超大型潜孔斜支臂弧形闸门设计及试验研究

邬显强，郑建坤，刘 星

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，广东 广州 510623;2. 广西壮族自治区柳州水利电力勘测设计研究院，广西 柳州 545005)

落久水利枢纽是国务院加快推进的172项重大节水供水水利工程之一，其溢洪道弧形工作闸门孔口尺寸、设计水头和总水压力三项指标均处于国内同类闸门前列，该闸门要求任意开度，局部操作，使用频繁。闸门的结构稳定及抗振性能尤为重要[1- 2]。

传统的平面体系法主要计算主框架平面内受力情况，部分结构计算结果比实测值大20%～40%，在一些关键部位安全富裕度又不够。对于落久溢洪道弧形闸门这类大孔口，高水头弧门，门体刚度大，空间效应强，平面体系法计算很难准确反映整个闸门各构件间的空间变形协调关系[3- 4]。国内如周建方[5]、曾又林[6]等多位学者采用有限元计算方法对弧形闸门进行计算分析研究。刘世康[7]采用自编有限元程序对弧形闸门进行结构优化，刘礼华[8]，蔡元奇[9]等对弧门布置、结构尺寸进行一体化优化分析设计。但国内高水头、深孔弧形闸门有限元计算及优化设计研究主要集中在直支臂结构弧门，高水头、深孔弧门斜支臂结构方面研究较为少见。而这类闸门工况复杂，振动又受闸门结构、流道体型、运行工况、自然条件等多方面因素的影响，需要具体问题具体分析，试验研究必不可少[10- 12]。

本文以落久水利枢纽溢洪道超大型斜支臂弧形闸门为例，开展高水头、深孔斜支臂弧门有限元计算及流激振动研究，为类似超大型弧形闸门设计及安全运行提供参考。

1 工程概况

落久水利枢纽位是贝江干流规划七级开发方案中的第六个梯级，工程是以防洪为主，兼顾灌溉、城镇供水、发电和航运等任务的综合性水利枢纽工程。泄洪坝段共设5孔泄洪工作闸门，布置于溢流坝事故检修闸门的下游侧，平时水库水位维持在正常蓄水位153.50m运行，入库流量通过水轮机(发电)下泄；汛期按照水库的调度要求开闸泄洪，库内水位降低至汛限水位142.00m；当下游遭遇超标准洪水时，闸门关闭挡水，水库可蓄水至161.00m(防洪高水位)。

根据水工枢纽布置，工作闸门型式为潜孔斜支臂弧形钢闸门，液压启闭机操作，牛腿支承。闸门孔口尺寸10m×12.91m(宽×高)，底槛高程130.10m，设计水头30.9m，闸门面板半径21.0m，吊点距9.0m，支铰高度14.2m。溢流坝弧形工作闸门的操作方式为动水启闭、局部开启。选用2×3200kN弧形闸门液压启闭机操作，启闭机可现地和远方控制。启闭机采用1门1机的布置方式，启闭机油缸安装在闸墩上，油缸支承铰点安装高程157.892m。液压泵站设在坝顶161.80m的泵房内每台启闭机由1套液压泵站控制，共设5套泵站。枢纽泄洪坝段弧形闸门布置如图1所示。

图1 落久水利枢纽泄洪坝段弧形闸门布置图(高程单位：m)

2 闸门结构设计

2.1 结构优化布置

弧形闸门结构设计难点在于优化主框架结构布置，在保证闸门安全、可靠前提下，满足经济性的要求。该闸门跨度大，为保证闸门的整体刚度，便于制造安装，闸门采用主横梁结构。主横梁与左右支臂构成闸门刚性承重体系，闸门门体高度达到12.9m，高度大，可采用三支臂结构，但三支臂结构有三个主框架，结构布置复杂，制造安装难度大，为降低闸门制造、安装难度，闸门仍采用双主梁布置结构。

