洋溪水利枢纽工程金属结构设计关键技术分析

2023-01-11樊冠桥

广西水利水电 2022年3期

梁献，张明，樊冠桥

（广西水利电力勘测设计研究院有限责任公司，南宁 530023）

1 概述

洋溪水利枢纽是柳江流域综合规划的第12 个梯级，位于广西柳州市三江县境内，柳江干流都柳江上，是柳江中下游的防洪控制性工程之一，也是国务院172 项节水供水重大水利工程之一，是以防洪为主，结合发电、航运等综合利用的大型水利枢纽工程，电站装机容量100 MW，船闸建设规模为III级船闸。

洋溪水利枢纽工程洪峰流量大、防洪调度复杂，闸门设计水头和操作水头高、总水压力大，金属结构设备规模大、类型多，包括溢流坝、电站厂房、船闸、鱼道、施工导流工程等水工建筑物的闸门及其启闭设备。金属结构设备总用钢量约16 190 t。其中溢流坝超大型潜孔弧形闸门、船闸超大型人字闸门及反向弧形闸门的设备规模在国内水电工程中名列前茅，金属结构设计的一些关键技术问题需要进行深入分析研究。

2 溢流坝金属结构设计的关键技术

洋溪水利枢纽工程初步设计溢流坝共设有1个泄洪高孔及9 个泄洪低孔，每个泄洪孔均依次设有事故闸门及工作闸门。受主河道宽度限制，泄洪闸门的宽度也受到限制，闸门型式为窄高型。泄洪高孔工作闸门孔口尺寸（宽×高）为7.00 m×18.71 m，设有1扇潜孔式弧形工作闸门，设计水头42 m，总水压力约55 000 kN，弧形闸门支铰总推力约60 000 kN。泄洪低孔工作闸门孔口尺寸（宽×高）为7.00 m×17.35 m，每孔设有1 扇潜孔式弧形工作闸门，设计水头50.15 m，总水压力约67 950 kN，弧门支铰总推力约70 000 kN。高孔闸门的启闭设备采用QHLY-2×6300 kN 液压启闭机，低孔闸门的启闭设备均采用QHLY-2×6300 kN液压启闭机。

对于溢流坝这种设计水头大、操作水头大、总水压力大、启闭机容量大的超大型潜孔式弧形工作闸门和液压启闭机，重点分析研究以下几方面技术问题。

2.1 弧形闸门布置

闸门及启闭机总体布置关系到整个枢纽工程的技术经济合理性和安全性，闸门布置要避免在闸前产生横向流、淹没出流和回流对闸门冲击，避免胸墙底部空腔产生“水-气锤作用”等不利影响。弧门支铰和启闭机支铰的布置是设计考虑的重点，弧门支铰高程对支铰受力及启闭力影响较大。对于本工程低孔弧形工作闸门，经过计算分析，在总水压力和启门力的共同作用下，并考虑1.1 的动力系数，当弧门支铰布置在下游设计洪水位以上1 m时，支铰总推力约为78 200 kN；当弧门支铰布置在下游校核洪水位以上0.5 m 时，支铰总推力约为85 000 kN；为了使弧门受力比较合理，并结合考虑泄洪水面线及水工布置的协调性，拟定弧门支铰布置在下游设计洪水位以上1 m 处（约为底槛以上1.11 倍闸门高度处）。这是符合钢闸门设计规范要求的。

2.2 弧形闸门结构设计

（1）梁系结构型式。泄洪高低孔弧门宽高比分别为0.37 和0.40，属于高窄型，这种宽高比很小的弧形闸门国内并不多见，设计需要考虑的梁系结构关键技术问题是闸门整体刚度及其门叶分节的问题。梁系结构主要有3种型式：主横梁同层布置、主纵梁同层布置、主纵梁叠层布置。考虑到主纵梁同层布置能够更好地解决高窄型弧形闸门整体刚度及门叶分节问题，因此，闸门的梁系结构采用主纵梁同层布置型式，即面板支承在垂直次梁和主纵梁上，而垂直次梁与主纵梁之间的高差，采用多根横梁支承前者，从而形成整体刚度较强的门叶结构。

（2）侧向装置型式。低孔闸门结构下游处于深度淹没状态，闸门振动位移明显，具有低频大振幅振动特征，尤以侧向和切向振动为大，因此，考虑在闸门结构每边侧向适当位置设置滚轮（精加工），保持与两侧导轨（严格控制制作和施工安装精度）的紧密接触，使之起到闸门侧向振动约束作用和导向作用，控制可能产生的低阶横向和扭转振动。

（3）水封装置型式。鉴于闸门结构水封漏水常常引发强烈自激振动，危害很大，因此选择适合的闸门底止水、侧止水、顶止水的型式及水封的材质，确保闸门在启闭过程中不出现有害的自激振动现象，减少空蚀和气蚀影响。

