草街航电枢纽工程冲沙闸弧形工作闸门设计

刘永胜，何孟芸，贾仕开

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都610072)

1 工程概况

草街航电枢纽工程位于重庆市合川区境内草街乡附近的嘉陵江干流河段上，是重庆市境内嘉陵江自下而上规划的第2个梯级，是以航运为主，兼顾发电并具有拦沙减淤、改善灌溉条件等效益的水资源综合利用工程。草街水库正常蓄水位为203m，正常蓄水位以下库容为7.54亿m3，水库总库容为22.12亿m3;渠化航道里程为180km，船闸过船吨位为2×1000t;电站装机容量为500MW(4×125 MW)，多年平均发电量为19.96亿kW·h。枢纽建筑物从左到右由船闸、厂房、5孔冲沙闸、1孔与施工纵向围堰结合的泄洪闸、15孔泄洪闸和右岸挡水坝等组成，坝顶高程为221.50m。

2 弧形工作闸门及其启闭机的总体布置

草街航电枢纽工程冲沙闸共5孔，堰顶设置5扇弧形工作闸门，工作闸门前设1道检修门槽，5孔共用1扇平面滑动检修闸门。冲沙闸每孔宽14.8 m，闸门底坎高程178.0m，弧形闸门以正常蓄水位203.0m为设计水位，闸门正常挡水高度为25.0m，考虑风浪超高0.5m，弧形闸门高度为25.5m。

嘉陵江洪水具有峰高量大的特点，草街航电枢纽工程坝前校核洪水位为219.18m，高出正常蓄水位(203.00m)16.18m，坝后校核洪水位为217.69 m，泄洪时要求闸门全开，闸门的底缘需高于校核洪水位，则闸门开启高度大于40.00m。按可行性研究阶段选定的后拉式液压启闭机布置方案，受液压启闭机制造水平的限制，闸门全开至校核洪水水面线以上无法实现，采用接力式液压启闭机方案在布置上有干扰。根据枢纽总体布置以及消能计算分析和枢纽水工模型试验成果，经综合研究、比较，最终确定冲沙闸门最大开启高度为27.00m(此时闸门底缘高程为205.00m)。闸门下半部处于校核洪水水面线以下。

弧形闸门支铰一般宜布置在过流时支铰不受水流及漂浮物冲击的高程以上，但该枢纽泄洪时下游水位较高，如果布置弧形闸门支铰不受水流冲击，支臂将长达40多m;同时，支铰高程越高，弧形闸门总水压力增大，相应的金属结构工程量也会增加。考虑到嘉陵江流域内洪峰历时很短，为避免支臂过长，最终将弧形闸门支铰布置在2年一遇下游洪水位(197.88m)以上的200.00m高程。

弧形闸门采用双吊点后拉式液压启闭机操作，液压缸上端支铰中心高程为209.86m，每套液压启闭机设置1个独立的泵站，液压泵站布置在闸墩顶部221.50m高程的油泵房内。

草街航电枢纽工程冲沙闸弧形工作闸门及启闭机布置图如图1所示。

3 弧形闸门结构布置

弧形闸门的主要设计参数为:孔口宽度，14.8 m;底坎高程，178.0m;闸门挡水水位，203.0m(正常蓄水位);门顶高度，25.5m;支铰高度，22.0m;面板外缘曲率半径，31.0m;总水作用力，54349kN(包括风浪的作用力);支铰形式，ø630mm球铰;吊点形式，双吊点;吊点间距，13.4m。

3.1 结构形式

受枢纽总体布置方式及水力学条件的限制，冲沙闸为窄高型孔口，弧形闸门高度是宽度的1.72倍，采用主纵梁比较合理，但由于门宽较大，主纵梁式弧形闸门制造困难，主横梁与主纵梁2方案在重量上差别不大;从制造运输分节和安装方面考虑，主横梁方案分节方便，在现场安装焊接易于控制精度。因此，门叶采用了主横梁方案。双主梁弧形闸门上悬臂段太长，整体刚度差，运输、吊装时易变形，闸门局部开启的工况下抗振性能较差，为此，采用了3个主横梁与3个支臂结构的形式。

