滚弄水电站溢流表孔弧形工作闸门的设计研究

　　1、 工程概况

　　滚弄水电站位于缅甸联邦丹伦江上游的掸邦滚弄县户里乡境内，为怒江出境后第一个梯级水电站，也是丹伦江梯级开发方案中的第一级。水库正常蓄水位为 EL.519m，最大坝高 103m，对应库容为659 ×106m3，具日调节性能，装机规模为 1400MW，保证出力301.27MW，年发电量 7.09GW·h，年利用小时 5064h。

　　电站电能质量好，具有向缅甸和中国等地区的送电能力和区位优势，是开发条件好、技术经济指标较为优越的水电工程。

　　枢纽工程主要由混凝土重力坝，左岸坝后式地面发电厂房，坝身溢流表孔、坝身冲沙底孔，左右非溢流坝段和右岸导流兼泄洪洞组成。坝身溢流表孔是本工程的主要泄洪设施，布置 6 孔表孔，堰顶高程 EL.496.00m，平台高程 EL.523.00m，孔口宽度为 16m，设有溢洪道表孔检修闸门和溢洪道表孔工作弧门。采用 WES 堰型，后接 1:0.8 斜坡段和反弧段，下接消力池底板，采用底流消能作为基本消能方案。

　　2、 表孔弧形工作闸门及启闭设备的布置

　　溢流表孔金属结构设备由 6 孔 1 扇平面滑动叠梁闸门、6 孔 6 扇弧形工作闸门及相应启闭设备组成。弧形工作闸门孔口尺寸（净宽×净高）16.0m×23.0m，堰顶高程 EL.496.00m，底槛高程 EL.497.49m，以正常蓄水位 EL519.00m，作为弧门设计挡水位和操作运行水位，考虑涌浪高度和风荷载门叶取超高 0.6m，弧门总高度为 24.11m，弧门支铰高度根据泄放最高水位时不被冲刷和规范要求，确定为 EL.508.99m。

　　弧门面板半径取 26.0m。

　　FH>5000 属于超大型闸门，对于超大型、窄高型弧形钢闸门，若采用传统的双支臂闸门则整体刚度较差，在上支臂以上的门叶悬臂段将很大，其刚度很难保证，其内力也较大。对于大型弧形闸门，从结构布置的合理性与经济性看双支臂结构都不如三支臂结构。本闸门设计初步考虑为三斜支臂、主横梁、圆柱铰支承的露顶式弧形闸门。

　　闸门的操作条件为动水启闭，可以局部开启以控制流量，局开时要求避开闸门的振动区。闸门为双吊点，每套闸门采用 1 台悬挂式液压启闭机进行操作。液压启闭机的油缸一端设置在闸墩上，另一端和闸门吊轴连接。每套启闭机配置一套泵站，设置在闸墩内，每套泵站设两台互为备用的油泵电动机组，其控制方式按现地手动、现地自动和预留远方自动三种方式进行设计。启闭设备设置工作、备用双电源。其油箱，泵站和电气设备布置在位于闸墩上的启闭机房内。

　　3、 门叶及支臂结构的设计计算

　　该闸门门叶和支臂结构按现行的钢闸门设计规范采用平面体系计算方法，平面体系计算方法分为主横梁框架结构计算方法和主纵梁框架结构结算方法，滚弄电站表孔三支臂弧形闸门采用主横梁同层布置框架结构，利用 Mathcad 进行计算。根据初始结构基本布置情况，总水压力作用线和水平线的夹角为 12.9406°，采用三主梁荷载基本均分的原则，中支臂选择位于总水压力合力作用线上，为了减少上悬臂段，设计时尽量向上布置上主梁，下主梁在满足主梁下翼板与底槛水平夹角及结构布置要求的条件下，尽量向下布置。上、中支臂的夹角采用 15.8665°，中、下支臂的夹角采用 14.3239°。

