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九甸峡水利枢纽泄洪排沙洞深孔闸门设计与实践

2018-01-28

中国水利 2018年8期
关键词:排沙泄洪洞启闭机

冯 奋

(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司,730000,兰州)

一、工程概况

九甸峡水利枢纽为高坝大库,根据水工建筑物的布置要求,在放空泄洪排沙洞、发电洞引水系统、溢洪洞、导流洞等建筑物的水道上布置了15孔闸、栅,金属结构设备共设有拦污栅、闸门14扇,闸、栅槽埋件15套,启闭、检修设备12台(套)。

九甸峡水利枢纽泄洪洞进口事故检修门根据孔口特点,调整了以往高水头事故检修门多采用滚轮门的设计思路,进口水头78m的事故检修门型式采用滑动式平门,利用水柱闭门;出口水头92m的工作闸门采用具有特色的偏心铰弧门,满足了水库频繁开启调度、封水良好、检修方便、运行安全可靠的要求。

二、泄洪排沙洞深孔闸门与启闭机

泄洪排沙洞进口底板高程2 124 m,洞径 6 m,洞长 440 m,明流出流,洞出口底板高程2 110 m,是枢纽建成后高程最低的水道。

1.泄洪排沙洞进口事故检修闸门

事故检修闸门位于隧洞进口,封堵的孔口尺寸为4.8 m×6m(宽×高),设计水头按水库的正常蓄水位2 202 m计,圆整后为78 m,总水压力为30 870 kN。以往高水头事故检修门多采用滚轮支承,对于九甸峡水利枢纽泄洪洞进口事故检修门的设计,通过详细分析闸门的孔口尺寸和承压水头,对闸门采用滚轮支承和滑动支承进行了布置比较,从闸门及埋件的制造、安装难度及所配置的启闭设备的容量、运行,经过经济、技术综合分析,最终确定采用平板滑动钢闸门配设高扬程大容量启闭机的方案。门叶为箱形主梁等高齐平连接的焊接结构。闸门利用水柱动水闭门,顶、侧止水设在闸门的下游面,底止水设在上游面板上。顶、侧水封采用高水头φ60 mm圆头“P”形水封橡皮,底水封采用平板橡皮。主支承采用新型复合材料NL150滑道。闸门的操作方式为动水闭门,静水启门,利用门槽下游侧专设的大口径φ800 mm充水阀充水平压,当闸门前后水位差小于2 m时启门。闸门侧导向装置为悬臂式滚轮,设在边梁的腹板上,在门槽侧轨上支撑运行。

闸门门槽型式为Ⅱ型门槽,为防止高速水流对门槽埋件的空蚀破坏,门楣以下上下游均采用钢板衬护。混凝土采用抗滑耐磨的高强混凝土。为了保证闸门启闭无卡阻,门槽埋件采取通到墩顶设计。事故检修闸门采用1台高扬程平门固定卷扬式启闭机操作,启闭机布置在竖井顶部2 219.50 m高程启闭机房内,其容量为6 000 kN,起升高度 86 m,并配设 1台 500 kN桥式起重机满足检修吊装需要。

2.泄洪排沙洞出口工作弧门

(1)偏心铰弧门的选取

泄洪排沙洞出口设置1扇工作闸门,孔口尺寸 5 m×5 m(宽×高),设计水头为92 m。工作门具有孔口较大、承压水头高、运行工况复杂的特点,要满足闸门全关时止水严密的要求,还要满足闸门局部开启及闸门启闭过程中止水摩阻力最小的要求,在此工况下常规的闸门止水型式已不能满足要求。参考国内工程实例,经过对止水型式比选研究,采用偏心铰支承能满足在92 m高水头下所需止水结构的伸缩量大,且在设计水头下闸门能局部开启运行,且偏心铰还可灵活地使闸门面板与止水压紧或脱开,具有减小启闭力及止水元件磨损等优点。通过分析对比,出口工作闸门选用水流条件好、所需启闭力较小的偏心铰弧门作为主控制设备。

(2)闸门水力学研究和体型

为便于布置闸门止水及掺气减蚀,偏心铰弧门门槽段布置为突扩式跌坎体型。泄洪洞出口局部流速高达37.9 m/s,突扩式跌坎段后的高速水流空化、空蚀,是关系到整个泄洪洞能否正常运行的重要问题。为防止出口突扩段高速水流空化、空蚀,委托西北水利科学研究所进行了Lr=28的减压模型实验,对出口门槽段突扩式跌坎体型的合理性及空化特性进行了验证,在闸门全开工况下,由于突扩跌坎体型的影响,出口侧扩水流冲击侧墙产生水翅,较高水位下突扩跌坎处侧扩射流与边壁间形成侧空腔,底部射流与底板间形成底空腔,侧、底空腔相互联通。根据试验结果,通过4个方案的体型优化试验,对闸门全开工况及不同局开开度工况下的水流流态、水面线、压力特性、通气孔风速及掺气浓度、空化特性提供了试验数据及影响分析。最终确定门槽孔口顶部为1∶6的压坡,突扩宽度为△b=0.8m,跌坎高度 1.0 m,后接 1∶8 的一级变坡,闸墩两侧壁各设有1900mm×500 mm的通气孔直通底坎空腔,紧靠底坎部位两侧壁上各设φ800mm的通气管为底部补气。试验验证了易产生空化破坏的区域,同时对局开工况及小开度泄流时所产生的激溅水花对支铰部位的冲击情况进行了研究,为后续的设计提供了依据。