图1 草街航电枢纽工程冲沙闸弧形工作闸门及启闭机布置图

3.2 支臂位置的确定

3个支臂与3个主横梁在弧形闸门径向构成上、中、下3个Π形主框架，主框架截面形式为箱形焊接结构。为了减少上悬臂段挠度，设计时将上主梁尽量向上布置，最终上悬臂段长度定为8.497m。由于闸门吊耳设在紧靠下主梁悬臂段上方的纵梁腹板上，而且下游正常尾水位为181.190m(4台机组发电时)，为保证在下游正常尾水位闸门处于关闭状态时液压启闭机油缸下吊头不泡在水中，最终确定下主梁中心距闸门底缘弧长为2.471m。

3.3 弧形闸门支铰的选择

支铰作为弧形闸门的关键部件，其结构形式主要有3种:圆柱铰、圆锥铰和球形铰。其中使用最多的是圆柱铰，其结构最简单，造价也最低;圆锥铰虽然受力明确，但结构复杂、自重大、加工困难、支铰不易安装，草街水库冲沙闸闸墩采用预应力锚索，这使圆锥铰的固定更为困难;球形铰与闸门主框架计算假定的铰接条件相符，受力明确，以往很少采用是因为国内不生产需进口，造价较高。近年来，国内自行研制生产的自润滑球面滑动轴承在水电工程中已广泛应用，技术水平也已达到国外同类产品的水平，因此，经综合研究比较，决定采用球形铰。轴承选用GEW630HFZ056－2RS型自润滑球面滑动轴承，该轴承外圈轴向分缝，镶有铜基合金及自润滑材料，内圈表面镀铬，内、外圈材料均为GCr15SiMn，但内圈经热处理，机械性能大幅提高。

3.4 闸门结构设计

弧形闸门采用平面体系假定和允许应力方法进行结构设计及计算。其门叶和埋件结构有如下特点:

(1)门叶结构由面板、水平次梁、纵隔板和3道主横梁等构件组成，沿高度分为8节制造和运输，运到工地安装时焊成整体。

(2)3个支臂均为箱形断面，在上、中支臂及中、下支臂之间设有竖杆和斜杆，使上、中、下支臂连成整体并构成一个稳定的桁架结构。竖杆采用与支臂断面等高的工字形断面，斜杆采用2个槽钢构成的空腹式结构。支臂分成若干个单元运输，在工地安装时焊成整体。

(3)活动铰链和固定铰座采用ZG50Mn2铸钢，正火+回火处理;支铰轴采用30Cr2Ni2Mo，调质处理。考虑到弧形闸门支铰在排泄大于2年一遇的洪水时即淹没在水中，除球面滑动轴承自带密封外，还在轴承的密封端盖与轴之间另设一道格莱圈。支铰在闸门制造厂装配成整体并将活动铰链和固定铰座固定好，防止在运输中转动。

(4)门叶与支臂之间以及支臂与活动铰链之间均采用螺栓联接。

(5)门槽埋件中的侧轨兼作侧水封座，侧止水不锈钢座面为嵌入式，以减轻泄洪时泥沙对不锈钢座面的磨损。

草街航电枢纽工程冲沙闸弧形工作闸门结构布置如图2所示。

4 启闭机选型

经布置计算，采用后拉式双吊点液压启闭机，启闭机容量为2×5000kN，行程为13.5m，闸门启闭方式为动水开启、自重闭门。当时国内尚无如此大容量和行程的露顶式弧形闸门液压启闭机的制造和运行实例，但具备制造条件。

液压启闭机的主要技术参数为:启门力，2×5000kN;工作行程，13.5m;最大行程，13.7m;油缸内径，700mm;油缸外径，813mm;活塞杆直径，390 mm;有杆腔压力，18.8MPa;无杆腔压力，0.5MPa;启门速度，0.6m/min(可调)。

液压启闭机包括油缸总成、液压泵站及电气控制系统。

考虑到泄洪时液压启闭机油缸会受水流的冲击并可能全部浸入水中，为安全计，采用陶瓷活塞杆和与其相匹配的集成于CERAMAX的CIMSMKⅡ行程测量系统，测量精度±1mm，防护等级IP68。

液压缸活塞杆为进口博世力士乐集团荷兰力士乐海卓丹公司产品，材质为S355J2G3，正火处理，表面喷涂CEC1.0陶瓷层。

图2 草街航电枢纽工程冲沙闸弧形工作闸门结构布置图

在液压启闭机总体布置过程中，由于工作行程较长，拟在油缸中下部设置托架，以减少油缸的挠度，但由于托架易受水流冲击或漂浮物的影响，为液压启闭机安全运行考虑，不宜采用利用托架来减少油缸挠度的方案。

