水电站高水头封堵门的优化设计及受力分析

刘 浩，孔 剑，张 莉

(长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010)

对于长距离深埋隧洞的引水式电站，为了节约工期，一般根据线路情况将隧洞分成多段同时施工以缩短工期，相应的布置多条施工支洞，待施工完毕，部分施工支洞采用混凝土进行永久封堵，部分施工支洞作为电站的检修通道，利用钢闸门进行封堵，电站运行时关闭封堵门，检修时开启封堵门对隧洞进行维护。

某引水式电站，施工支洞为马蹄形，在支洞与地下电站压力钢管连接处附近，局部浇筑钢筋混凝土，支洞截面缩小为2 235 mm×2 235 mm的方形，长37 m。在方形截面支洞端部埋设支撑埋件作为封堵门挡水时的支撑结构，封堵门中心高程587.6 m，设计水位高程1 055 m，封堵门中心的水头差467.4 m，属于超高水头，为减小封堵时产生渗流，在支撑埋件后焊接5 m长的方形钢衬。

1 封堵门设计难点

封堵门一般有平面式与椭球体式两种形式，低水头一般采用平面闸门[1-2]，高水头采用椭球式封堵门，平面封堵门制造简单，椭球体式封堵门受力良好，但占用空间较大，由于受洞室尺寸的限制，本工程选用平开式平面封堵门。为节省投资及便于后期的运行维护，封堵门不设置机械启闭，手动操作启闭，防止封堵门启闭时受到支洞底部污物的影响，封堵门底部不设置支撑轨道。

由于封堵门承受的水头差巨大，如果采用普通钢材，梁系按照常规的主横梁布置方式，为了满足强度与刚度要求，导致门体所用的板材增厚，梁高增大，梁间距减小，从而引起以下不利结果：①主梁间距小，无法布置进人孔；②钢板焊接变形大，影响材料力学性能与门体制作精度；③门体厚度大，现场无法安装与运行；④门体自重增加，启闭困难。

此外，由于闸门不设置启闭机，底部不设置支撑轨道，门体在自重作用下产生的倾斜力将会给启闭门造成很大困难。综上所述，封堵门设计面临两大难点：①承受接近500 m高的水头差，如此高的水头在国内外水电站中非常少见，另外门体厚度受到运行条件的制约，面板中布置进人孔等给都门体设计增加了难度。②无动力启闭装置，仅靠手动推拉门体进行启闭。

这些都超出了设计经验范围，现有的资料并无相关与类似的设计实例。针对第一个难点，本文从材料、门体结构布置及计算手段等方面进行改进。材料上采用压力容器高强钢板07MnMoVR[3]代替普通钢材，该材料强度高，可焊性强。结构上与常规的主横梁布置方式不同，门体采用主横梁与主纵梁的联合受力体系，因此不能按照相关规范[4]简化为平面问题进行计算[5]，选用ANSYS有限元程序对门体进行空间受力分析[6]，通过改变主梁间距、高度及板材厚度等关键因素，试算多种模型，得到优化合理的门体设计方案。针对第2个难点，弄清封堵门启闭过程中支座的受力特性与工作原理，采用自润滑滑动轴承与自润滑推力关节轴承联合受力的支铰形式能大大降低启闭力。自润滑滑动轴承减小门体转动时水平力在轴与轴套间产生的摩擦力，推力关节轴承减少门体自重在铰支座连接板间产生的摩擦力，确保依靠手动推拉能启闭封堵门。

2 封堵门计算分析

2.1 门体布置

门体厚750 mm，面板尺寸3 135 mm×3 135 mm。面板与翼缘板厚45 mm，腹板与加劲板厚30 mm，主横梁与主纵梁均匀布置，中间主梁下翼缘宽200mm，边梁翼缘宽400 mm，面板上布置直径为600 mm进人孔，并布置方形的检修门。门体右侧安装2个水平旋转的支铰，封堵门启闭时绕支铰旋转，挡水时，水压力通过门体支撑块传至隧洞四边混凝土墙面上，支撑跨度为2 835 mm。门体下游立视与俯视见图1。

2.2 有限元计算

根据门体布置，采用ANSYS19.0建立三维有限元模型，门体材料07MnMoVR的力学性能见表1，其弹性模量为206 GPa，泊松比为0.3，采用8节点的SHELL281单元进行网格划分，将水头差467.4 m的水压力荷载施加在上游面板与侧向腹板上，在4个边梁后翼缘上施加约束，有限元网格见图2。

表1 材料力学性能

根据相关的规范要求，材料容许应力[σ]=0.55×490=269.5 MPa。由于门体属于空间受力体系，因此采用Mises应力判断其强度，用三个主应力σ1、σ2、σ3表示为

门体Mises应力见图3，总变形见图4。由图3可知，门体最大Mises应力为244.2 MPa，发生在面板中部的区格内，小于材料的容许应力269.5 MPa，强度满足要求。由图4可知，门体最大变形为2.5 mm，也发生在面板区格中部，最大变形小于容许挠度[f]=2 835/500=5.67 mm，刚度也满足要求。

图2 门体有限元网格图

图3 门体Mises应力图(单位：MPa)

图4 门体总变形图(单位：mm)

2.3 支座计算

在启闭过程中，门体右侧受到支座的约束力可以分解为水平方向与竖直向上的分力。根据静力平衡方程，竖直向上的分力N3、N4与门体自重平衡，N3、N4大小相等，为106.5 kN，水平方向的分力N1、N2平衡自重对转动中心线产生的力矩，N1、N2大小相等，方向相反，大小为263.9 kN，受力简图见图5。

根据支座的受力特点，采用自润滑滑动轴承与自润滑推力关节轴承联合受力的铰支座形式。自润滑滑动轴承减小门体转动时水平力N1、N2在轴与轴套间

图5 支座受力简化图(单位：mm)

产生的摩擦力，推力关节轴承减少竖向力N3、N4在支座连接板间产生的摩擦力。按照摩擦力的大小选取合适的自润滑滑动轴承与推力关节轴承，经计算，当推力力臂为3 m时，790 N的推力能启闭封堵门，显然能通过手动进行启闭。铰支座装配图见图6，图6左侧与门体相连，右侧与支座埋件相连。

图6 铰支座装配图

3 结 语

通过在选材及结构上对水电站高水头封堵闸门进行优化设计，运用有限元计算出其应力及应变均满足设计规范，表明本设计所采用的如下的优化设计合理：

1)门体材料上采用高强钢板07MnMoVR，结构上采用主横梁与主纵梁的布置方式，减小了板厚与门体厚度，增大了主梁间距，减小了制造与安装难度；

2)支座上采用自润滑滑动轴承与自润滑推力关节轴承联合受力的铰支座形式，降低了平开封堵门的启闭力，使得手动即能启闭封堵门。