(3)闸门设计

泄洪排沙洞出口偏心铰弧门设计水头92 m,总水压力38 300 kN。采用偏心铰压紧式止水,利用偏心原理,借助偏心铰拐臂操作机构,推动闸门压紧设置在埋件上的止水,达到封水目的。偏心铰弧门的结构特点是:门叶前移的位移量可以很精确地由机械装置来实现,布置在埋件四周的止水橡皮的断面刚度较大。闸门靠机械力量前移,压紧止水橡皮至设计压缩量,从而严密封水。局开运行时,液压启闭机同时对闸门具有抑制震动的作用。偏心铰弧门采用两套止水,主止水为“山”形水封,布置在框形门槽埋件四周,用不锈钢螺栓及压板将其固定,辅助止水由门叶两侧预压式止水和门楣转铰止水组成。为了保证主止水的效果,闸门面板要求整体机加工。工作门是直支臂圆柱铰,门叶与支臂、支臂与铰链用高强螺栓连接。弧门的弧面半径为8 000 mm,支铰高度为5 900 mm,门叶的支承跨度为3 600 mm。门叶是双主横梁框架,主横梁为箱式梁,与次梁等高齐平连接结构。为防止含沙高速水流对闸槽埋件的冲刷磨损及空蚀破坏,对闸室段上下游底、侧作了钢板全衬护方案。

委托河海大学对泄洪洞工作弧门及水工结构布置进行了结构优化设计和三维有限元静力、动力仿真计算研究,为施工图设计及安全运行提供依据。仿真计算选用ANSYS有限元分析软件,模拟闸门真实工况,采用空间梁、空间杆、空间壳等单元模型,建立弧门的薄壳结构精细有限元计算模型,同时与闸室、牛腿受力部分建立了三维有限元整体耦合分析模型,进行整体计算分析。根据弧门受力后的位移变形分析,对各种工况下主梁的最大挠度进行了校核计算分析。对弧门在不同水头、不同开度工况下的动力特性进行了计算分析,为闸门的局开安全运行提供了依据。对偏心铰弧门常规运行状态下全关及全开时的启闭力进行了复核计算。全关状态最大水头作用时,启门力为1845kN,全开状态启门力为1672kN。

(4)偏心铰参数的确定

偏心铰的偏心半径、偏心角度和偏心位置为偏心铰弧门设计中3个重要的偏心参数。选择偏心参数主要遵循的原则是在保证弧门所需径向偏移量的前提下,减少副机的容量和行程,并使闸门弧面面板脱开主水封的间隙尽量均匀。弧门径向偏移量是由主止水最大压缩量和弧面板与主止水脱开后的间隙组成,在偏移量一定的条件下,偏心半径的大小直接影响副机的启闭容量。根据国内外已建工程弧面板与主水封的间隙一般为20~60 mm,九甸峡水利枢纽泄洪洞偏心铰弧门最后确定的间隙为23 mm,偏心半径取r=50 mm,偏心轴转角为60°。弧门后撤径向位移为50 mm,止水整体压缩比较均匀。

(5)启闭设备选型及布置

弧形闸门的主提升设备采用1台能施加下压力且吸振性能较好的QHSY-3000/1000kN-6.2m (主机)液压启闭机操作,偏心铰操作机构采用1台QHSY-3000/1000kN-2m (副机)液压启闭机操作。主、副机共用一套液压泵站,布设在放空泄洪排沙洞出口2 125.30 m高程的启闭机房内,液压站采用双电源作动力保证。弧门可在现地控制或在集控室远方控制。现地控制采用PLC可编程控制器控制。在启闭机房内配置了320 kN/100 kN桥式起重机1台,便于两台液压启闭机及闸门检修吊运。

三、泄洪排沙洞深孔闸门的设计特点及应用

①泄洪洞出口采用偏心铰弧形闸门,承压水头92 m,自投入运行10年来经历了全开、局开运行,至今状况良好。该闸门设计、制造、安装均达到国内较好水平,也为高水头下闸门采用突扩式门槽和偏心铰弧门的设计及应用提供了经验和参考。

②泄洪洞进口事故检修门调整了以往较高水头闸门采用滚轮门的思路,78 m高水头下闸门采用滑动型式,利用水柱闭门。操作设备选用6 000 kN、起升高度86 m的高扬程大容量卷扬启闭机操作,在国内单机本系列产品参数中名列前茅。投入运行近10年,运行状况良好,为以后高水头下平板闸门的设计及应用提供了经验和参考。 ■

参考文献:

[1]卢泰山,南晓红.九甸峡水利工程枢纽右岸泄洪洞减压模型试验报告[R].杨凌:水利部西北水利科学研究所实验中心,2006.

[2]张燎军,钱声源.九甸峡右岸泄洪洞弧形闸门和闸室结构静动力仿真分析研究[R].南京:河海大学水利水电工程学院,2006.

[3]尹成运,杨兵.九甸峡水利枢纽工程偏心铰弧门设计 [A]//水工机械技术2011 年论文集[C].北京:中国水利水电出版社,2011.

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