江口水電站左岸溢洪道T型浮塞式檢修閘門技術(shù)研究與應用

王南山，胡 力，丁麗軍

（中電投江西電力有限公司江口水電廠，江西新余，338025）

0 引言

江口水電站位于江西省新余市河下鎮(zhèn)江口村，是一座以發(fā)電為主，兼有防洪、灌溉、供水、旅游、水產(chǎn)養(yǎng)殖等功能的綜合利用工程。水庫流域控制面積為3 900 km2，總庫容8.9億m3，正常蓄水位72.00 m，設計洪水位74.40 m，校核洪水位76.00 m，死水位65.70 m。工程于1958年8月開工，1959年9月蓄水，1961年基本完工，設兩座溢洪道。

左岸溢洪道（以下簡稱左溢）堰頂高程64.00 m，共3孔，孔口寬12 m，高6 m，上設7.3 m高的胸墻，用潛孔弧形閘門控制泄流?；￠T運行已歷54年，老化變形嚴重，銹蝕漏水明顯，在72.00 m水位下不能安全運行。電站三次大壩安全定期檢查結(jié)論均指出，左溢弧門存在安全隱患，要求更換。但水庫死水位高于溢洪道堰頂，弧門前未設檢修閘門，致使更換施工難以進行。因此增設檢修閘門成為更換左岸溢洪道弧門的必要條件。

因左溢堰體混凝土未延伸到閘墩頭部，采用常規(guī)平面閘門或浮箱閘門沒有混凝土底坎配合止水和支承，在有堰體混凝土的部位增設門槽又受孔口胸墻限制，因此必須突破常規(guī)設計，研究全新的檢修門型。

1 浮塞門概述

新門型采用“T型浮塞式檢修閘門”方案，以下簡稱浮塞門。為了克服進口沒有底坎可利用的困難，檢修閘門塞入孔口止水，凸出的后緣卡住閘墩支承，形如T型塞，其止水原理見圖1。浮塞門進出孔口依靠浮力漂移，既類似浮箱閘門依靠浮力漂移，又有別于浮箱閘門伸入孔內(nèi)止水。

1.1 浮塞門操作程序

（1）平時依靠纜繩拴住，漂浮在水庫港灣中。

（2）使用時依靠機動船浮推入孔口，采取措施保證閘門準確就位。

（3）向浮塞門內(nèi)灌水，門體下沉到堰體混凝土上。

（4）提起弧門放空兩門間的水體，浮塞門擋水，弧門更換或檢修。

（5）弧門更換或檢修完畢后關閉。

（6）向兩門間充水平壓，浮塞門脫離擋水工況。

（7）浮塞門排出內(nèi)部水體浮起。

（8）依靠機動船浮拖回港灣存放。

1.2 浮塞門方案優(yōu)點

（1）無需增設門槽以及水下施工，較降低庫水位并修筑圍堰方案更為簡便、安全；

（2）無需增設啟閉機及有關排架，且3孔可共用1扇浮塞門，較增設檢修閘門方案更為可行、經(jīng)濟；

（3）閘門不高（約4 m），擋水不低（水位達67.00 m），不影響水庫正常運行。

圖1 浮塞門止水示意圖Fig.1 Sealing of floating gate

1.3 浮塞門技術(shù)重點

（1）浮塞門類似浮箱閘門，要合理布置灌排水設備和正確處理好三心（重心、浮心和穩(wěn)心）；

（2）浮塞門沒有浮箱閘門那樣的埋件配合運行，需要采取措施保證閘門準確就位、可靠鎖定、安全運行；

（3）浮塞門在平面度較差的溢洪道混凝土面上止水，要裝置配套的新型水封裝置；

（4）閘墩頭部圓弧狀混凝土無埋件支承閘門水壓力，為了防止局部混凝土過載產(chǎn)生破壞，需裝置配套的壓力擴散墊；

（5）泄洪閘孔口寬度可能隨里程變化，且各孔口實際尺寸可能存在差異，浮塞門需張開擋水和收攏漂移，需要設計獨特的伸縮臂裝置以適應各類尺寸變化。

筆者就浮塞門方案實施有關的結(jié)構(gòu)分析、穩(wěn)定驗算、就位和鎖定措施、混凝土表面止水、墩頭混凝土壓力擴散和伸縮臂等技術(shù)問題進行分別論述。