　　重点对门叶面板、主梁、次梁、纵梁、支臂和支铰、吊耳等进行了强度、刚度和稳定性计算，经过计算，门叶面板选用主梁与支臂的单位刚度比取 5.4682；根据对闸门和启闭设备的总体布置进行了启闭力计算，选用容量为 2×5000kN，工作行程为 9.2m 的悬挂式液压启闭机进行操作。该闸门属超大型工作闸门，操作条件为动水启闭，有局部开启控制泄流量要求，因此材料容许应力调整系数根据规范取0.9，动力系数取 1.2，依据计算结果，确定采用主横梁同层布置方案，上、中、下主梁和上、中、下支臂均采用箱形断面，门叶水平次梁均采用工字钢，纵梁采用焊接工字型，上、中支臂之间，中、下支臂之间均采用纵向联接系联接，这种结构形式具有闸门整体刚度好，便于加工制造等优点。在弧门两侧的边梁上各布置有 6 个侧导向轮，可以有效的控制闸门偏斜，保证闸门运行平稳。弧门的侧止水为“L”形橡塑水封，其摩擦系数低，经工程验证，止水效果较理想，底止水采用常规的板形水封。闸门支铰轴承采用自润滑滑动轴承，但设计中仍保留有常规注油润滑油孔，作为自润滑不理想或失效时的后备措施。闸墩顶部设有机械锁定装置。门槽底槛埋件和侧轨埋件均为钢结构件，侧轨上设有水封和侧轮不锈钢座板。

　　4、 三支臂弧形闸门的 Inventor 模型及 ANSYS 有限元计算

　　斜支臂弧形闸门的门叶结构、支臂结构、支铰装置属于复杂的空间结构，在以往的采用 Auto CAD 二维平台设计二斜支臂弧形闸门中，斜支臂的扭角只能通过经验公式计算后，反过来表示在图中，闸门重心位置也是通过经验选用。而三支臂弧形工作闸门的支臂扭角更为复杂，用经验公式计算出的数据精确度差。而三维模型的建立，解决了这一在二维图中遇到的问题，根据闸门结构计算成果，运用Inventor 软件进行三维建模，直接以弧门主横梁的空间端点和支铰点的位置，即可做出支臂模型，直接测量到精确的支臂扭角，还能精确的测量出闸门重心的位置，有利于对弧门的启闭力进行较准确计算。

　　对于采用悬挂式油缸作为闸门启闭设备，闸门在启闭过程中是否会和油缸有干涉的问题，通过三维模型的旋转，也能较准确、简单的进行判断，避免了要对不同位置组合进行计算的复杂程序。

　　利用有限元法对该三支臂闸门从强度、刚度和稳定性等方面进行分析和复核，确定合理的整体结构型式及主要构件截面尺寸，同时针对三支臂弧形闸门结构设计计算中存在的问题进行研究，借助有限元软件 ANSYS Workbench 进行了仿真模拟分析以力求闸门的设计科学、合理、安全、经济，为目前工程经验少的三支臂弧形闸门提供了更多的结构优化设计技术支撑。

　　针对滚弄水电站三支臂弧形闸门这一工程实例，采用空间有限元法对三支臂弧形钢闸门进行结构计算，较好地体现出闸门的空间结构效应，更准确地反映出闸门各构件的受力情况，不仅可以达到验算传统计算方法的准确性，还可以节约材料、减轻闸门自重、优化闸门整体结构以及提高闸门的整体安全度。将平面体系计算和空间有限元两种计算方法计算出的闸门各构件上应力荷载及变形进行了对比与分析，从而验证了平面体系法计算的安全性。同时根据有限单元法解决在平面体系计算方法中存在的一些疑惑与问题，也为三支臂弧形闸门的优化提出一定的方向。

　　由整个闸门的 ANSYS Workbench 的计算结果可知，滚弄水电站三支臂弧形工作闸门的结构设计最大应力和刚度均未超过材料和构件的许用值，都有一定的富余度，存在可优化的空间。可以考虑面板厚度，上支臂与上主梁的横截面，起支撑作用的槽钢等结构的进一步优化。考虑启门力的闸门计算，在平面体系计算过程中，以下主梁与下支臂的剪力作为控制条件，但有限元计算结果表明，中主梁与中支臂也受到启闭力的影响，闸门的上主梁与上支臂等效应力、最大剪应力以及综合变形有所减小。中主梁和中支臂对应的各值有一定程度的增加。下主梁与下支臂的等效应力与最大剪应力的各值有明显的提高。在下阶段的设计中应给予重视。

　　5、 结束语

　　滚弄水电站表孔三支臂弧形工作闸门采用主横梁同层布置方案，上、中、下主梁和上、中、下支臂均采用箱形断面，在设计上不仅考虑了制造、安装要求，以及设备的先进性，更重要的是充分考虑了其运行的安全可靠性。经平面体系计算和三维有限元复核计算，闸门的强度、刚度满足设计规范的要求。