金屬結(jié)構(gòu)在水墊塘二道壩中的布置及應(yīng)用

徐 慶

(陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001)

1 前言

本工程位于涇河下游峽谷，幾乎控制了涇河的全部洪水泥沙，河流中泥沙含量高，洪水期能達(dá)到300 kg/m3，開發(fā)任務(wù)以防洪減淤為主，兼顧供水發(fā)電和改善生態(tài)等用途。樞紐建筑物包括混凝土拱壩、壩身排沙泄洪孔、水墊塘及二道壩、岸邊引水發(fā)電洞和地下發(fā)電廠發(fā)等，工程規(guī)模為大(一)型，水庫總庫容33億m3,電機(jī)裝機(jī)規(guī)模100 MW。其中，二道壩和水墊塘共同組成拱壩下游的消能防沖設(shè)施，二道壩為水墊塘重要組成部分其作用主要是：大壩泄洪前，關(guān)閉二道壩中閘門對水墊塘蓄水，使水墊塘中水位滿足泄洪消能要求。洪水期，大壩排沙泄洪孔弧形閘門打開后洪水落入水墊塘消能后，水墊塘中的洪水由二道壩頂溢流排入二道壩下游電站尾水池，以減輕因洪水期從大壩排沙泄洪孔排出的高速水流對河床的沖刷破壞。汛期過后，打開二道壩壩體中閘門對水墊塘中水進(jìn)行泄流同時(shí)利用水流速度帶走水墊塘中沉積泥沙，為下一次洪水期消能做好準(zhǔn)備。

2 二道壩的布置

水墊塘位于混凝土拱壩下游，與二道壩共同形成水墊池，對洪水期大壩排沙泄洪孔排出的洪水消能。水墊塘的長度由排沙泄洪孔射流水舌的最遠(yuǎn)水平挑距和淹沒水躍的長度確定，經(jīng)計(jì)算結(jié)果表明1#和4#排沙泄洪孔挑射水舌射程最遠(yuǎn)，在下泄設(shè)計(jì)和校核洪水時(shí)最大挑距約為240 m～250 m是水墊塘長度的控制工況。二道壩高度因滿足水墊塘水墊厚度要求，使入塘水流形成淹沒水躍同時(shí)滿足水墊塘底板沖擊動水壓力、脈動壓力、抗浮穩(wěn)定及抗震性能要求。其壩頂高程除滿足水墊塘水位高度的消能要求外還需要滿足攔擋下游機(jī)組滿發(fā)水流時(shí)的水墊塘檢修要求。經(jīng)計(jì)算分析和實(shí)驗(yàn)確定二道壩壩高為41 m，壩頂寬度6 m，壩底最大寬度45 m，壩頂長度76 m。壩體內(nèi)設(shè)有用于大壩泄洪前蓄水和汛期過后放空水墊塘的閘門，閘門底坎高程距二道壩壩頂高程為29 m。校核洪水情況下，水墊塘內(nèi)水體體積為105萬m3，水墊塘單位水體消能率為15 kW/m3。

水墊塘在汛期來臨前通過大壩泄洪設(shè)施充水至二道壩壩頂高程，為了減少多次充水，整個(gè)汛期二道壩均為充滿水的狀態(tài)，即水墊塘內(nèi)水位保持在二道壩壩頂高程。汛期過后，水墊塘中水位通過二道壩上檢修放空孔排至其閘門底坎高程，其它季節(jié)水墊塘內(nèi)水位均保持在二道壩內(nèi)閘門底坎高程以下。因此，二道壩在洪水期大壩泄洪沖沙時(shí)二道壩不沖沙，二道壩擋水水頭為水墊塘1000年一遇校核水位，即汛期二道壩壩頂洪水溢流高度超過二道壩壩頂高程12 m。在非汛期，大壩不泄洪時(shí)，水墊塘水位消落到二道壩壩頂高程時(shí)開啟二道壩內(nèi)檢修放空孔進(jìn)行沖沙。

