草街航電樞紐工程沖沙閘弧形工作閘門設(shè)計

劉永勝，何孟蕓，賈仕開

(中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院，四川成都610072)

1 工程概況

草街航電樞紐工程位于重慶市合川區(qū)境內(nèi)草街鄉(xiāng)附近的嘉陵江干流河段上，是重慶市境內(nèi)嘉陵江自下而上規(guī)劃的第2個梯級，是以航運為主，兼顧發(fā)電并具有攔沙減淤、改善灌溉條件等效益的水資源綜合利用工程。草街水庫正常蓄水位為203m，正常蓄水位以下庫容為7.54億m3，水庫總庫容為22.12億m3;渠化航道里程為180km，船閘過船噸位為2×1000t;電站裝機容量為500MW(4×125 MW)，多年平均發(fā)電量為19.96億kW·h。樞紐建筑物從左到右由船閘、廠房、5孔沖沙閘、1孔與施工縱向圍堰結(jié)合的泄洪閘、15孔泄洪閘和右岸擋水壩等組成，壩頂高程為221.50m。

2 弧形工作閘門及其啟閉機的總體布置

草街航電樞紐工程沖沙閘共5孔，堰頂設(shè)置5扇弧形工作閘門，工作閘門前設(shè)1道檢修門槽，5孔共用1扇平面滑動檢修閘門。沖沙閘每孔寬14.8 m，閘門底坎高程178.0m，弧形閘門以正常蓄水位203.0m為設(shè)計水位，閘門正常擋水高度為25.0m，考慮風(fēng)浪超高0.5m，弧形閘門高度為25.5m。

嘉陵江洪水具有峰高量大的特點，草街航電樞紐工程壩前校核洪水位為219.18m，高出正常蓄水位(203.00m)16.18m，壩后校核洪水位為217.69 m，泄洪時要求閘門全開，閘門的底緣需高于校核洪水位，則閘門開啟高度大于40.00m。按可行性研究階段選定的后拉式液壓啟閉機布置方案，受液壓啟閉機制造水平的限制，閘門全開至校核洪水水面線以上無法實現(xiàn)，采用接力式液壓啟閉機方案在布置上有干擾。根據(jù)樞紐總體布置以及消能計算分析和樞紐水工模型試驗成果，經(jīng)綜合研究、比較，最終確定沖沙閘門最大開啟高度為27.00m(此時閘門底緣高程為205.00m)。閘門下半部處于校核洪水水面線以下。

弧形閘門支鉸一般宜布置在過流時支鉸不受水流及漂浮物沖擊的高程以上，但該樞紐泄洪時下游水位較高，如果布置弧形閘門支鉸不受水流沖擊，支臂將長達(dá)40多m;同時，支鉸高程越高，弧形閘門總水壓力增大，相應(yīng)的金屬結(jié)構(gòu)工程量也會增加?？紤]到嘉陵江流域內(nèi)洪峰歷時很短，為避免支臂過長，最終將弧形閘門支鉸布置在2年一遇下游洪水位(197.88m)以上的200.00m高程。

弧形閘門采用雙吊點后拉式液壓啟閉機操作，液壓缸上端支鉸中心高程為209.86m，每套液壓啟閉機設(shè)置1個獨立的泵站，液壓泵站布置在閘墩頂部221.50m高程的油泵房內(nèi)。

草街航電樞紐工程沖沙閘弧形工作閘門及啟閉機布置圖如圖1所示。

3 弧形閘門結(jié)構(gòu)布置

弧形閘門的主要設(shè)計參數(shù)為:孔口寬度，14.8 m;底坎高程，178.0m;閘門擋水水位，203.0m(正常蓄水位);門頂高度，25.5m;支鉸高度，22.0m;面板外緣曲率半徑，31.0m;總水作用力，54349kN(包括風(fēng)浪的作用力);支鉸形式，?630mm球鉸;吊點形式，雙吊點;吊點間距，13.4m。