博士力士乐公司针对油缸的挠度及屈曲计算开发了一套程序，该程序综合考虑了布置形式、各部分的间隙、安装误差等因素，其计算结果包括弯曲安全系数、活塞杆最大综合应力、最大挠度值以及导向套所受的压应力。

国内目前对于受拉的活塞杆细长比要求≤250，未对挠度提出具体要求，博士力士乐公司的允许挠度值为L/125(L为上、下铰点之间的距离)，比较而言，对于受拉的活塞杆，采用挠度进行控制更为可靠，但允许挠度值有待进一步探讨。博士力士乐公司对油缸进行计算时所考虑的因素比较全面，但其计算的合理性有待工程实践验证。

液压启闭机双缸同步系统采用双回路调速阀+旁路比例阀纠偏+行程检测装置的闭环控制系统，2个油缸同步误差控制在10mm以内，与国内相比，其同步系统的配置属中上水平。液压启闭机的泵站共有2台电动机，同时工作，互为备用，每台电动机容量为75kW，油泵为手动变量柱塞泵，共有2台，每台额定排量为185mL/r，最大排量为270mL/r。

5 试验验证

该弧形闸门的结构尺寸较大，支臂长，刚度相对较弱。在校核水位泄流时，闸门下半部仍处于水面以下，水流流态复杂，闸门支铰受正向水流的冲击与回水的淹没打击。为确保该弧形闸门在各种工况均下能安全、可靠运行，特进行了闸门结构的流激振动模型试验研究，模型按重力相似准则设计，试验研究结论如下。

5.1 冲沙闸水动力荷载作用特征

作用于闸门结构的水动力荷载主要包含时均动水压力和脉动压力2部分，水流脉动荷载又是诱发闸门强烈振动的基本振源。试验结果显示，随着闸门开度的增大，作用于上游面的脉动压力随之增大。脉动压力均方根较大值出现在开度16.2m时的底缘部位，分别为2.338kPa和9.710kPa，占测点作用水头的4.0%和16.7%。流态观测发现这些部位受到闸墩收缩引起的闸前波浪影响较大，对门体产生冲击作用，因此脉动压力较大。门后部位由于受到临门水跃的冲击，不同部位的脉动压力较大值出现在不同的开度，较大脉动压力均方根值出现在5.4m开度时的下游底缘部位，分别为5.632kPa和6.292kPa，占作用水头(16.6m)的3.4%和3.8%。作用于支臂的脉动压力较大值出现在5.4m开度时，均方根值分别为5.291kPa和5.507kPa，占作用水头的3.2%和3.3%。闸门最大开度时(上游水位Hs=208.85m，下游水位Hx=207.30m)，闸门面板上游面较大脉动压力均方根值分别为1.890kPa和2.181kPa，占总水头(3.85m)的4.9%和5.7%;门后脉动压力较大均方根值分别为1.324kPa和1.266kPa，分别占作用水头的3.4%和3.3%;支臂上脉动压力均方根值较大值分别为2.215kPa和1.602kPa，分别占作用水头的5.8%和4.2%。由水流脉动压力的谱分析可知，作用于闸门体的脉动压力主能量主要集中在1.00Hz以内，部分测点的脉动压力在2.00Hz以内。

5.2 闸门流－固耦合振动模态特性分析

闸门结构动力特性分析表明，在流－固耦合状态下，支铰和启闭机活塞杆共同约束下的闸门振动基频为1.75Hz，反映闸门整体一阶横向弯曲振动变形。

在闸门支铰和面板两侧止水共同约束条件下，同时考虑流体的耦合作用影响，闸门结构的一阶振动基频为4.71Hz。流－固耦合作用计算结果表明，若考虑水体附加质量对闸门振动特性的影响，闸门结构的一阶振动基频较空气状态下降30%，二阶频率下降22%，符合一般规律。若考虑启闭杆的弹性作用及流体影响，反映启闭杆的基频为1.35Hz，闸门整体切向振动频率为3.80Hz，面板一阶弯曲频率为4.96Hz。

5.3 闸门结构的流激振动试验

在进行不同工况下的闸门水动力荷载作用研究后，对经过动态优化后的闸门结构进行水弹性振动试验，以论证该闸门的运行安全性。闸门模型采用全水弹性材料，水弹性模型同时满足几何尺寸、质量密度、阻尼、弹性模量、水流动力参数的相似性，根据相似原理，得出闸门结构各参数的比尺要求。