3 二道壩金屬結(jié)構(gòu)布置及運(yùn)行工況

水墊塘檢修放空孔沿二道壩壩軸線方向距離泄洪中心線左右8 m處分別并排布置一孔，每孔分別設(shè)有一扇進(jìn)口事故閘門，孔口尺寸1.8 m×2.2 m；一扇弧形工作閘門，孔口尺寸1.8 m×1.8 m和一扇出口反向防洪閘門，孔口尺寸1.8 m×2.2 m。大壩泄洪前，關(guān)閉檢修放空孔閘門擋水，整個(gè)汛期水墊塘水位保持在二道壩壩頂高程，洪水期大壩泄洪底孔放水時(shí)洪水從跌入水墊塘消能后從二道壩壩頂溢流；汛期過后檢修放空孔開閘沖沙，沖沙時(shí)先開啟出口反向擋水防洪閘，再依次開啟進(jìn)口擋沙事故閘門和弧形工作閘門。非汛期二道壩前后水位保持在檢修放空孔閘門底坎高程以下。二道壩檢修放空孔閘門運(yùn)行工況如下：①擋水工況。汛期來臨前，提前關(guān)閉二道壩檢修放空孔上下游事故閘門對水墊塘蓄水，使水墊塘中水位達(dá)到二道壩壩頂高程滿足泄洪效能要求。下游防洪閘門最高擋水位為下游校核水位。②運(yùn)行工況。進(jìn)口事故閘門兼作擋沙閘門，事故閘門和弧形工作閘門啟門水位均為二道壩壩頂高程，當(dāng)汛期過后提前開啟下游防洪閘門后，依次開啟上游擋沙事故閘門和弧形工作閘門；汛前，水墊塘水位低于二道壩檢修放空孔閘門底坎高程時(shí)，提前關(guān)閉上游擋沙事故閘門和弧形工作閘門。出口防洪閘門啟閉水位均在二道壩檢修放空孔閘門底坎高程以下時(shí)啟閉。

3.1 進(jìn)口擋沙事故閘門

進(jìn)口擋沙事故閘門為潛孔式平面滑動閘門，由滑塊支承，運(yùn)行方式為動水閉門小開度提門充水平壓后靜水啟門，汛期來臨前下閘蓄水準(zhǔn)備攔水擋沙，泄洪期間為事故閘門?？卓诔叽鐬?.8 m×2.2 m，擋水水頭為42 m，啟閉水頭為29 m，頂側(cè)止水布置在面板上游側(cè)，門前設(shè)有一套清淤裝置用于汛期過后水墊塘準(zhǔn)備打開二道壩檢修放空孔閘門沖沙放水前，利用清淤裝置高壓泵清除門前淤積泥沙，防止門前因泥沙淤積后與閘門面板固結(jié)后影響閘門啟閉設(shè)備正常運(yùn)行。閘門為整體制造運(yùn)輸，閘門結(jié)構(gòu)主要材料為Q355D材質(zhì)，支承采用自潤滑材料滑塊，水封材質(zhì)為橡塑復(fù)合水封，埋件主要材料為Q235B材質(zhì)。啟閉設(shè)備選用液壓啟閉機(jī)，啟閉機(jī)容量為啟門力125 t閉門力為60 t，啟閉機(jī)液壓缸形成3.9 m。液壓啟閉機(jī)機(jī)架設(shè)有密封和進(jìn)排氣閥，用于閘門開啟放水時(shí)防止水在壓力作用下進(jìn)入二道壩內(nèi)液壓啟閉機(jī)控制室，同時(shí)在閘門開啟時(shí)近排氣閥可以保證閘門門后補(bǔ)氣充分使閘門順利運(yùn)行。

3.2 弧形工作閘門

弧形工作閘門設(shè)計(jì)為雙主梁直支臂結(jié)構(gòu)，運(yùn)行方式為動水啟閉，可局部開啟運(yùn)行?？卓诔叽鐬?.8 m×1.8 m，擋水水頭42 m，啟門水頭29 m，在汛期來臨前空載閉門?；∶姘霃綖?.5 m，支鉸高度為3 m，頂水封采用雙“P”型，側(cè)水封采用方“P”型，門前設(shè)有一套沖淤裝置。經(jīng)計(jì)算，弧門面板計(jì)算厚度16.3 mm，考慮2 mm銹蝕余量實(shí)際選用20 mm；面板長邊中點(diǎn)折算應(yīng)力223 N/mm2<1.1×1.5×220=363 N/mm2，所以面板采用Q355D材質(zhì)(許用應(yīng)力220 N/mm2)；門葉結(jié)構(gòu)主梁后翼緣折合應(yīng)力142 N/mm2<[220 N/mm2]；弧門支臂平面內(nèi)穩(wěn)定應(yīng)力97 N/mm2<[220 N/mm2]，平面外穩(wěn)定應(yīng)力105 N/mm2<[220 N/mm2]；計(jì)算啟門力377 kN,閉門力341 kN。依據(jù)閘門計(jì)算結(jié)果，門體結(jié)構(gòu)主要材料為Q355D材質(zhì)，面板采用雙相不銹鋼，鉸座鉸鏈材料為ZG310-570材質(zhì)，支鉸軸承采用自潤滑關(guān)節(jié)軸承。埋件主要材料選用Q235B材質(zhì)。啟閉設(shè)備選用液壓啟閉機(jī)，啟閉機(jī)容量為啟門力63 t閉門力為40 t，啟閉機(jī)液壓缸形成3.6 m。