3.1 結(jié)構(gòu)形式

受樞紐總體布置方式及水力學(xué)條件的限制，沖沙閘為窄高型孔口，弧形閘門高度是寬度的1.72倍，采用主縱梁比較合理，但由于門寬較大，主縱梁式弧形閘門制造困難，主橫梁與主縱梁2方案在重量上差別不大;從制造運輸分節(jié)和安裝方面考慮，主橫梁方案分節(jié)方便，在現(xiàn)場安裝焊接易于控制精度。因此，門葉采用了主橫梁方案。雙主梁弧形閘門上懸臂段太長，整體剛度差，運輸、吊裝時易變形，閘門局部開啟的工況下抗振性能較差，為此，采用了3個主橫梁與3個支臂結(jié)構(gòu)的形式。

圖1 草街航電樞紐工程沖沙閘弧形工作閘門及啟閉機布置圖

3.2 支臂位置的確定

3個支臂與3個主橫梁在弧形閘門徑向構(gòu)成上、中、下3個Π形主框架，主框架截面形式為箱形焊接結(jié)構(gòu)。為了減少上懸臂段撓度，設(shè)計時將上主梁盡量向上布置，最終上懸臂段長度定為8.497m。由于閘門吊耳設(shè)在緊靠下主梁懸臂段上方的縱梁腹板上，而且下游正常尾水位為181.190m(4臺機組發(fā)電時)，為保證在下游正常尾水位閘門處于關(guān)閉狀態(tài)時液壓啟閉機油缸下吊頭不泡在水中，最終確定下主梁中心距閘門底緣弧長為2.471m。

3.3 弧形閘門支鉸的選擇

支鉸作為弧形閘門的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)形式主要有3種:圓柱鉸、圓錐鉸和球形鉸。其中使用最多的是圓柱鉸，其結(jié)構(gòu)最簡單，造價也最低;圓錐鉸雖然受力明確，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、自重大、加工困難、支鉸不易安裝，草街水庫沖沙閘閘墩采用預(yù)應(yīng)力錨索，這使圓錐鉸的固定更為困難;球形鉸與閘門主框架計算假定的鉸接條件相符，受力明確，以往很少采用是因為國內(nèi)不生產(chǎn)需進(jìn)口，造價較高。近年來，國內(nèi)自行研制生產(chǎn)的自潤滑球面滑動軸承在水電工程中已廣泛應(yīng)用，技術(shù)水平也已達(dá)到國外同類產(chǎn)品的水平，因此，經(jīng)綜合研究比較，決定采用球形鉸。軸承選用GEW630HFZ056－2RS型自潤滑球面滑動軸承，該軸承外圈軸向分縫，鑲有銅基合金及自潤滑材料，內(nèi)圈表面鍍鉻，內(nèi)、外圈材料均為GCr15SiMn，但內(nèi)圈經(jīng)熱處理，機械性能大幅提高。

3.4 閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計

弧形閘門采用平面體系假定和允許應(yīng)力方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算。其門葉和埋件結(jié)構(gòu)有如下特點:

(1)門葉結(jié)構(gòu)由面板、水平次梁、縱隔板和3道主橫梁等構(gòu)件組成，沿高度分為8節(jié)制造和運輸，運到工地安裝時焊成整體。

(2)3個支臂均為箱形斷面，在上、中支臂及中、下支臂之間設(shè)有豎桿和斜桿，使上、中、下支臂連成整體并構(gòu)成一個穩(wěn)定的桁架結(jié)構(gòu)。豎桿采用與支臂斷面等高的工字形斷面，斜桿采用2個槽鋼構(gòu)成的空腹式結(jié)構(gòu)。支臂分成若干個單元運輸，在工地安裝時焊成整體。

(3)活動鉸鏈和固定鉸座采用ZG50Mn2鑄鋼，正火+回火處理;支鉸軸采用30Cr2Ni2Mo，調(diào)質(zhì)處理?？紤]到弧形閘門支鉸在排泄大于2年一遇的洪水時即淹沒在水中，除球面滑動軸承自帶密封外，還在軸承的密封端蓋與軸之間另設(shè)一道格萊圈。支鉸在閘門制造廠裝配成整體并將活動鉸鏈和固定鉸座固定好，防止在運輸中轉(zhuǎn)動。

