苏丹上阿溢流坝表孔弧门加装翻板门的设计与应用

杨娟丽

(中国水利电力对外有限公司，北京 100120)

苏丹上阿特巴拉水利枢纽项目(the Dam Complex of Upper Atbara Project)位于苏丹东部的卡萨拉州与加达里夫州交界处，距首都喀土穆公路约460 km。该项目由位于Atbara河的Rumela(C1-A标)和位于Setit河的Burdana(C1-B标)两座大坝及其附属工程组成，该枢纽主要功能为灌溉和供水，并兼顾发电。项目建成后，将形成两条河流联通的一个约30亿m3库容的水库，灌溉面积达50万公顷，为当地及周边700万人口解决灌溉用水问题，为300万人口提供饮用水保障，为上百万人提供电力供应，苏丹三分之一的人口将因此直接受益。对于促进苏丹经济发展、改善当地人民生活具有重要的战略意义。

发电厂房位于Rumela(C1-A标)大坝右岸下游，为坝后式厂房。电站装有4台混流式水轮发电机组，总装机容量320 MW，四条直径为8.8 m的压力钢管引水至水轮发电机组。

上阿特巴拉水利枢纽工程C1-A和C1-B标金属结构由厂房进水口、溢流坝、泄洪底孔及尾水系统的拦污栅和闸门组成，C1-A标还包括压力钢管，两标启闭设备由门机和液压启闭机组成。其中C1-A标溢流坝表孔设置1孔弧形工作闸门，C1-B标溢流坝表孔设置2孔弧形工作闸门，两标的弧门起升设备均为液压启闭机。

1 一体化表孔弧门设计方案

为实现苏丹上阿特巴拉水利枢纽蓄水和泄洪功能，在C1-A和C1-B标段均设计了表孔溢流坝段，上设弧形闸门。我们在分析水利枢纽的运行实际时发现，泄水闸门还需要满足调节水库的上游水位、排泄水面漂浮物等多种功能，这就需要弧形工作闸门长期在小开度开启状态下工作，一方面会影响弧门的使用寿命，增加维修和检修工作量；另一方面又难以实现水面漂浮物的排泄。为此我们与咨询经过多次沟通研究，经过对弧门面板厚度、实际过流能力、翻板门锁定机构形式、液压启闭机起升量、超高运输及分节安装等实际问题深入探讨，提出了弧形闸门门叶上加装弧形翻板门的一体化设计方案[1]。

弧门结构按双主横梁斜支臂布置，为增加弧门刚度和整体稳定性，梁系采用实腹式齐平连接。翻板门的侧边和底边与弧形闸门止水配合。弧门顶部铰接的翻板门由单独的液压启闭机操作[2]。表孔弧门和翻板门结构图见图1。

图1 弧门和翻板门结构图

表孔弧门和翻板门的设计是从结构强度、刚度和稳定性出发，要确保质量，做到技术先进、经济合理和运行安全可靠。首先综合考虑了支铰高程的合理设置，因为弧门支铰的位置直接影响到弧门承受的总水压力、面板弧长、闸门自重，进而影响液压启闭机的容量；其次是液压缸上悬吊点位置的合理选择，这直接关系到弧门启闭力的大小、闸门能否落到底坎或能否开启到设计高程；再次是弧门主框架悬臂长度的合理取值，因为合适的悬臂长度可以平衡设计荷载条件下主框架的内力值，这样可充分发挥钢材的性能，节省钢材[3]。只有遵循上述设计原则，才能达到技术可行、经济合理的目的。

2 弧门和翻板门设计计算

2.1 采用的设计标准

由于本项目咨询单位为德国拉美尔工程咨询公司(Lahmeyer International)，因此弧门和翻板门的设计计算采用以下德国、欧洲标准及日本标准：

DIN 19704-1，水工钢结构第1部分：设计和计算标准。

DIN 19704-2，水工钢结构第2部分：设计和制造。

DIN 18800-1，钢结构第1部分：设计和结构。

DIN 18800-2，钢结构第2部分：线性构件和框架翘曲安全性分析。

DIN 18800-3，钢结构第3部分：钢板翘曲的稳定性分析。

JIS，闸门和压力管道技术标准。

2.2 设计材料及标准

溢流坝表孔弧门和翻板门由弧门门叶、翻板门门叶、支臂装置、支铰装置、侧轮装置及附件(扶手、爬梯)等组成。主要材料为Q345B和1Cr18Ni9，支铰材料采用铸钢ZG310-570，支铰轴采用40Cr。

