洋溪水利樞紐工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)分析

洋溪水利樞紐工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

分析梁獻(xiàn)，張明，樊冠橋（廣西水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，南寧530023）1概述洋溪水利樞紐是柳江流域綜合規(guī)劃的第12個(gè)梯級(jí)，位于廣西柳州市三江縣境內(nèi)，柳江干流都柳江上，是柳江中下游的防洪控制性工程之一，也是國務(wù)院172項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程之一，是以防洪為主，結(jié)合發(fā)電、航運(yùn)等綜合利用的大型水利樞紐工程，電站裝機(jī)容量100mw,船閘建設(shè)規(guī)模為in級(jí)船閘。洋溪水利樞紐工程洪峰流量大、防洪調(diào)度復(fù)雜，閘門設(shè)計(jì)水頭和操作水頭高、總水壓力大，金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備規(guī)模大、類型多，包括溢流壩、電站廠房、船閘、魚道、施工導(dǎo)流工程等水工建筑物的閘門及其啟閉設(shè)備。金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備總用鋼量約16190to其中溢流壩超大型潛孔弧形閘門、船閘超大型人字閘門及反向弧形閘門的設(shè)備規(guī)模在國內(nèi)水電工程中名列前茅，金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一些關(guān)鍵技術(shù)問題需要進(jìn)行深入分析研究。2溢流壩金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)洋溪水利樞紐工程初步設(shè)計(jì)溢流壩共設(shè)有1個(gè)泄洪高孔及9個(gè)泄洪低孔，每個(gè)泄洪孔均依次設(shè)有事故閘門及工作閘門。受主河道寬度限制，泄洪閘門的寬度也受到限制，閘門型式為窄高型。泄洪高孔工作閘門一般采用機(jī)械式四連桿啟閉機(jī)和液壓直聯(lián)式啟閉機(jī)機(jī)型，經(jīng)綜合比選和參考國內(nèi)已建工程實(shí)際運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，洋溪船閘人字閘門啟閉機(jī)選用臥式直聯(lián)液壓啟閉機(jī)，人字閘門啟閉機(jī)的設(shè)計(jì)原則是使啟閉機(jī)工作力矩曲線與人字閘門運(yùn)行時(shí)的阻力矩一致，以達(dá)到啟閉設(shè)備規(guī)模最小、工作效率最高的目的。根據(jù)《船閘閘閥門設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ308-2022)相關(guān)規(guī)定，大型人字閘門應(yīng)通過試驗(yàn)繪制阻力矩隨時(shí)間變化曲線，并求得總阻力矩最大值來確定人字閘門啟閉力。采用力矩平衡法計(jì)算啟閉力。3.2輸水廊道充、泄水工作閘門在閘墻內(nèi)兩側(cè)各設(shè)1條輸水廊道分別用于閘室充、泄水，在每條輸水廊道上、下閘首各設(shè)1扇工作閘門，共4扇。工作閘門孔口尺寸(寬義高)為3.0n)X3.5m,設(shè)計(jì)水頭32.8m；啟閉設(shè)備各采用1臺(tái)QHSY-1250/250kN液壓啟閉機(jī)。輸水廊道設(shè)計(jì)水頭近33m,無論是工作水頭，還是水位變幅條件，難度居國內(nèi)已建船閘前列，存在不少技術(shù)難題，需重點(diǎn)分析研究以下問題：(1)門型選擇。