(4)門葉與支臂之間以及支臂與活動鉸鏈之間均采用螺栓聯(lián)接。

(5)門槽埋件中的側(cè)軌兼作側(cè)水封座，側(cè)止水不銹鋼座面為嵌入式，以減輕泄洪時泥沙對不銹鋼座面的磨損。

草街航電樞紐工程沖沙閘弧形工作閘門結(jié)構(gòu)布置如圖2所示。

4 啟閉機選型

經(jīng)布置計算，采用后拉式雙吊點液壓啟閉機，啟閉機容量為2×5000kN，行程為13.5m，閘門啟閉方式為動水開啟、自重閉門。當(dāng)時國內(nèi)尚無如此大容量和行程的露頂式弧形閘門液壓啟閉機的制造和運行實例，但具備制造條件。

液壓啟閉機的主要技術(shù)參數(shù)為:啟門力，2×5000kN;工作行程，13.5m;最大行程，13.7m;油缸內(nèi)徑，700mm;油缸外徑，813mm;活塞桿直徑，390 mm;有桿腔壓力，18.8MPa;無桿腔壓力，0.5MPa;啟門速度，0.6m/min(可調(diào))。

液壓啟閉機包括油缸總成、液壓泵站及電氣控制系統(tǒng)。

考慮到泄洪時液壓啟閉機油缸會受水流的沖擊并可能全部浸入水中，為安全計，采用陶瓷活塞桿和與其相匹配的集成于CERAMAX的CIMSMKⅡ行程測量系統(tǒng)，測量精度±1mm，防護(hù)等級IP68。

液壓缸活塞桿為進(jìn)口博世力士樂集團荷蘭力士樂海卓丹公司產(chǎn)品，材質(zhì)為S355J2G3，正火處理，表面噴涂CEC1.0陶瓷層。

圖2 草街航電樞紐工程沖沙閘弧形工作閘門結(jié)構(gòu)布置圖

在液壓啟閉機總體布置過程中，由于工作行程較長，擬在油缸中下部設(shè)置托架，以減少油缸的撓度，但由于托架易受水流沖擊或漂浮物的影響，為液壓啟閉機安全運行考慮，不宜采用利用托架來減少油缸撓度的方案。

博士力士樂公司針對油缸的撓度及屈曲計算開發(fā)了一套程序，該程序綜合考慮了布置形式、各部分的間隙、安裝誤差等因素，其計算結(jié)果包括彎曲安全系數(shù)、活塞桿最大綜合應(yīng)力、最大撓度值以及導(dǎo)向套所受的壓應(yīng)力。

國內(nèi)目前對于受拉的活塞桿細(xì)長比要求≤250，未對撓度提出具體要求，博士力士樂公司的允許撓度值為L/125(L為上、下鉸點之間的距離)，比較而言，對于受拉的活塞桿，采用撓度進(jìn)行控制更為可靠，但允許撓度值有待進(jìn)一步探討。博士力士樂公司對油缸進(jìn)行計算時所考慮的因素比較全面，但其計算的合理性有待工程實踐驗證。

液壓啟閉機雙缸同步系統(tǒng)采用雙回路調(diào)速閥+旁路比例閥糾偏+行程檢測裝置的閉環(huán)控制系統(tǒng)，2個油缸同步誤差控制在10mm以內(nèi)，與國內(nèi)相比，其同步系統(tǒng)的配置屬中上水平。液壓啟閉機的泵站共有2臺電動機，同時工作，互為備用，每臺電動機容量為75kW，油泵為手動變量柱塞泵，共有2臺，每臺額定排量為185mL/r，最大排量為270mL/r。

5 試驗驗證

該弧形閘門的結(jié)構(gòu)尺寸較大，支臂長，剛度相對較弱。在校核水位泄流時，閘門下半部仍處于水面以下，水流流態(tài)復(fù)雜，閘門支鉸受正向水流的沖擊與回水的淹沒打擊。為確保該弧形閘門在各種工況均下能安全、可靠運行，特進(jìn)行了閘門結(jié)構(gòu)的流激振動模型試驗研究，模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計，試驗研究結(jié)論如下。