3.3 出口反向防洪閘門

出口反向防洪閘門為潛孔式平面滑動閘門，汛期來臨前水位低于閘門底坎高程時(shí)關(guān)閉閘門，防止汛期水墊塘消能后的水從二道壩頂部翻流進(jìn)入尾水池后增加尾水池尾水高程，使尾水池池中的水反向從二道壩檢修放空孔倒灌進(jìn)入閘室，閘門運(yùn)行方式為汛前水位低于閘門底坎高程時(shí)提前關(guān)閉，汛期過后尾水池內(nèi)水位降低到閘門底坎以下時(shí)開啟閘門。孔口尺寸為1.8 m×2.5 m，反向擋水水頭28 m，頂側(cè)止水布置在面板上游，閘門下游利用清淤裝置高壓泵清除門前淤積泥沙，防止門前因泥沙淤積后與閘門面板固結(jié)后影響閘門啟閉設(shè)備正常運(yùn)行。閘門為整體制造運(yùn)輸，閘門結(jié)構(gòu)主要材料為Q355D材質(zhì)，支承采用自潤滑材料。液壓啟閉機(jī)機(jī)架設(shè)有密封和進(jìn)排氣閥，用于閘門開啟放水時(shí)防止水在壓力作用下進(jìn)入二道壩內(nèi)液壓啟閉機(jī)控制室，同時(shí)在閘門開啟時(shí)進(jìn)排氣閥可以保證閘門門后補(bǔ)氣充分使閘門順利運(yùn)行。

4 基于CATIA平臺全設(shè)計(jì)流程BIM設(shè)計(jì)

本工程全部設(shè)計(jì)基于CATIA三維設(shè)計(jì)平臺，對閘門參數(shù)化設(shè)計(jì)建立參數(shù)化模型數(shù)據(jù)庫，只需要提前根據(jù)水工體型布置好閘門后，將滿足水工要求的閘門原始尺寸輸入數(shù)據(jù)庫模型，就可以生成滿足要求的三維模型，經(jīng)過ansys模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算滿足規(guī)范要求后，用CATIA中工程圖模塊導(dǎo)入設(shè)計(jì)院制圖標(biāo)準(zhǔn)后自動生成工程圖紙。校核過程，通過CATIA三維運(yùn)行仿真器功能根據(jù)真實(shí)模型放樣模擬閘門啟閉機(jī)在二道壩壩體內(nèi)運(yùn)輸安裝過程，避免實(shí)際安裝運(yùn)行中出現(xiàn)的問題，優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高效率。

零件庫的建立，以骨架發(fā)布元素為基礎(chǔ)建立零部件建模所需要的點(diǎn)線面，通過建立起來的點(diǎn)線面，通過建立起來的骨架模型調(diào)用鏈接零件庫中的參數(shù)化零部件。具體步驟為：用CATIA中用戶自定義特征功能建立出方便調(diào)用的UDF，UDF通過catalog數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)分級管理。我們經(jīng)過多個(gè)工程的實(shí)踐對比，推薦建立三個(gè)層級管理比較方便實(shí)用，一級是零件庫包括主梁UDF，縱梁UDF，邊梁UDF等基礎(chǔ)零件；二級是零部件庫，包括各種滾輪或弧門支鉸UDF和有裝配關(guān)系但需要整體調(diào)用的零部件；三層是門體庫單元，保存各種施工圖階段的模型，主要保存的是參數(shù)化骨架和與模型關(guān)聯(lián)好可以自動調(diào)整的二維工程圖，骨架上的零部件可以根據(jù)需要從一、二級零件庫中重新調(diào)裝成為新的模型。

5 結(jié)語

通過消力塘二道壩金屬結(jié)構(gòu)的布置設(shè)計(jì)，針對本工程特點(diǎn)有效降低洪水下泄沖擊能量的同時(shí)，利用閘門開啟二道壩泄水孔，在泥沙沉積以前將含泥沙量大的渾水下泄放空至二道壩放空孔閘門的底坎高程以下，降低消力塘內(nèi)泥沙淤積高度，改善以往工程中需要人工清淤的成本和工期。同時(shí)，本次工程運(yùn)用VPM平臺協(xié)同設(shè)計(jì)，大大提高了設(shè)計(jì)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。