當(dāng)船閘輸水廊道工作水頭較大(超過20m)時(shí)，由于平面閘門存在門槽空化、門體振動(dòng)及啟閉技術(shù)較難解決的問題，一般采用弧形閘門，其中正向弧形閘門的閘門井位于閘門的下游，在閘門動(dòng)水啟閉過程中，門井水位的急劇降落可能造成大量吸氣，摻氣水流進(jìn)入閘室危及船舶安全，而反向弧形閘門的門井位于閘門的上游，閘門井不會(huì)吸氣，因此，采用反向弧形閘門是合理的。（2）船閘輸水廊道閘門常壓和減壓水力學(xué)、流激振動(dòng)、啟閉特性試驗(yàn)及三維有限元分析研究，包括閘門門體動(dòng)水荷載、閘門啟閉力及支較荷載、閘門防空化措施和流激振動(dòng)特性等技術(shù)問題，其中，閘門空化問題是高水頭船閘設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的技術(shù)難題。為減少高水頭船閘閘門空化，主要措施有：①提高閘門底緣空化數(shù)，避免空化發(fā)生，如加大閘門開啟速度、增大閘門處廊道的淹沒水深、優(yōu)化閘門段廊道體型；②采用門后廊道通氣的工程措施，減弱空化潰滅沖擊壓力，另外，在廊道的閘門段采取鋼板襯砌保護(hù)措施，保護(hù)廊道邊界免遭空蝕破壞。（3）船閘輸水廊道閘門門楣體型與摻氣布置1：1切片模型試驗(yàn)。大量工程原型觀測(cè)成果表明：在高水頭船閘輸水閘門段，除閘門底緣較易發(fā)生空化外，在閘門開啟過程中，因閘門面板與門楣形成的縫隙形狀如文杜里管，而作用水頭接近于上、下游水位差，門楣縫隙段更易發(fā)生空化，且強(qiáng)度遠(yuǎn)超過底緣空化，其空化類型屬剪切型，噪聲譜中高頻能量突出，空化潰滅所產(chǎn)生的空蝕破壞作用較強(qiáng)。洋溪船閘上游水位變幅10.0m,下游水位變幅16.53m,上下游水位變幅大，現(xiàn)有船閘工程門楣線型很難適應(yīng)如此大的水位變幅條件。通過門楣切片試驗(yàn)解決閘門頂縫空化問題，確保船閘運(yùn)行安全。（4）船閘輸水系統(tǒng)反向弧門止水結(jié)構(gòu)研究。洋溪船閘輸水閘門工作水頭達(dá)到32.8m,閘門水封的工作條件惡劣，在非恒定高速水流條件下閘門的水動(dòng)力學(xué)問題較為突出。開展船閘輸水系統(tǒng)反向弧門止水結(jié)構(gòu)研究，分析在閘門開啟中閘門止水承受的各種復(fù)雜水流荷載作用情況、在高速縫隙水流作用下水封發(fā)生撕裂破壞的原因、閘門振動(dòng)及空化空蝕等問題。4結(jié)語洋溪水利樞紐工程具有閘門孔口尺寸大、設(shè)計(jì)水頭大、總水壓力大、洪峰流量大、流態(tài)復(fù)雜、防洪調(diào)度要求高的特點(diǎn)，本文在設(shè)計(jì)中借鑒已建工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并通過模型試驗(yàn)和有限元分析計(jì)算，研究解決高水頭大推力泄洪潛孔弧門、高水頭船閘人字閘門、高水頭輸水廊道反向弧門的技術(shù)難題，確保金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備運(yùn)行安全。閘門孔口尺寸（寬X高）為7.00mX18.71m,設(shè)有1扇潛孔式弧形工作閘門，設(shè)計(jì)水頭42m,總水壓力約55000kN,弧形閘門支較總推力約60000kNo泄洪低孔工作閘門孔口尺寸（寬義高）為7.00n）X17.35m,每孔設(shè)有1扇潛孔式弧形工作閘門，設(shè)計(jì)水頭50.15m,總水壓力約67950kN,弧門支較總推力約70000kN。高孔閘門的啟閉設(shè)備采用QHLY-2X6300kN液壓啟閉機(jī)，低孔閘門的啟閉設(shè)備均采用QHLY-2X6300kN液壓啟閉機(jī)。對(duì)于溢流壩這種設(shè)計(jì)水頭大、操作水頭大、總水壓力大、啟閉機(jī)容量大的超大型潛孔式弧形工作閘門和液壓啟閉機(jī)，重點(diǎn)分析研究以下幾方面技術(shù)問題。