金属结构在水垫塘二道坝中的布置及应用

徐 庆

(陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001)

1 前言

本工程位于泾河下游峡谷，几乎控制了泾河的全部洪水泥沙，河流中泥沙含量高，洪水期能达到300 kg/m3，开发任务以防洪减淤为主，兼顾供水发电和改善生态等用途。枢纽建筑物包括混凝土拱坝、坝身排沙泄洪孔、水垫塘及二道坝、岸边引水发电洞和地下发电厂发等，工程规模为大(一)型，水库总库容33亿m3,电机装机规模100 MW。其中，二道坝和水垫塘共同组成拱坝下游的消能防冲设施，二道坝为水垫塘重要组成部分其作用主要是：大坝泄洪前，关闭二道坝中闸门对水垫塘蓄水，使水垫塘中水位满足泄洪消能要求。洪水期，大坝排沙泄洪孔弧形闸门打开后洪水落入水垫塘消能后，水垫塘中的洪水由二道坝顶溢流排入二道坝下游电站尾水池，以减轻因洪水期从大坝排沙泄洪孔排出的高速水流对河床的冲刷破坏。汛期过后，打开二道坝坝体中闸门对水垫塘中水进行泄流同时利用水流速度带走水垫塘中沉积泥沙，为下一次洪水期消能做好准备。

2 二道坝的布置

水垫塘位于混凝土拱坝下游，与二道坝共同形成水垫池，对洪水期大坝排沙泄洪孔排出的洪水消能。水垫塘的长度由排沙泄洪孔射流水舌的最远水平挑距和淹没水跃的长度确定，经计算结果表明1#和4#排沙泄洪孔挑射水舌射程最远，在下泄设计和校核洪水时最大挑距约为240 m～250 m是水垫塘长度的控制工况。二道坝高度因满足水垫塘水垫厚度要求，使入塘水流形成淹没水跃同时满足水垫塘底板冲击动水压力、脉动压力、抗浮稳定及抗震性能要求。其坝顶高程除满足水垫塘水位高度的消能要求外还需要满足拦挡下游机组满发水流时的水垫塘检修要求。经计算分析和实验确定二道坝坝高为41 m，坝顶宽度6 m，坝底最大宽度45 m，坝顶长度76 m。坝体内设有用于大坝泄洪前蓄水和汛期过后放空水垫塘的闸门，闸门底坎高程距二道坝坝顶高程为29 m。校核洪水情况下，水垫塘内水体体积为105万m3，水垫塘单位水体消能率为15 kW/m3。

水垫塘在汛期来临前通过大坝泄洪设施充水至二道坝坝顶高程，为了减少多次充水，整个汛期二道坝均为充满水的状态，即水垫塘内水位保持在二道坝坝顶高程。汛期过后，水垫塘中水位通过二道坝上检修放空孔排至其闸门底坎高程，其它季节水垫塘内水位均保持在二道坝内闸门底坎高程以下。因此，二道坝在洪水期大坝泄洪冲沙时二道坝不冲沙，二道坝挡水水头为水垫塘1000年一遇校核水位，即汛期二道坝坝顶洪水溢流高度超过二道坝坝顶高程12 m。在非汛期，大坝不泄洪时，水垫塘水位消落到二道坝坝顶高程时开启二道坝内检修放空孔进行冲沙。

3 二道坝金属结构布置及运行工况

水垫塘检修放空孔沿二道坝坝轴线方向距离泄洪中心线左右8 m处分别并排布置一孔，每孔分别设有一扇进口事故闸门，孔口尺寸1.8 m×2.2 m；一扇弧形工作闸门，孔口尺寸1.8 m×1.8 m和一扇出口反向防洪闸门，孔口尺寸1.8 m×2.2 m。大坝泄洪前，关闭检修放空孔闸门挡水，整个汛期水垫塘水位保持在二道坝坝顶高程，洪水期大坝泄洪底孔放水时洪水从跌入水垫塘消能后从二道坝坝顶溢流；汛期过后检修放空孔开闸冲沙，冲沙时先开启出口反向挡水防洪闸，再依次开启进口挡沙事故闸门和弧形工作闸门。非汛期二道坝前后水位保持在检修放空孔闸门底坎高程以下。二道坝检修放空孔闸门运行工况如下：①挡水工况。汛期来临前，提前关闭二道坝检修放空孔上下游事故闸门对水垫塘蓄水，使水垫塘中水位达到二道坝坝顶高程满足泄洪效能要求。下游防洪闸门最高挡水位为下游校核水位。②运行工况。进口事故闸门兼作挡沙闸门，事故闸门和弧形工作闸门启门水位均为二道坝坝顶高程，当汛期过后提前开启下游防洪闸门后，依次开启上游挡沙事故闸门和弧形工作闸门；汛前，水垫塘水位低于二道坝检修放空孔闸门底坎高程时，提前关闭上游挡沙事故闸门和弧形工作闸门。出口防洪闸门启闭水位均在二道坝检修放空孔闸门底坎高程以下时启闭。