（4）支臂型式。支臂是弧形闸门的薄弱环节，国内发生的弧形闸门破坏事故相当部分是由于支臂失稳引起的，而支臂的动力稳定性又是问题的关键，应从结构上保证支臂的稳定性。本工程弧形闸门两种孔口高度分别为18.71 m 和17.35 m，面板曲率半径33 m，支臂长度达30 m，总水压力相当大，在国内属最大级别之一。对于这样的潜孔弧门，由于总水压力大、支臂长，支臂的稳定性尤为重要，考虑到直支臂配合支承钢梁的结构型式具有受力明确、无侧向推力、支臂抗扭性能好、支铰容易保证同心度的特点，因此，支臂型式采用直支臂。另外，由于门叶高度相当高，双支臂等荷载布置的型式难以解决门叶上部悬臂段的刚度问题，而三支臂可以使门叶上悬臂段减小，从而使悬臂段及闸门刚度得以保证，因此采用三支臂型式。

（5）支铰及支承型式。闸门每个支铰的最大总推力近40 000 kN，对支铰及支承的要求相当高，考虑到球形支铰具有受力明确、能够适当调节闸门制造安装误差的特点，弧门支铰采用铜基镶嵌自润滑球形支铰。对于支铰的支承型式，由于钢横梁型式比牛腿型式能够更好控制结构变形量及支铰的同轴度，因此采用钢横梁型式。支铰座直接支承的钢横梁上，钢横梁的两端通过预应力钢筋与闸墩连接，把闸门荷载传递到两侧闸墩。

2.3 闸门流激振动试验及数值模拟研究

目前弧形工作闸门的设计假定通常用平面假定体系，而弧形闸门本身是一个复杂的空间杆件及板壳系统，实际的应力、应变会与通常的计算结果有一定的偏差。而本工程弧形闸门尺寸较大，所以亦有必要根据通常平面假定体系并结合有限元分析进行设计计算和流激振动试验，相互验证，以便确定合适的结构形式，力求闸门结构的设计安全、经济合理。

（1）进行泄水低孔水力学试验研究与体型试验论证。针对弧形闸门布置特点，测量底孔进口及闸室段水流流态，流速、脉动压力、水面线、水流空化数等水力学参数；在运行水头变幅范围内，要求有稳定的水流。由弧门开启产生的水流不能影响建筑物的安全；在确保安全运行的前提下，力求体型经济合理。

（2）试验测定上游进口可能形成的漩涡、封闭气囊对闸门结构的不利动力作用，以及下游水跃对弧形闸门支臂、面板等局部结构和整体结构的冲击作用，以及由此导致的结构强烈振动问题。

（3）测定作用于弧形工作闸门的时均压力分布和脉动压力荷载，取得脉动压力能谱，优化闸门结构的型式。

（4）通过闸门结构流固耦合振动试验，研究工作闸门结构的流固耦合振动特性，测定弧形工作闸门的动力特性，取得不同开度条件下闸门结构流固耦合振动特性的变化规律，明确结构与水动力高能区的相互关系。判断工作闸门局部开启运行状态下出现强烈振动或共振的可能性，采用抗振优化措施以减免强烈振动或共振。

（5）通过全相似水弹性振动模型，研究工作闸门不同开度条件下的流激振动状况，及其在水动力荷载作用下的静动力响应特征。取得不同水位、开度组合条件下的振动加速度、动位移及其动应力等结构动力响应参数，给出诸振动参数的数字特征及其功率谱密度，明确振动类型、性质及其量级等，把握水动力荷载作用下闸门振动程度及其危害性。分析振动的性质、强度及其危害性。提出控制闸门产生强烈振动的措施和方法。

（6）研究论证闸门支臂的动力稳定性，确保闸门在不同运行条件下支臂结构的安全稳定。

（7）闸门结构动态优化设计。通过闸门水动力荷载试验，取得作用于闸门的时均动水压力，水流脉动压力荷载的量级及其能量在频域的分布特征；通过结构弹性模型试验取得闸门结构的模态参数；通过闸门水弹性振动研究，取得闸门结构的振动量级及性质。根据上述成果的综合分析，可以找出造成闸门有害振动的原因，在此基础上对闸门结构进行针对性动态修改。

（8）研究闸门结构满足局部开启要求的闸门抗振结构布置形式，提出结构抗疲劳、抗共振和强烈振动免振体型和结构布置。

（9）根据闸门流激振动模型试验成果，论证弧形工作闸门运行的可靠性和适宜的局部开启开度范围。提出正确合理的闸门局部开启泄水运行的操作规程，确保工作闸门结构乃至大坝的安全可靠运行。