5.1 沖沙閘水動力荷載作用特征

作用于閘門結(jié)構(gòu)的水動力荷載主要包含時均動水壓力和脈動壓力2部分，水流脈動荷載又是誘發(fā)閘門強烈振動的基本振源。試驗結(jié)果顯示，隨著閘門開度的增大，作用于上游面的脈動壓力隨之增大。脈動壓力均方根較大值出現(xiàn)在開度16.2m時的底緣部位，分別為2.338kPa和9.710kPa，占測點作用水頭的4.0%和16.7%。流態(tài)觀測發(fā)現(xiàn)這些部位受到閘墩收縮引起的閘前波浪影響較大，對門體產(chǎn)生沖擊作用，因此脈動壓力較大。門后部位由于受到臨門水躍的沖擊，不同部位的脈動壓力較大值出現(xiàn)在不同的開度，較大脈動壓力均方根值出現(xiàn)在5.4m開度時的下游底緣部位，分別為5.632kPa和6.292kPa，占作用水頭(16.6m)的3.4%和3.8%。作用于支臂的脈動壓力較大值出現(xiàn)在5.4m開度時，均方根值分別為5.291kPa和5.507kPa，占作用水頭的3.2%和3.3%。閘門最大開度時(上游水位Hs=208.85m，下游水位Hx=207.30m)，閘門面板上游面較大脈動壓力均方根值分別為1.890kPa和2.181kPa，占總水頭(3.85m)的4.9%和5.7%;門后脈動壓力較大均方根值分別為1.324kPa和1.266kPa，分別占作用水頭的3.4%和3.3%;支臂上脈動壓力均方根值較大值分別為2.215kPa和1.602kPa，分別占作用水頭的5.8%和4.2%。由水流脈動壓力的譜分析可知，作用于閘門體的脈動壓力主能量主要集中在1.00Hz以內(nèi)，部分測點的脈動壓力在2.00Hz以內(nèi)。

5.2 閘門流－固耦合振動模態(tài)特性分析

閘門結(jié)構(gòu)動力特性分析表明，在流－固耦合狀態(tài)下，支鉸和啟閉機活塞桿共同約束下的閘門振動基頻為1.75Hz，反映閘門整體一階橫向彎曲振動變形。

在閘門支鉸和面板兩側(cè)止水共同約束條件下，同時考慮流體的耦合作用影響，閘門結(jié)構(gòu)的一階振動基頻為4.71Hz。流－固耦合作用計算結(jié)果表明，若考慮水體附加質(zhì)量對閘門振動特性的影響，閘門結(jié)構(gòu)的一階振動基頻較空氣狀態(tài)下降30%，二階頻率下降22%，符合一般規(guī)律。若考慮啟閉桿的彈性作用及流體影響，反映啟閉桿的基頻為1.35Hz，閘門整體切向振動頻率為3.80Hz，面板一階彎曲頻率為4.96Hz。

5.3 閘門結(jié)構(gòu)的流激振動試驗

在進(jìn)行不同工況下的閘門水動力荷載作用研究后，對經(jīng)過動態(tài)優(yōu)化后的閘門結(jié)構(gòu)進(jìn)行水彈性振動試驗，以論證該閘門的運行安全性。閘門模型采用全水彈性材料，水彈性模型同時滿足幾何尺寸、質(zhì)量密度、阻尼、彈性模量、水流動力參數(shù)的相似性，根據(jù)相似原理，得出閘門結(jié)構(gòu)各參數(shù)的比尺要求。

試驗結(jié)果表明，閘門振動隨上、下游水位和閘門開度的變化而變化。在Hs=200.00m，Hx=191.35 m，閘門局部開啟的情況下，閘門門葉部分最大徑向(ρ向)、切向(θ向)及側(cè)向(z向)振動加速度均方根值分別為0.581，0.406，0.137m/s2;閘門支臂部分最大徑向(ρ向)、切向(θ向)及側(cè)向(z向)振動加速度出現(xiàn)在閘門小開度，分別為0.213，0.386，0.704m/s2。閘門結(jié)構(gòu)各部位的振動量具有如下特征:閘門支臂側(cè)向振動量相對較大，下部支臂的振動量比上部支臂要大，門葉下部的振動量比上部要大。這與該結(jié)構(gòu)運行過程中的受力特征密切相關(guān)，較大的振動開度出現(xiàn)在2.00～7.24m范圍，此時閘門下游出現(xiàn)臨門水躍或淹沒水躍作用，這是需要避免的。