2.2 闸门平面体系计算

弧形工作闸门主框架设计采用平面体系假定进行分析计算，闸门面板按四边固定弹性薄板方法进行计算，并考虑2mm腐蚀裕度。承重构件的验算方法采用容许应力法，其他零部件均按有关规定验算其强度、刚度及稳定性。

闸门采用“π”型斜主框架，主框架计算简图如图2所示。

图2 主横梁“π”型斜主框架计算简图(单位：mm)

3 空间有限元法计算

3.1 有限单元法建模及参数选取

闸门有限元计算选取一个由壳单元、杆单元、块体单元在空间联结而成的组合有限元模型，面板、主横梁、纵梁、次梁、支臂等构件用8节点二次壳单元模拟，门叶斜杆用杆单元模拟，支铰用块体单元模拟。二次壳单元共12890个，块体单元共260个，杆单元共4个。节点数共37942个。

闸门结构材料为Q345(16Mn)，材料按线弹性材料模型计算。

材料参数：弹性模量E=206000MPa，泊松比μ=0.3，质量密度ρ=7.85g/cm3。

计算荷载：闸门在挡水条件下，承受上游水压荷载和自重，设计水头为30.9m。水压力考虑1.1的动力系数。

约束条件：闸门只有底部坝体的支撑约束和支铰的柱状约束(释放切向约束)。

3.2 计算结果分析

3.2.1应力结果

(1)横梁应力分布规律。中间大，两头小，上、中、下三根横梁中间下游面受拉，三根横梁应力值基本相同。主横梁受力最大位置在支座处(主横梁和支臂连接部位)，最大值为128.6MPa，这是因为支座处由于支臂的作用刚度加强，承受的剪力和面板传递的荷载较大。

(2)纵隔板应力分布规律。上悬臂段向下游弯曲，上游面受拉，上下主框架之间向下游弯曲，下游面受拉。与支臂相连的纵隔板应力较大，这是因为与支臂相连的纵隔板承受支撑的刚度最大，分担的荷载最多。

(3)支臂应力分布规律。翼缘、腹板基本上均匀受压，上、下支臂受力基本相等，应力比值约1∶1，靠近主横梁后翼缘位置压应力最大为104.2MPa，相对于材料的容许应力较小。很好地符合了上下主框架等荷载布置原则。支臂主要承受轴心压力，还承受主框架平面内和主框架平面外的双向弯矩作用，支臂发生双向弯曲变形，这是平面体系无法体现的。

(4)纵梁、面板和底梁交汇处受力复杂，虽然通过计算能满足要求，但考虑到实际制造安装可能存在缺陷，运行中会存在地震荷载、破浪荷载、漂浮物冲击等不可预知的荷载及长期钢板锈蚀对强度的影响等因素，闸门设计中应特别注意这类复杂应力区域。

平面体系与有限单元法计算结果见表1。

表1 闸门主要构件有限单元法计算结果与平面体系计算结果对比表

表1可知，平面体系与有限单元法两种计算结果基本吻合，但存在10%～15%以内的偏差，有限单元法能够反映闸门整体各构件的协同受力情况。对于空间效应较强的闸门仅仅从单一主框架去考虑是远远不够的，还需要考虑弧门空间作用，既要反映水平“π”型框架作用，又要反映竖向支臂框架作用。

3.2.2变形结果

(1)闸门总位移。闸门最大位移出现在中部，在门体面板位置，最大位移8.291mm，顶横梁最大位移6.5mm，上下主梁的位移分别是5.59mm和5.5mm。主梁跨中位移允许挠度为[f]=l/750=13.33mm，上下主梁刚度满足规范要求。中部横梁最大位移7.7mm，出现在跨中；纵梁及横隔板最大径向位移7.48mm，出现在跨中；支臂位移最大出现在第一道斜撑部位，最大位移7.1mm，上下支臂受压变形位移4.78mm。闸门总位移如图3所示。

(2)变形模式。对于闸门整体而言，闸门总位移最大出现在上下框架的中间面板梁格位置，其次变形发生在上部悬臂中段，主横梁在跨中位置变形最大，向下游弯曲。主横梁翼缘除发生弯曲变形外，还存在一定程度的扭曲变形。支臂发生压缩变形，支臂在弯曲矩面内发生弯曲变形，变形特征与理论吻合度高。闸门整体变形模式如图4所示。

