南欧江二级水电站泄洪冲沙闸大型平面工作闸门设计研究

崔　稚，曹慧颖，马仁超，余俊阳

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南昆明650051)



南欧江二级水电站泄洪冲沙闸大型平面工作闸门设计研究

崔稚，曹慧颖，马仁超，余俊阳

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南昆明650051)

针对南欧江二级水电站泄洪冲沙闸工作闸门存在的技术难题，采用三维有限元分析和物理模型试验相结合的方式，分析了大型平面工作闸门的结构受力特性和振动特性。通过在闸门设计方面采取了一系列创新措施，较好地解决了闸门结构优化、抗振、闸门淹没出流等问题。

大型平面工作闸门；结构优化；三维有限元；流激振动；底缘型式；主轮；南欧江二级水电站

1　工程概况

老挝南欧江二级水电站以发电为主，工程等别为二等大(2)型工程，总装机容量3×40 MW。工程采用堤坝式开发，主要建筑物由混凝土闸坝、两岸接头混凝土重力坝(非溢流坝段)、坝式进水口和河床式厂房等构成。

泄洪冲沙建筑物位于河床左岸，由7孔泄洪冲沙闸组成。泄洪冲沙闸工作闸门为大型露顶式平面闸门，孔口尺寸15 m×20.2 m(宽×高)，设计水头20.7 m，操作条件为动水启闭，局部开启，门后存在淹没出流工况。启闭设备为固定卷扬式启闭机。

2　设计研究背景

水电站工作闸门，特别是大型露顶式泄洪表孔工作闸门，常采用弧形闸门。弧形闸门具有启闭省力、运行可靠、门槽不影响水流流态、局部开启时泄流条件好等优点，但存在闸门所占的空间位置较大、支铰部位受力集中等问题，造成枢纽布置困难，投资大。

南欧江二级水电站为河床式闸坝电站，其坝高不大，坝身较薄，泄洪冲沙闸是电站主要的泄洪冲沙通道。泄洪冲沙闸工作门不仅要求频繁运行，且需局部开启调节流量。若采用弧形闸门作为泄洪闸工作闸门，则弧门半径会较大，支铰推力也比较大，需要的闸坝宽度、闸墩的厚度都较大，导致土建工程量大幅增加。而采用平面工作闸门，则可以减小闸坝宽度、闸墩厚度，大大减少土建工程量。

对于闸坝式电站而言，平面工作闸门数量较多，金属结构工程量也相对较大。因此，通过优化结构减轻重量对于有效降低金结设备造价乃至于整个工程的投资意义较大。平面闸门相对于弧形闸门而言，其过流流态、门槽水力学条件较为恶劣。尤其在闸门局部开启，门后的水位较高，淹没出流时，平面闸门发生振动的可能性大大增加。如何采取有效措施避免闸门振动，是大型平面工作闸门面临的重要技术问题。大型平面工作闸门由于支承跨度大，必然导致支承部位产生较大的变形，选择合适的支承形式十分重要。这对此类闸门的设计提出了新的要求。

3　设计研究内容

3.1设计研究方法

首先，建立闸门三维有限元模型(见图1)，模拟全水头条件下闸门的变形、支承的受力情况等；同时，研制闸门水弹性相似模型，测量闸门的模态特性[1]，通过水力学模型试验测量闸门门体的动应力、加速度及位移响应，提出合适的抗振措施。

图1　闸门三维有限元模型

3.2主要研究内容

3.2.1闸门梁格分布及结构优化

露顶式闸门承受的水压力为三角形分布，底部压力大，顶部压力小，基于此，通过沿闸门高度方向改变主梁高度及主梁间距的方式对闸门结构进行最大限度优化。大跨度闸门在主梁结构计算时，刚度计算是其控制因素，而弯应力偏富余，基于此，采用变截面主梁结构对门叶结构进行优化，在保证闸门强度、刚度的同时，节省了工程量。

同时，对优化后的闸门结构进行了闸门全关挡水工况下的有限元结构计算[2]，计算成果如图2和图3所示。结果表明，闸门结构除个别部位应力集中外，整体结构的Mises应力不超过151.0 MPa，满足《水利水电工程钢闸门设计规范》的要求，并且具有一定的安全余度。闸门X、Y、Z3个方向的最大位移分别为18.18、3.15、3.53 mm，最大合位移为18.24 mm，满足刚度要求。有限元计算结果说明优化后的门叶结构是安全的，而且为局部二次优化提供了指导。

图2　应力分布示意(单位：Pa)

图3　位移分布示意(单位：m)

3.2.2闸门底缘结构优化

常规的闸门底缘结构形式为开放式结构，这种结构形式在复杂水流条件下易出现局部负压和压力波动等不利现象[3]，增大闸门振动的风险。为优化闸门出流流态，避免闸门振动，采用全封闭底缘结构。

同时，建立了完全水弹性相似模型[4](模型几何比尺为1∶25)，对闸门的振动动力学特性进行了试验研究。试验成果如下：

(1)工作闸门门体压力特性。工作闸门局部开启及连续开启过程中，门体均没出现负压。工作闸门局部开启时，各测点脉动压力均方根值基本都在5.0 kPa以内，工作闸门连续开启时，脉动压力均方根最大值也只有13.7 kPa。

