和觀賞視野。方案3的平面鋼閘門(mén)非調(diào)控期長(zhǎng)期鎖定于閘墩頂，高達(dá)十幾米的啟閉排架景觀協(xié)調(diào)性差。

從建筑美觀考慮，方案1較優(yōu)。

1.4.4 工程投資

各方案三區(qū)泄水閘工程投資比較見(jiàn)表1，各方案土建投資方面方案3增加了啟閉排架。

表1 單孔投資比較

從工程投資比較，3個(gè)方案相差不大，上翻式弧形閘門(mén)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資略少。

綜合分析，本工程調(diào)枯不控洪，調(diào)控期最大水頭差10m，各方案均可用于本工程。根據(jù)工程調(diào)度要求和閘址河床抗沖能力差的特點(diǎn)，工程調(diào)控期9月～次年3月三區(qū)常規(guī)孔工作閘門(mén)需要頻繁局部開(kāi)啟，方案1和方案2的弧形閘門(mén)更適合局部開(kāi)啟的工況。方案3在景觀效果方面較差，方案1的景觀效果最好，水流流態(tài)好，故推薦方案1，采用下臥式弧形閘門(mén)+臥式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)方案。

2.下臥式弧形閘門(mén)水力學(xué)模型試驗(yàn)

本模型主體為三區(qū)泄水閘，為了保證泄水建筑物進(jìn)出口上、下游水流相似，射流沖刷水流旋滾演變相似，泄水閘上游長(zhǎng)度取到上游防沖槽，下游長(zhǎng)度取到下游防沖槽段，總長(zhǎng)度276.5m；橫向取兩孔進(jìn)行模型設(shè)計(jì)，包含三個(gè)整墩。模型如圖3所示，模型比尺Lr=25，相對(duì)應(yīng)的流量比尺：Qr=Lr2.5=3125.00、流速比尺：Vr=Lr0.5=5.00、時(shí)間比尺：Vr=Lr0.5=5.00、壓力比尺：Pr=Lr=25.0、糙率系數(shù)比尺：

圖3 泄水閘模型

2.1 水動(dòng)力荷載試驗(yàn)

通過(guò)泄水閘下臥門(mén)閘室邊界及門(mén)體的動(dòng)水壓力測(cè)試，獲得如下幾點(diǎn)結(jié)論。

（1）閘室時(shí)均壓力測(cè)試數(shù)據(jù)顯示：在閘門(mén)不同運(yùn)行工況下，閘室底板的壓力分布在4.7～11.388kPa范圍內(nèi)波動(dòng)；閘室側(cè)墻的時(shí)均壓力在1.5～10.075 kPa范圍內(nèi)變化，總體上看，諸時(shí)均壓力測(cè)點(diǎn)均出現(xiàn)正值，未見(jiàn)負(fù)壓存在。

（2）門(mén)體時(shí)均壓力測(cè)試數(shù)據(jù)表明，水流流態(tài)經(jīng)歷自由出流、臨門(mén)水躍及淹沒(méi)出流等不同流態(tài)，下游水位越高、下游淹沒(méi)度就越高，作用于門(mén)體的時(shí)均壓力隨淹沒(méi)水深的增加而加大；閘門(mén)開(kāi)度越小，下泄流量越小，作用于門(mén)體時(shí)均壓力就越小。作用于下臥門(mén)門(mén)體的時(shí)均壓力值在8.25～54.18 kPa。

（3）門(mén)體脈動(dòng)壓力分布特征測(cè)試結(jié)果顯示，閘門(mén)門(mén)體脈動(dòng)壓力較大的區(qū)域發(fā)生在閘門(mén)底緣附近，脈動(dòng)壓力最大值出現(xiàn)在PM1、PM2及PM5測(cè)點(diǎn)，最大均方根值分別是9.16kPa、5.28kPa和8.59kPa，發(fā)生在水躍狀態(tài)為臨門(mén)狀態(tài)。此時(shí)水動(dòng)力荷載對(duì)閘門(mén)結(jié)構(gòu)的影響將會(huì)非常明顯，這也是閘門(mén)在局部開(kāi)啟過(guò)程中出現(xiàn)弱共振的主要原因。

2.2 流激振動(dòng)試驗(yàn)

流激振動(dòng)試驗(yàn)采用當(dāng)量相似閘門(mén)振動(dòng)模型，根據(jù)對(duì)原布置方案下臥門(mén)流激振動(dòng)試驗(yàn)分析，取得如下成果：