试验结果表明，闸门振动随上、下游水位和闸门开度的变化而变化。在Hs=200.00m，Hx=191.35 m，闸门局部开启的情况下，闸门门叶部分最大径向(ρ向)、切向(θ向)及侧向(z向)振动加速度均方根值分别为0.581，0.406，0.137m/s2;闸门支臂部分最大径向(ρ向)、切向(θ向)及侧向(z向)振动加速度出现在闸门小开度，分别为0.213，0.386，0.704m/s2。闸门结构各部位的振动量具有如下特征:闸门支臂侧向振动量相对较大，下部支臂的振动量比上部支臂要大，门叶下部的振动量比上部要大。这与该结构运行过程中的受力特征密切相关，较大的振动开度出现在2.00～7.24m范围，此时闸门下游出现临门水跃或淹没水跃作用，这是需要避免的。

若上游水位保持200.00m、下游水位下降至186.40m，在闸门局部开启情况下，门叶部分径向(ρ向)、切向(θ向)及侧向(z向)最大振动加速度均方根值分别为0.487，0.259，0.139m/s2;闸门支臂部分径向(ρ向)、切向(θ向)及侧向(z向)最大振动加速度均方根值出现在闸门小开度时，分别为0.202，0.495，0.523m/s2。该工况在开度处于2.43 m以内出现1个振动峰值。闸门开度大于2.43m以上时，闸下出流出现自由明流状态，闸门振动量明显减小。

在上、下游高水位情况下，弧形闸门处于全开状态，但闸门下半部仍处于水面以下，较大振动量出现在上游水位208.85m、下游水位207.30m。闸门门叶径向(ρ向)、切向(θ向)及侧向(z向)最大振动加速度均方根值分别为0.515，0.094，0.049m/s2;闸门支臂部分径向(ρ向)、切向(θ向)及侧向(z向)最大振动加速度均方根值分别为0.306，0.211，0.276m/s2。从振动加速度均方根值可以看出:门叶径向振动加速度大于其他2个方向;支臂θ向、z向振动加速度大于门体面板部分;门体面板部分ρ向振动加速度大于支臂部分振动加速度。

从水位变化对闸门振动的影响角度考察，上/下游高水位、闸门全开时的结构振动量较低水位、闸门小开度时要小，其中高度淹没情况下闸门支臂部分的最大振动量约为临门水跃作用下振动量的1/2。说明临门水跃作用是使闸门产生较大振动的主要动力源。

试验结果表明，考虑流－固耦合作用时，在支铰和启闭机活塞杆共同约束下，闸门一阶振动模态基频为1.75Hz，频率偏低，有可能与水流脉动压力基频相重合;但若考虑面板两侧止水约束，闸门一阶振动模态基频上升为4.7Hz，不会发生结构共振。

结构流激振动试验数据:闸门门体部分面板最大振动应力均方根值为0.826MPa，主横梁部分最大振动应力均方根值为1.091MPa，纵梁(隔板)部分最大振动应力均方根值为1.170MPa，支臂部分最大振动应力均方根值为2.300MPa，最大弯曲振动应力均方根值为0.760MPa。动力稳定分析表明，支臂不可能发生动力失稳现象。

6 结论

(1)草街航电枢纽工程于2010年4月26日正式蓄水，冲沙闸金属结构设备均投入运行并经历了当年汛期泄洪的考验，各设备运行状况正常，确保了枢纽安全运行，同时也验证了设计的合理性和制造、安装的质量。

(2)草街航电枢纽工程冲沙闸弧形工作闸门的工况条件在国、内外的工程实例中并不多见，对于闸门的振动在设计中应予以足够的重视，对流激振动的危害性应进行预估或评估。首先应防止共振的发生，其次要预防自激振动的出现并采取相应的措施，再者要防止支臂的动力失稳。草街航电枢纽工程冲沙闸弧形工作闸门的设计、模型试验和运行，为今后类似闸门的设计提供了参考依据。

(3)对于闸门振动危害性的判断，国、内外目前还没有一个完整的判断依据，国外有的以振动位移的大小作为判据，也有的以振动频率和振幅值来鉴别危害程度。实际上，影响闸门振动的因素很多，用个别参数的量值作为判别振动危害性的依据，显然是不全面的。因此，对闸门振动危害性的判据需要进一步研究，提出一个完整的判断依据，即可全面提高闸门的设计水平。