(2)流激振动动应力响应。工作闸门局部开启运行时，底缘距离底板小于5 m时，门体各测点动应力均方根值基本都在0.5 MPa以内；工作闸门底缘距离底板大于7 m时，靠近闸门底缘部位测点的动应力均方根值随闸门开度增大明显增大，最大均方根值为1.75 MPa。工作闸门连续开启过程中，大部分测点最大均方根值在量级上与闸门局部开启运行工况相同，均在较小值范围内。

(3)流激振动加速度与位移响应。各测点加速度均方根值及位移均方根值均在较小值范围内，加速度均方根值都在0.3 m/s2范围内，位移响应均方根值都在65 μm范围内。工作闸门连续开启过程与闸门局部开启工况相比，加速度最大均方根值在数值上略有增大，但均在较小值范围内。加速度最大均方根值为0.64 m/s2。

美国阿肯色河通航枢纽中心提出了以振动位移均方根值来划分水工钢闸门振动强弱的标准，即位移为0～0.0508 mm的振动可以忽略不计、位移为0.0508～0.254 mm的振动为微小、位移为0.254～0.508 mm的振动为中等、位移大于0.508 mm的振动为严重。由此位移判别标准，工作闸门在局部开启运行时的振动均属于微小量级。综合以上分析，工作闸门采用该设计底缘型式时，闸门上、下游压力分布合理，脉动压力荷载较小，闸门振动也属于微小量级，因而该闸门结构满足设计运行要求。

3.2.3主轮优化

主轮是将闸门水压力传递到门槽的重要零部件，一般主轮踏面结构为圆柱型表面。大型平面闸门由于支承跨度大(可达16 m以上)，主梁受水压力作用所产生的挠度(可达3～4 cm左右)传递到主轮上，导致主轮偏转，与轨道的接触方式由线接触变为点接触，支承位置发生变化。造成局部接触应力急剧增大，超过材料的屈服强度而引起塑性变形，进而损害主轮和轨道。通过研究，主轮采用双曲线表面结构，保证主轮与轨道的接触方式始终为点接触。

大型露顶式平面工作闸门尺寸大，闸门主轮众多，焊接加工后易引起变形，主轮踏面不一致，导致主轮受压不均。为保证主轮的踏面处于一个平面内，采用偏心轮设计，使每个轮子均可根据实测偏差进行调整，保证主轮均匀受压。

通过上述研究，南欧江二级泄洪冲沙闸工作闸门通过闸门梁格结构分布优化、闸门底缘结构优化、支承主轮结构设计优化等措施，减轻工程量达10%以上。最终的设计成果如图4、5所示。

图4　泄洪冲沙闸工作闸门三维模型

图5　泄洪冲沙闸工作闸门布置示意

4　结　语

针对南欧江二级水电站大型平板工作闸门存在的诸多问题，设计中对闸门进行了三维有限元分析，采用变截面梁设计，按等应力布置门叶梁格结构，在保证闸门强度、刚度的同时，有效减少了工程量。通过模型试验，并在此基础上加以分析，采用封闭式底缘结构形式，增加了底缘刚度、优化了门后水流流态。同时，采用双曲率偏心主轮，保证主轮与轨道的接触方式始终为点接触，并且每个轮子均匀受压。通过以上措施，较好地解决了该类闸门设计中的一些技术难题，为其正常投入运行提供了保障。

[1]招滨， 张林让， 宾仕勋， 等. 桥巩水电站泄水闸大型平面闸门流激振动模型试验研究[J]. 红水河， 2009, 28(2): 30-32．

[2]张燎军， 陈文龙， 叶华顺. 恒仁高孔平面定轮闸门三维有限元分析[J]. 水利电力机械， 2003, 25(1): 12- 15.

[3]章晋雄. 高水头平面事故闸门动水关闭水动力特性及门槽水力特性研究[D]. 北京： 中国水利水电科学研究院， 2013．

[4]吴杰芳， 张林让， 余岭. 闸门流激振动全水弹性模型试验的原型验证[J]. 长江科学院院报， 2005, 22(5): 62- 64．

(责任编辑高瑜)

Design Research on the Large Plain Service Gate of Flushing and Releasing Sluice in Nam Ou 2 Hydropower Station

CUI Zhi, CAO Huiying, MA Renchao, YU Junyang

(PowerChina Kunming Engineering Corporation Limited, Kunming 650051, Yunnan, China)

For solving the technical questions of flushing and releasing sluice service gate in Nam Ou 2 Hydropower Station, the three-dimensional FEM method and physical model test are applied to analyze the structure force characteristics and vibration characteristics of large plain service gate. The questions including structural optimization, vibration and submerged flow of plain gate are solved by adopting innovative measures on gate design．

large plain service gate; structural optimization; three-dimensional FEM; flow-induced vibration; bottom style; main wheel; Nam Ou 2 Hydropower Station

2016- 03- 08

崔稚(1971—)，男，山东曹县人，高级工程师，主要从事水电水利工程金属结构设计工作．

TV663(334)

A

0559- 9342(2016)05- 0074- 03