（10）分析研究闸门支铰支承钢梁的静动力特性，论证支承钢梁会否发生结构共振的可能性，对存在问题采取有效措施予以解决。

2.4 闸门制造工艺问题

超大型弧形闸门设计除了结构有足够强度和刚度外，还要综合考虑制造加工、运输、安装等条件，对闸门进行合理分节。另外，为了保证潜孔弧形闸门的止水效果，对弧门制造安装精度要求很高，弧门面板表面需进行机加工，保证面板平面度和椭圆度误差满足规范及工程实际要求。这也是超大型潜孔式弧形闸门制造工艺考虑的关键技术之一。

本潜孔弧形闸门宽度7.00 m，高度约18.00 m，每扇闸门重量约550 t，不管采用主横梁结构还是主纵梁结构，横向分节还是纵向分节都有相当难度，经分析，拟采用主纵梁结构，纵向对称分两节，每节宽度3.5 m，再根据吊装和运输条件进行横向分节，每节重量约50 t。闸门面板表面加工时，可将每节门叶横卧逐一进行加工，全部加工完成后在厂内进行整体预组装，检查闸门制造加工误差合格后再分节运输。

2.5 启闭机选型布置

经过方案比较，闸门的启闭设备采用液压启闭机。如何确定液压启闭机支铰位置是启闭机布置设计的关键问题。经过分析研究，采用最佳行程的求解方法，一方面根据启闭力过程线尽量使初始启门力等于最终启门力，从而尽可能减小启闭机容量；另一方面根据液压缸和活塞杆的运动轨迹及结构特点确定启闭机最佳行程，尽量减小液压缸的长度，节省投资。经设计计算，启闭机容量拟定为2×6000 kN，行程11 m。该规模弧门液压启闭机在国内达到领先水平。

3 船闸金属结构设计的关键技术

洋溪水利枢纽工程船闸的建设规模为Ⅲ级船闸，有效尺度为190 m×23.5 m×4.8 m（有效长度×有效宽度×槛上水深），最大通航1000 t 级船舶。上游最高通航水位163.00 m，最低通航水位153.00 m；下游最高通航水位148.78 m，最低通航水位130.20 m。最大水级32.8 m。这么高水头的单级船闸在国内属于最高级别之一。

3.1 船闸上、下闸首工作闸门

船闸上闸首闸室宽度为23.7 m，孔口尺寸（宽×高）为23.7 m×15.8 m，设计水头15.8 m；采用卧式液压启闭机操作。船闸下闸首工作闸门孔口尺寸（宽×高）为23.7 m×38.8 m，设计水头32.8 m；采用卧式液压启闭机操作。

经过方案比较，上、下闸首工作闸门的型式拟用人字闸门。人字闸门结构构造复杂，由门叶结构（包括面板、主梁、次梁、隔板、推力隔板、门轴柱、斜接柱和背拉杆系统）、支承部分（包括支枕座和垫块、顶枢和底枢）、止水部分（包括竖向门缝止水和底槛止水）以及其它部分（包括闸门检修支承系统、锁定系统、润滑系统、对中导卡和工作桥）组成。对于这么高水头的人字工作闸门，重点分析研究以下技术问题：

（1）针对门叶结构的刚度、扭翘剪切变形、出现背拉杆为零杆以及疲劳裂纹的问题，要充分考虑并准确计算泥沙荷载、风阻力与启闭壅浪压力等所有可能的荷载组合。下闸首人字闸门高度近35 m，门叶在启闭过程中，在自重及外力作用下，会产生相当大的扭转变位，结构刚度问题尤为突出，要适当增大主梁高度、加强主梁间横向和斜向连接，特别是斜杆对人字闸门抗扭转变形的作用非常明显，要充分考虑其结构及受力特点，对开、关门运行工况人字闸门背拉杆预应力优化设计，通过计算分析选择合适的斜杆布置层数和结构尺寸，增强人字闸门结构的抗扭翘刚度。

（2）顶枢型式。常用的顶枢型式有两种，一种是用花篮螺栓调整的铰接框架式顶枢，另一种是采用楔块调整的三角形顶枢，大型人字闸门一般采用后一种。本工程属于超大型人字闸门，宜采用楔块调整的三角形顶枢，并采取抗疲劳措施，合理选择拉杆材料，如采用冲击韧性较好的优质低碳钢锻件，并选择合适的断面型式及尺寸，降低应力集中。