2 浮塞門結(jié)構(gòu)分析

浮塞門采用雙主橫梁和多縱小梁的箱形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)方案見圖2。

2.1 主橫梁的結(jié)構(gòu)分析

閘門在檢修水位時擋水深度為3.6 m，孔口寬度12 m，由此可計算得閘門總水壓力為777.6 kN，下主梁水荷載強度為39.4 kN/m。門體受腹板局部穩(wěn)定控制，上、下主梁截面相同，由于下主梁荷載強度大，因此僅需對下主梁進行計算分析即可。

圖2 浮塞門結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of floating gate

2.1.1 下主梁內(nèi)力計算

閘門水平橫剖如圖3所示，根據(jù)閘門設計尺寸，可求得下主梁跨中最大彎矩Mmax=1063.8 kN·m；端部支承力、切力Qmax=236.4 kN；距支承點0.6 m處彎矩M0.6=141.8 kN·m，切力Q0.6=236.4 kN；距支承點2.2 m處彎矩M2.2=510.4 kN·m，切力Q2.2=208.8 kN。

圖3 閘門水平剖面設計圖Fig.3 Design of horizontal section of floating gate

2.1.2 下主梁應力計算

根據(jù)下主梁形狀以及截面尺寸，經(jīng)計算得下主梁截面應力見表1。

表1 下主梁應力計算表Table 1 Stress calculation of lower main girder

2.1.3 下主梁腹板局部穩(wěn)定驗算

為分析下主梁腹板（材質(zhì)為Q235B）穩(wěn)定性，根據(jù)圖3所示設計高度以及厚度數(shù)據(jù)計算其高厚比，求得比值為232.4，已接近現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范容許極限（250），因此需要同時布置橫向加勁肋和縱向加勁肋。設計橫向加勁肋間距a=1 800 mm,縱向加勁肋距受壓翼緣h1=1 044 mm。

2.1.3.1 驗算梁最大彎矩處（跨中）的穩(wěn)定

下主梁跨中彎曲壓應力σ=18.6 MPa，剪應力τ=0，局部壓應力σc=0，屬純彎屈曲。此時為梁受壓翼緣扭轉(zhuǎn)受到約束的情況，求得抗彎計算腹板通用高厚比為0.78，彎曲臨界應力值可取鋼材的抗彎強度設計值235 N/mm2，由此計算腹板跨中加勁肋局部穩(wěn)定性可滿足要求。計算參見式（1）所示。

2.1.3.2 驗算梁變截面處（距支點2.2 m）的穩(wěn)定

橫向加勁肋間距a=1 600 mm,彎曲壓應力σ=53.9 MPa，剪應力τ=10.2 MPa，局部壓應力σc=0。此時為梁受壓翼緣扭轉(zhuǎn)未受到約束的情況，求得抗彎計算腹板通用高厚比為0.5，彎曲臨界應力值可取鋼材的抗彎強度設計值235 N/mm2；抗剪切腹板通用高厚比為0.7，據(jù)此可得剪切臨界應力值為136 N/mm2。由此計算腹板梁變截面處加勁肋局部穩(wěn)定性可滿足要求。計算參見式（2）所示。

2.1.4 加勁肋的截面慣性矩驗算

橫向加勁肋截面尺寸設計為14 mm×200 mm，縱向加勁肋截面尺寸設計為12 mm×160 mm，當腹板同時用橫向加勁肋和縱向加勁肋加強時，應在其相交處切斷縱向肋而使橫向肋保持連續(xù)，此時橫向肋的截面慣性矩應滿足Iz≥3h0要求；縱向加勁肋的截面慣性矩應滿足Iy≥1.5h0要求。

根據(jù)加勁肋設計尺寸以及下主梁設計數(shù)據(jù)，按照矩形截面慣性矩計算公式可求得橫向加勁肋、縱向加勁肋截面慣性矩分別為85 207 071 mm4和38 614 472 mm4，均可滿足以上要求。

2.1.5 下主梁閘墩混凝土承壓應力估算

假定梁端為短支承板（寬400 mm×長600 mm）時，根據(jù)梁端支承力可求得混凝土平均承壓應力σ=1.0 MPa；假定梁端為長支承板（寬200 mm），混凝土承壓應力類似水壓力三角形均布，此時混凝土最大承壓應力σmax=36×6÷200=1.1 MPa。根據(jù)計算結(jié)果，梁端采用短支承板假定。

2.2 面板的結(jié)構(gòu)分析

按下式選擇板的厚度：

式中[σ]=160 MPa，為面板的容許應力；α=1.5，為彈塑性調(diào)整系數(shù)；a=1 060 mm，為面板計算區(qū)格短邊長度；b=1 150 mm，為面板計算區(qū)格長邊長度；k為支承長邊中點彎應力系數(shù)，查表為0.308；p=0.027 23 MPa，為區(qū)格中心水壓強度，代入式（3）可求得δ=6.3 mm（取8 mm）。