若上游水位保持200.00m、下游水位下降至186.40m，在閘門局部開啟情況下，門葉部分徑向(ρ向)、切向(θ向)及側(cè)向(z向)最大振動加速度均方根值分別為0.487，0.259，0.139m/s2;閘門支臂部分徑向(ρ向)、切向(θ向)及側(cè)向(z向)最大振動加速度均方根值出現(xiàn)在閘門小開度時，分別為0.202，0.495，0.523m/s2。該工況在開度處于2.43 m以內(nèi)出現(xiàn)1個振動峰值。閘門開度大于2.43m以上時，閘下出流出現(xiàn)自由明流狀態(tài)，閘門振動量明顯減小。

在上、下游高水位情況下，弧形閘門處于全開狀態(tài)，但閘門下半部仍處于水面以下，較大振動量出現(xiàn)在上游水位208.85m、下游水位207.30m。閘門門葉徑向(ρ向)、切向(θ向)及側(cè)向(z向)最大振動加速度均方根值分別為0.515，0.094，0.049m/s2;閘門支臂部分徑向(ρ向)、切向(θ向)及側(cè)向(z向)最大振動加速度均方根值分別為0.306，0.211，0.276m/s2。從振動加速度均方根值可以看出:門葉徑向振動加速度大于其他2個方向;支臂θ向、z向振動加速度大于門體面板部分;門體面板部分ρ向振動加速度大于支臂部分振動加速度。

從水位變化對閘門振動的影響角度考察，上/下游高水位、閘門全開時的結(jié)構(gòu)振動量較低水位、閘門小開度時要小，其中高度淹沒情況下閘門支臂部分的最大振動量約為臨門水躍作用下振動量的1/2。說明臨門水躍作用是使閘門產(chǎn)生較大振動的主要動力源。

試驗結(jié)果表明，考慮流－固耦合作用時，在支鉸和啟閉機活塞桿共同約束下，閘門一階振動模態(tài)基頻為1.75Hz，頻率偏低，有可能與水流脈動壓力基頻相重合;但若考慮面板兩側(cè)止水約束，閘門一階振動模態(tài)基頻上升為4.7Hz，不會發(fā)生結(jié)構(gòu)共振。

結(jié)構(gòu)流激振動試驗數(shù)據(jù):閘門門體部分面板最大振動應(yīng)力均方根值為0.826MPa，主橫梁部分最大振動應(yīng)力均方根值為1.091MPa，縱梁(隔板)部分最大振動應(yīng)力均方根值為1.170MPa，支臂部分最大振動應(yīng)力均方根值為2.300MPa，最大彎曲振動應(yīng)力均方根值為0.760MPa。動力穩(wěn)定分析表明，支臂不可能發(fā)生動力失穩(wěn)現(xiàn)象。

6 結(jié)論

(1)草街航電樞紐工程于2010年4月26日正式蓄水，沖沙閘金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備均投入運行并經(jīng)歷了當(dāng)年汛期泄洪的考驗，各設(shè)備運行狀況正常，確保了樞紐安全運行，同時也驗證了設(shè)計的合理性和制造、安裝的質(zhì)量。

(2)草街航電樞紐工程沖沙閘弧形工作閘門的工況條件在國、內(nèi)外的工程實例中并不多見，對于閘門的振動在設(shè)計中應(yīng)予以足夠的重視，對流激振動的危害性應(yīng)進(jìn)行預(yù)估或評估。首先應(yīng)防止共振的發(fā)生，其次要預(yù)防自激振動的出現(xiàn)并采取相應(yīng)的措施，再者要防止支臂的動力失穩(wěn)。草街航電樞紐工程沖沙閘弧形工作閘門的設(shè)計、模型試驗和運行，為今后類似閘門的設(shè)計提供了參考依據(jù)。

(3)對于閘門振動危害性的判斷，國、內(nèi)外目前還沒有一個完整的判斷依據(jù)，國外有的以振動位移的大小作為判據(jù)，也有的以振動頻率和振幅值來鑒別危害程度。實際上，影響閘門振動的因素很多，用個別參數(shù)的量值作為判別振動危害性的依據(jù)，顯然是不全面的。因此，對閘門振動危害性的判據(jù)需要進(jìn)一步研究，提出一個完整的判斷依據(jù)，即可全面提高閘門的設(shè)計水平。