（1）在小開(kāi)度e=1m～4m時(shí)，門(mén)體底部測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度均方根值在0.1m/s2以?xún)?nèi)，在e=5m時(shí)，振動(dòng)加速度增大到0.17m/s2，隨后隨開(kāi)度增大，振動(dòng)加速度均方根值減小；門(mén)體頂部測(cè)點(diǎn)V2振動(dòng)加速度均方根值較大，橫向最大值達(dá)到0.42m/s2，切向和徑向最大值分別為0.124m/s2和0.28m/s2。支臂兩測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度均方根值最大值控制在0.3m/s2以?xún)?nèi)。

（2）閘門(mén)局部運(yùn)行中在一定開(kāi)度內(nèi)存在典型的弱共振現(xiàn)象。在閘門(mén)局部開(kāi)度e=2m～6m范圍內(nèi)，閘門(mén)下游水位在9.5m～13.5m之間，閘門(mén)存在弱共振。

（3）在小開(kāi)度e=1m時(shí)，主頻在8Hz～11Hz，而在開(kāi)度e=2m～6m時(shí)，主頻大多在4Hz～7.5Hz，而大開(kāi)度e=8m時(shí)，主頻大多在7.5Hz附近。當(dāng)閘門(mén)底部和頂部同時(shí)過(guò)水時(shí)，主頻大多在12Hz～15Hz。

（4）在不同閘門(mén)開(kāi)度及上下游水位的試驗(yàn)中，閘門(mén)局部開(kāi)啟4m、上游水位14.17m、下游水位7.5m～10.6m，閘門(mén)出現(xiàn)不同程度的共振，尤其在下游水位8.62m時(shí)，閘門(mén)出現(xiàn)強(qiáng)振；共振的主頻5.859Hz；在閘門(mén)局開(kāi)5m、上游水位13.5m、下游水位9.25m，閘門(mén)出現(xiàn)了較為強(qiáng)烈的共振；在閘門(mén)局開(kāi)3m以及6m～9m范圍，出現(xiàn)弱共振現(xiàn)象，而大開(kāi)度7m～9m范圍，閘門(mén)未發(fā)現(xiàn)明顯的共振現(xiàn)象。

（5）下臥門(mén)流激振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果顯示，該閘門(mén)在較多的泄流運(yùn)行工況下出現(xiàn)結(jié)構(gòu)較強(qiáng)振動(dòng)或弱共振現(xiàn)象，需要引起高度重視，并采取有效的抗振優(yōu)化措施予以處理，以確保工程運(yùn)行安全。

2.3 安全性結(jié)論與建議

經(jīng)優(yōu)化修改后推薦布置方案已妥善解決閘門(mén)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)烈振動(dòng)及弱共振問(wèn)題，不同運(yùn)行工況下運(yùn)行穩(wěn)定，安全可靠，可作為工程設(shè)計(jì)參考使用。下臥門(mén)泄流試驗(yàn)結(jié)果顯示，在調(diào)控水位（15.50m）下進(jìn)行泄水運(yùn)行時(shí)，閘門(mén)支鉸不受下泄水流的沖擊作用，支鉸結(jié)構(gòu)安全；當(dāng)泄水閘在設(shè)計(jì)洪水位（19.24m）和校核洪水位（20.80m）下臥倒全開(kāi)運(yùn)行時(shí)，此時(shí)上下游水位差小，流速量級(jí)不大，水流對(duì)閘門(mén)支鉸的沖擊力不大，不會(huì)對(duì)閘門(mén)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力安全產(chǎn)生不利影響。鑒于該泄水閘采用旋轉(zhuǎn)式下臥門(mén)特種門(mén)型，工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)尚待積累，雖然通過(guò)系統(tǒng)試驗(yàn)論證，對(duì)閘門(mén)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系列修改調(diào)整，提出了最終抗振優(yōu)化布置方案，但考慮到模型試驗(yàn)的縮尺影響和閘門(mén)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)制作和安裝精度等存在問(wèn)題，有些問(wèn)題難以在模型中得到全面反演，因此，建議工程建設(shè)期和完工后開(kāi)展泄水閘水力學(xué)及流激振動(dòng)原型觀測(cè)工作，以便積累運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，并為制定合理運(yùn)行操作規(guī)程提供科學(xué)依據(jù)。

3.結(jié)語(yǔ)

本工程常規(guī)孔泄水閘采用30m寬的下臥式弧形閘門(mén)在國(guó)內(nèi)類(lèi)似工程極少，具有結(jié)構(gòu)新穎、上部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、行洪時(shí)河道通透等特點(diǎn)，項(xiàng)目組委托南京水利科學(xué)研究院針對(duì)閘門(mén)結(jié)構(gòu)和布置進(jìn)行了數(shù)值分析、水力學(xué)及激流振動(dòng)模型試驗(yàn)研究，從而大大降低了工程的安全風(fēng)險(xiǎn)，該工程初步設(shè)計(jì)方案順利通過(guò)水利部水規(guī)總院的審查。