3 漂浮的穩(wěn)定分析

浮塞門排水寬度4.2 m，排水長度10.6 m,吃水深度2.42 m，可計算出浮心距底主梁中心線SD=0.81 m；門體重心經(jīng)計算距底主梁中心線SW=0.26 m；門體橫穩(wěn)心半徑經(jīng)計算可求得r=0.629 m，門體橫浮心距底主梁中心線SM=1.439 m。經(jīng)計算對比SM＞SD＞SW,重心在穩(wěn)心之下，故閘門漂浮穩(wěn)定性可滿足要求。

4 閘門就位和鎖定措施

浮塞門沒有門槽，甚至沒有底坎可以放置，為了平穩(wěn)就位和可靠鎖定，實施中采用以下措施：

（1）人工輔助機動船將浮塞門初步推入孔口內(nèi)，人工監(jiān)視和推頂閘門。

（2）閘墩布置錨桿套入浮塞門導向長孔內(nèi)引導沉浮，到位鎖定閘門。

（3）閘門4個隔開的水箱分別灌排水，甲板上布置水平監(jiān)視系統(tǒng)（4支連通水管），根據(jù)監(jiān)視系統(tǒng)調(diào)整進出水，控制閘門平衡沉浮。

5 混凝土面止水的新型橡皮

混凝土面比鋼制埋件平整度更為粗糙，因此要使用適應性更強的新型橡皮。為此，電站與廠家溝通，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，開發(fā)研制新型橡皮，如圖4、圖5所示。新型橡皮尺寸較大（達300 mm寬），加大與混凝土的接觸面，有小凹坑時可以覆蓋過去。新型橡皮由P形和L形橡皮組合，軟硬兼顧，既不易翻又能貼緊止水。P形部分加長了柄把，而且與壓板之間留有V形間隙，變形能力更強。底止水和側(cè)止水都用相同的新型橡皮，依靠P形部分的方頭限位和支承。

圖4 新型橡皮（底水封）Fig.4 A new type of rubber(bottom water seal)

圖5 新型橡皮（側(cè)水封）Fig.5 A new type of rubber(lateral water seal)

6 閘墩混凝土壓力擴散墊

下主梁端支承力為236.4 kN，壓力擴散墊承壓設計面積為400 mm×600 mm，厚度L=90 mm。

6.1 擴散墊的變形尺寸

如圖6，閘墩半徑R=1 500 mm，當擴散墊壓到接觸弦長400 mm時，凈矢高S凈=13.4 mm，弓形面積J=3 574.7mm2，平均高度S平均=3 574.7÷400=8.94 mm，則S凈/S平均=1.5倍。

6.2 擴散墊的最大壓應力和需要的體積彈性模量

最大壓應力

需體積彈模

由于橡膠體積彈模為7.84 N/mm2，因此可以采用橡膠制品改良為壓力擴散墊。擴散墊裝入鋼板盒，限制橫向變形，保證邊緣壓力擴散效果。

圖6 壓力擴散墊變形分析圖Fig.6 Deformation analysis of pressure diffusion pad

7 伸縮臂的研究重點

閘門需張開擋水和收攏漂移，伸縮臂需要設置以下機構(gòu)部件：

（1）傳力結(jié)構(gòu)：保證伸縮臂的水壓力可靠地傳遞到門體上。

（2）移動機構(gòu)：保證伸縮臂伸縮靈活，要求的動力小。

（3）移動機械：應是手拉葫蘆之類簡單機械。

（4）止水連接：伸縮臂的水封可以在移動范圍內(nèi)處處與門體水封系統(tǒng)連接止水。

（5）利用水壓：作用在伸縮臂上的水壓力最好能壓緊側(cè)水封。

8 組合浮塞方案

上文闡述的浮塞門不僅能為左岸溢洪道弧門更換和檢修提供必要的條件，而且還有許多優(yōu)點（無門槽、無啟閉機等）。但它也存在不足之處，如尺寸大、鋼板厚、運輸和維護難等。為了克服不足，實施中進一步對方案進行了優(yōu)化，提出組合浮塞門方案，為便于區(qū)別，前面闡述的浮塞門以下均稱為整體浮塞門。如圖7所示，組合浮塞門的結(jié)構(gòu)分為3部分：擋水浮體、支承浮體和聯(lián)接浮體。3個浮體分開制作和運輸，放到水庫能獨立漂浮，可以用4根銷軸聯(lián)接在一起如整體浮塞門一樣使用，也可以拆散吊上岸存放維護。