3.1 进口挡沙事故闸门

进口挡沙事故闸门为潜孔式平面滑动闸门，由滑块支承，运行方式为动水闭门小开度提门充水平压后静水启门，汛期来临前下闸蓄水准备拦水挡沙，泄洪期间为事故闸门。孔口尺寸为1.8 m×2.2 m，挡水水头为42 m，启闭水头为29 m，顶侧止水布置在面板上游侧，门前设有一套清淤装置用于汛期过后水垫塘准备打开二道坝检修放空孔闸门冲沙放水前，利用清淤装置高压泵清除门前淤积泥沙，防止门前因泥沙淤积后与闸门面板固结后影响闸门启闭设备正常运行。闸门为整体制造运输，闸门结构主要材料为Q355D材质，支承采用自润滑材料滑块，水封材质为橡塑复合水封，埋件主要材料为Q235B材质。启闭设备选用液压启闭机，启闭机容量为启门力125 t闭门力为60 t，启闭机液压缸形成3.9 m。液压启闭机机架设有密封和进排气阀，用于闸门开启放水时防止水在压力作用下进入二道坝内液压启闭机控制室，同时在闸门开启时近排气阀可以保证闸门门后补气充分使闸门顺利运行。

3.2 弧形工作闸门

弧形工作闸门设计为双主梁直支臂结构，运行方式为动水启闭，可局部开启运行。孔口尺寸为1.8 m×1.8 m，挡水水头42 m，启门水头29 m，在汛期来临前空载闭门。弧面半径为4.5 m，支铰高度为3 m，顶水封采用双“P”型，侧水封采用方“P”型，门前设有一套冲淤装置。经计算，弧门面板计算厚度16.3 mm，考虑2 mm锈蚀余量实际选用20 mm；面板长边中点折算应力223 N/mm2<1.1×1.5×220=363 N/mm2，所以面板采用Q355D材质(许用应力220 N/mm2)；门叶结构主梁后翼缘折合应力142 N/mm2<[220 N/mm2]；弧门支臂平面内稳定应力97 N/mm2<[220 N/mm2]，平面外稳定应力105 N/mm2<[220 N/mm2]；计算启门力377 kN,闭门力341 kN。依据闸门计算结果，门体结构主要材料为Q355D材质，面板采用双相不锈钢，铰座铰链材料为ZG310-570材质，支铰轴承采用自润滑关节轴承。埋件主要材料选用Q235B材质。启闭设备选用液压启闭机，启闭机容量为启门力63 t闭门力为40 t，启闭机液压缸形成3.6 m。

3.3 出口反向防洪闸门

出口反向防洪闸门为潜孔式平面滑动闸门，汛期来临前水位低于闸门底坎高程时关闭闸门，防止汛期水垫塘消能后的水从二道坝顶部翻流进入尾水池后增加尾水池尾水高程，使尾水池池中的水反向从二道坝检修放空孔倒灌进入闸室，闸门运行方式为汛前水位低于闸门底坎高程时提前关闭，汛期过后尾水池内水位降低到闸门底坎以下时开启闸门。孔口尺寸为1.8 m×2.5 m，反向挡水水头28 m，顶侧止水布置在面板上游，闸门下游利用清淤装置高压泵清除门前淤积泥沙，防止门前因泥沙淤积后与闸门面板固结后影响闸门启闭设备正常运行。闸门为整体制造运输，闸门结构主要材料为Q355D材质，支承采用自润滑材料。液压启闭机机架设有密封和进排气阀，用于闸门开启放水时防止水在压力作用下进入二道坝内液压启闭机控制室，同时在闸门开启时进排气阀可以保证闸门门后补气充分使闸门顺利运行。

4 基于CATIA平台全设计流程BIM设计

本工程全部设计基于CATIA三维设计平台，对闸门参数化设计建立参数化模型数据库，只需要提前根据水工体型布置好闸门后，将满足水工要求的闸门原始尺寸输入数据库模型，就可以生成满足要求的三维模型，经过ansys模型结构进行强度计算满足规范要求后，用CATIA中工程图模块导入设计院制图标准后自动生成工程图纸。校核过程，通过CATIA三维运行仿真器功能根据真实模型放样模拟闸门启闭机在二道坝坝体内运输安装过程，避免实际安装运行中出现的问题，优化设计流程，提高产品质量，提高效率。

零件库的建立，以骨架发布元素为基础建立零部件建模所需要的点线面，通过建立起来的点线面，通过建立起来的骨架模型调用链接零件库中的参数化零部件。具体步骤为：用CATIA中用户自定义特征功能建立出方便调用的UDF，UDF通过catalog数据库管理系统分级管理。我们经过多个工程的实践对比，推荐建立三个层级管理比较方便实用，一级是零件库包括主梁UDF，纵梁UDF，边梁UDF等基础零件；二级是零部件库，包括各种滚轮或弧门支铰UDF和有装配关系但需要整体调用的零部件；三层是门体库单元，保存各种施工图阶段的模型，主要保存的是参数化骨架和与模型关联好可以自动调整的二维工程图，骨架上的零部件可以根据需要从一、二级零件库中重新调装成为新的模型。

5 结语

通过消力塘二道坝金属结构的布置设计，针对本工程特点有效降低洪水下泄冲击能量的同时，利用闸门开启二道坝泄水孔，在泥沙沉积以前将含泥沙量大的浑水下泄放空至二道坝放空孔闸门的底坎高程以下，降低消力塘内泥沙淤积高度，改善以往工程中需要人工清淤的成本和工期。同时，本次工程运用VPM平台协同设计，大大提高了设计效率和产品质量。