图3 闸门综合位移

图4 闸门变形模式

4 流激振动试验研究

4.1 模型设计

试验的闸门门体及支臂结构采用完全水弹性模型进行制作，并展开动水作用下闸门流激振动特性研究。全水弹性模型既满足水动力学相似，同时满足结构动力学相似及流固耦合振动相似，能够较好的预报闸门结构的流激振动特性。

从本质上讲，闸门流激振动属于水弹性振动范畴，在动水作用下的运行符合如下动力方程：

(1)

4.2 工作闸门振动加速度特征

为获得闸门运行过程中的振动特性，在闸门的重点部位共布置8组三向振动加速度传感器。在161、153.5、146.5m三级水位下出现的较大振动加速度均方根值见表2。

事实上，闸门全开一部分测点的优势能量集中在低频段部分，大部分能量仍然集中在5Hz以内，另一部分测点的能量分布较宽，在10～25Hz。一方面反映了水流的低频作用，另一方面也可能是边界的影响。从表2看出，事故闸门全开时，上游水位下降后，振动加速度也随之降低。

闸门在设计水位161m高程下，门体与支臂振动加速度随工作开度变化折线图如图5—6所示。

从图5—6可以看出，上游水位161m，工作门局部开启运行时，闸门门体上各点对应方向上的振动加速度均方根值大小接近，小开度及大开度(尤其是大开度工况)时出现较大的数值。测量范围内的较大的ρ向振动加速度均方根值为0.76m/s2，θ向振动加速度均方根值为0.31m/s2，z向振动加速度均方根值为0.43m/s2，除去一些大值后多数在0.3m/s2以内。

表2 各级水位下出现的较大振动加速度均方根值 单位：m/s2

图5 局部开启门体振动加速度折线图(单位:m/s2)

图6 局部开启支臂振动加速度折线图(单位:m/s2)

闸门支臂上各点的振动加速度均方根值在大开度时出现较大的数值，且随着相应流态变化而变化，其中z向上的测点振动加速度均方根值相对较其他两个方向大。支臂ρ向振动加速度均方根值为0.36m/s2，θ向振动加速度均方根值为0.60m/s2，z向振动加速度均方根值多数在0.5m/s2以内。

5 结论及建议

针对落久水利枢纽溢洪道超大型斜支臂弧形闸门进行了结构设计、安全复核、振动试验的系统性研究，得到了以下几方面的结论，并在此基础上提出几点对应的设计意见。

(1)弧形闸门是一个受力复杂的空间薄板结构，对于落久水利枢纽溢洪道弧形闸门这种高水头、大孔口、总水压力大，斜支臂支承的弧形闸门，采用有限单元法和平面体系方法分别计算了弧形闸门挡水工况下闸门的应力与变形，计算结果相似度高，闸门的应力、变形满足规范要求。采用有限单元法计算，可以更准确地反映闸门的整体结构及各构件空间相互协调性。

(2)有限单元法计算时认为闸门主横梁前翼缘与面板完全粘结，成为一个整体。闸门制作时一定要采取措施，保证主横梁前翼缘与面板完全连接。由于支臂斜支臂扭曲的原因，支臂连接杆翼缘与支臂翼缘不在同一个平面，在放样、焊接时要特别注意。边纵梁底部有应力集中现象，此部位在安装时要注意。

(3)基于水弹性模型的试验研究表明，闸门工作振动优势频率集中在0～5Hz，且闸门振动强度随着水头的降低而降低。工作闸门小开度和大开度(尤其严重)二个区间存在较大振动，建议运行中避开上述区间进行泄流。水封漏水引起的闸门振动是工程上经常出现的现象。因此，水封材质的选取因考虑其耐久性和抗磨损能力。此外，严格控制止水的材质、制造及安装精度，从而有效避免止水漏水诱发闸门振动。