弧门和翻板门所用材料遵照国际标准执行，和中国标准等同的材料标准对应表见表1。

表1 材料标准对应表

2.3 设计计算

设计计算至关重要。根据上述设计原则，在拟定闸门梁格布置和相应构件尺寸的基础上，根据闸门孔口的性质和相关参数，计算梁格所受荷载，验算门叶厚度，次梁、隔板的结构强度和刚度。进行主横梁框架结构应力计算和稳定性计算，对闸门的启闭力进行核算，确定启闭机的容量，验算吊耳孔和支铰强度。

为了设计出弧门和翻板门的合理尺寸及容量满足要求的启闭设备，需要对以下方面进行一系列的结构力学计算，具体包括弧门的主横梁布置、框架荷载、主横梁总水压，支铰座中心压力、最大开度、支臂装配应力、锁扣安全分析、起升设备、弧门重心、弧门操作力及绞座等，以及翻板门主水平梁、旋转铰链及起升设备等方面的计算。

以C1-A标弧门为例，主要计算成果汇总表见表2。

表2 弧门主要计算成果汇总表 MPa

由表2计算结果可知，各项计算结构的强度和刚度均在容许范围内，且满足结构稳定要求，证明我们所拟定的闸门结构尺寸是合理的。表孔弧门和翻板门选用的液压启闭机均满足启闭要求。C1-A标和C1-B标溢流坝表孔弧门和翻板门及液压启闭机参数见表3。

表3 C1-A标和C1-B标溢流坝表孔弧门和翻板门及液压启闭机参数表

2.4 设计优化

设计计算完成后，还需结合加工制作过程的实际情况，对弧门和翻板门进行设计优化。例如，翻板门止水埋件使用的是安装在弧门门叶结构上的两道箱型梁，为保证整体刚度需要在加工时对箱型内部进行优化设计，布置加强筋板。对弧门门叶爬梯、弧门支铰座埋件锚筋及翻板门侧挡分节等局部设计进行优化。

优化后的一体化闸门不仅各主要构件的强度和刚度满足设计要求，而且结构空间布局合理，外观紧凑，操作灵活，大大减少了弧门的小开度启闭次数，减少了弧门的振动和止水的磨损，保证了弧门的正常运行实效。

3 设计优点

将表孔弧形闸门门叶设计为“凹”字型，上面加装弧形翻板门，组成一体化弧门形式，并配置不同启闭力的液压启闭机来单独操作运转弧门和翻板门。此种设计可根据水库实际水位调度需要，灵活启闭弧门或翻板门，自动化控制程度高，功能上各尽其用，运转安全也大为提高。同时可降低弧形工作闸门小开度开启的频率，避免弧门高频率的小开度开启而产生的倾斜、振动及止水磨损等问题，降低门槽气蚀几率，消除安全运行隐患。已安装的C1-A标和C1-B标表孔弧门和翻板门见图2。

图2 已安装的C1-A标和C1-B标表孔弧门和翻板门图

4 结 语

在有限的水工结构空间内，通过创新设计方法，在溢流坝表孔弧门上部开凹槽，加装翻板门，形成一体化弧门形式，实现弧门和翻板门兼具的泄洪、蓄水、控制水库上游水位以及排漂等多种功能。与常规的表孔弧门和翻板门相比，提高了操作灵活性，提高了自动化控制程度，简化了结构布置，降低了投资成本。本项目C1-A标和C1-B标溢流坝表孔弧门的一体化设计为表孔弧门的设计和应用提供了新的思路，应用前景广阔。

C1-A标和C1-B标溢流坝弧门和翻板门安装完成后经试验、验收，各项技术指标均满足设计和使用要求，值得推广应用。