8.1 浮體結(jié)構(gòu)分析

擋水浮體以及支承浮體的主梁位置均同整體浮塞門，其水荷載強度也一樣。擋水浮體主梁可視為帶雙懸臂的簡支梁，支承浮體主梁可視為承受兩對稱集中力的簡支梁。

8.1.1 浮體內(nèi)力計算

經(jīng)計算，可求得擋水浮體以及支承浮體下主梁內(nèi)力。

擋水浮體下主梁內(nèi)力為：跨中最大彎矩Mmax=141.8 kN·m，懸臂最大彎矩Mmax=113.4 kN·m；跨中段最大切力Qmax=141.8 kN，懸臂段最大切力Qmax=94.5 kN。

支承浮體下主梁內(nèi)力為：跨中彎矩Mmax=497 kN·m，軸力Pmax=194kN，端部切力Qmax=237kN。

8.1.2 浮體下主梁腹板局部穩(wěn)定計算

為分析下主梁腹板（材質(zhì)為Q235B）穩(wěn)定性，分別根據(jù)圖8、圖9所示h0（腹板高度）以及tw（腹板厚度）計算兩者比值，求得比值均為123.5，按規(guī)范要求需配置橫向加勁肋。根據(jù)h0、tw數(shù)據(jù)以及梁段最大剪應力，可求得擋水浮體以及支承浮體下主梁平均剪應力τ分別為19.0 MPa、30 MPa,考慮彎曲壓應力σ的影響取系數(shù)η=1，參數(shù)ξ按照式（6）計算：

可求得擋水浮體以及支承浮體ξ值分別為538.1和676.4，均小于1 200，故有橫向加勁肋最大間距a=2h0=1 976 mm，閘門橫向隔板、縱向隔板間距均取1 800 mm，小于a值，因此無需再添加勁肋。

圖7 組合浮塞門示意圖Fig.7 Schematic diagram of combinational floating gate

圖8 擋水浮體下主梁截面示意圖Fig.8 Sectionoflowermaingirderofwaterretainingfloating body

圖9 支承浮體下主梁截面示意圖Fig.9 Section of lower main girder of supporting floating body

8.2 各浮體的重心和浮心

8.2.1 擋水浮體

浮體重10 t,經(jīng)計算：不加壓重，重心在下主梁中心線上方1.474 m，加壓重混凝土7.75 m3（17 t），重心在下主梁中心線上方0.572 m，吃水2.4 m，浮心在下主梁中心線上方0.9 m，浮心高于重心，能獨立穩(wěn)定漂浮。

8.2.2 支承浮體

浮體重12 t，經(jīng)計算：不加壓重，重心在下主梁中心線上方1.506 m，加壓重混凝土7.29 m3（16 t），重心在下主梁中心線上方0.633 m，吃水2.4 m，浮心在下主梁中心線上方0.9 m，浮心高于重心，能獨立穩(wěn)定漂浮。

8.2.3 聯(lián)接浮體

浮體重3.6 t，經(jīng)計算：不加壓重，重心在下主梁中心線上方1.15 m，吃水深度2.1 m，浮心在下主梁中心線上方0.9 m，浮心低于重心，能獨立漂浮，但不穩(wěn)定（會翻轉(zhuǎn)），組合時要人工扶住。

有關面板和小梁的強度和剛度、就位和鎖定、混凝土表面止水、壓力擴散、灌排水、平壓等，與整體浮塞門基本相同，不再贅述。

9 結(jié)語

經(jīng)過以上計算分析，浮塞門方案是科學和可行的。整體浮塞門自重約40 t，加重鐵砂混凝土70 t左右，造價只有“組合式閘槽方案”的50%左右；而與圍堰方案比較，不但造價低，而且沒有拆除的費用和技術(shù)問題，還能留下供今后繼續(xù)使用，因此浮塞門方案是合理和經(jīng)濟的。而改為組合結(jié)構(gòu)則自重約28 t，加重混凝土33 t左右，且可以降低運輸和維護難度，工程量也更小。經(jīng)過選比，江口水電站在左岸溢洪道閘門改造工程項目中采用了組合浮塞門方案，并在實際應用中取得了良好的效果。目前國內(nèi)需要增設檢修閘門的水電站還有不少，浮塞門技術(shù)是目前解決類似問題的最佳選擇，值得大力推廣。