（3）底枢。人字闸门运行中很多问题出现在底枢蘑菇头及球瓦，因为底枢是人字门最重要、最复杂且故障最多，又最难于修理的支承与滑动受力部件。实际运行中不易检查，一旦发现问题，底枢蘑菇头及球瓦已严重受损，影响闸门的安全运行。因此，对下闸首人字门底枢及润滑结构进行专题研究：①根据工程实例调查结果和洋溪底枢轴承的设计参数，参考市场上大型轴承的加工能力等因素，对底枢轴承的形状、尺寸等提出初步设计方案，拟采用铜基镶嵌自润滑轴承。同时按照适当的比例模型进行缩比试验。②通过轴承选材试验、工况条件试验等，对各试验摩擦磨损机理进行分析，对磨损寿命进行推算。③在上述试验研究的基础上，对底枢轴承摩擦副的选型、设计及加工要求、运行维护、磨损寿命等提出建议方案。④抗疲劳措施。船闸人字门在开关门、关门充泄水的循环过程中承受的是典型的拉、压交变载荷，且交变应力幅大。人字门在施工过程中还存在安装偏差以及运行过程中的磨损可能使门轴柱产生偏心导致闸门开关过程产生卡阻现象，泥沙淤积及砾石对闸门产生局部应力冲击现象，加工制造过程产生的残余应力及表面缺陷问题，均可能导致闸门及部件出现疲劳破坏问题。因此在人字闸门结构设计中，需从选材、设计、工艺等方面采取措施来提高闸门的抗疲劳性能。⑤人字闸门启闭机。大型船闸人字闸门一般采用机械式四连杆启闭机和液压直联式启闭机机型，经综合比选和参考国内已建工程实际运用经验，洋溪船闸人字闸门启闭机选用卧式直联液压启闭机，人字闸门启闭机的设计原则是使启闭机工作力矩曲线与人字闸门运行时的阻力矩一致，以达到启闭设备规模最小、工作效率最高的目的。根据《船闸闸阀门设计规范》（JTJ 308-2003）相关规定，大型人字闸门应通过试验绘制阻力矩随时间变化曲线，并求得总阻力矩最大值来确定人字闸门启闭力。采用力矩平衡法计算启闭力。

3.2 输水廊道充、泄水工作闸门

在闸墙内两侧各设1条输水廊道分别用于闸室充、泄水，在每条输水廊道上、下闸首各设1 扇工作闸门，共4扇。工作闸门孔口尺寸（宽×高）为3.0 m×3.5 m，设计水头32.8 m；启闭设备各采用1 台QHSY-1250/250 kN液压启闭机。

输水廊道设计水头近33 m，无论是工作水头，还是水位变幅条件，难度居国内已建船闸前列，存在不少技术难题，需重点分析研究以下问题：

（1）门型选择。当船闸输水廊道工作水头较大（超过20 m）时，由于平面闸门存在门槽空化、门体振动及启闭技术较难解决的问题，一般采用弧形闸门，其中正向弧形闸门的闸门井位于闸门的下游，在闸门动水启闭过程中，门井水位的急剧降落可能造成大量吸气，掺气水流进入闸室危及船舶安全，而反向弧形闸门的门井位于闸门的上游，闸门井不会吸气，因此，采用反向弧形闸门是合理的。

（2）船闸输水廊道闸门常压和减压水力学、流激振动、启闭特性试验及三维有限元分析研究，包括闸门门体动水荷载、闸门启闭力及支铰荷载、闸门防空化措施和流激振动特性等技术问题，其中，闸门空化问题是高水头船闸设计中最为关键的技术难题。为减少高水头船闸闸门空化，主要措施有：①提高闸门底缘空化数，避免空化发生，如加大闸门开启速度、增大闸门处廊道的淹没水深、优化闸门段廊道体型；②采用门后廊道通气的工程措施，减弱空化溃灭冲击压力，另外，在廊道的闸门段采取钢板衬砌保护措施，保护廊道边界免遭空蚀破坏。

（3）船闸输水廊道闸门门楣体型与掺气布置1∶1 切片模型试验。大量工程原型观测成果表明：在高水头船闸输水闸门段，除闸门底缘较易发生空化外，在闸门开启过程中，因闸门面板与门楣形成的缝隙形状如文杜里管，而作用水头接近于上、下游水位差，门楣缝隙段更易发生空化，且强度远超过底缘空化，其空化类型属剪切型，噪声谱中高频能量突出，空化溃灭所产生的空蚀破坏作用较强。洋溪船闸上游水位变幅10.0 m，下游水位变幅16.53 m，上下游水位变幅大，现有船闸工程门楣线型很难适应如此大的水位变幅条件。通过门楣切片试验解决闸门顶缝空化问题，确保船闸运行安全。

（4）船闸输水系统反向弧门止水结构研究。洋溪船闸输水闸门工作水头达到32.8 m，闸门水封的工作条件恶劣，在非恒定高速水流条件下闸门的水动力学问题较为突出。开展船闸输水系统反向弧门止水结构研究，分析在闸门开启中闸门止水承受的各种复杂水流荷载作用情况、在高速缝隙水流作用下水封发生撕裂破坏的原因、闸门振动及空化空蚀等问题。