1弧形閘門布置閘門及啟閉機(jī)總體布置關(guān)系到整個(gè)樞紐工程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性和安全性，閘門布置要避免在閘前產(chǎn)生橫向流、淹沒出流和回流對(duì)閘門沖擊，避免胸墻底部空腔產(chǎn)生“水-氣錘作用”等不利影響?；￠T支較和啟閉機(jī)支較的布置是設(shè)計(jì)考慮的重點(diǎn)，弧門支較高程對(duì)支較受力及啟閉力影響較大。對(duì)于本工程低孔弧形工作閘門，經(jīng)過計(jì)算分析，在總水壓力和啟門力的共同作用下，并考慮1.1的動(dòng)力系數(shù)，當(dāng)弧門支較布置在下游設(shè)計(jì)洪水位以上1m時(shí)，支較總推力約為78200kN；當(dāng)弧門支校布置在下游校核洪水位以上0.5m時(shí)，支較總推力約為85000kN；為了使弧門受力比較合理，并結(jié)合考慮泄洪水面線及水工布置的協(xié)調(diào)性，擬定弧門支較布置在下游設(shè)計(jì)洪水位以上1m處（約為底檻以上1.11倍閘門高度處）。這是符合鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范要求的?；⌒伍l門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（1）梁系結(jié)構(gòu)型式。泄洪高低孔弧門寬高比分別為0.37和0.40,屬于高窄型，這種寬高比很小的弧形閘門國內(nèi)并不多見，設(shè)計(jì)需要考慮的梁系結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)問題是閘門整體剛度及其門葉分節(jié)的問題。梁系結(jié)構(gòu)主要有3種型式：主橫梁同層布置、主縱梁同層布置、主縱梁疊層布置?？紤]到主縱梁同層布置能夠更好地解決高窄型弧形閘門整體剛度及門葉分節(jié)問題，因此，閘門的梁系結(jié)構(gòu)采用主縱梁同層布置型式，即面板支承在垂直次梁和主縱梁上，而垂直次梁與主縱梁之間的高差，采用多根橫梁支承前者，從而形成整體剛度較強(qiáng)的門葉結(jié)構(gòu)。（2）側(cè)向裝置型式。低孔閘門結(jié)構(gòu)下游處于深度淹沒狀態(tài)，閘門振動(dòng)位移明顯，具有低頻大振幅振動(dòng)特征，尤以側(cè)向和切向振動(dòng)為大,因此，考慮在閘門結(jié)構(gòu)每邊側(cè)向適當(dāng)位置設(shè)置滾輪（精加工），保持與兩側(cè)導(dǎo)軌（嚴(yán)格控制制作和施工安裝精度）的緊密接觸，使之起到閘門側(cè)向振動(dòng)約束作用和導(dǎo)向作用，控制可能產(chǎn)生的低階橫向和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。（3）水封裝置型式。鑒于閘門結(jié)構(gòu)水封漏水常常引發(fā)強(qiáng)烈自激振動(dòng)，危害很大，因此選擇適合的閘門底止水、側(cè)止水、頂止水的型式及水封的材質(zhì)，確保閘門在啟閉過程中不出現(xiàn)有害的自激振動(dòng)現(xiàn)象，減少空蝕和氣蝕影響。（4）支臂型式。支臂是弧形閘門的薄弱環(huán)節(jié)，國內(nèi)發(fā)生的弧形閘門破壞事故相當(dāng)部分是由于支臂失穩(wěn)引起的，而支臂的動(dòng)力穩(wěn)定性又是問題的關(guān)鍵，應(yīng)從結(jié)構(gòu)上保證支臂的穩(wěn)定性。本工程弧形閘門兩種孔口高度分別為18.71m和17.35m,面板曲率半徑33m,支臂長度達(dá)30m,總水壓力相當(dāng)大，在國內(nèi)屬最大級(jí)別之一。對(duì)于這樣的潛孔弧門，由于總水壓力大、支臂長，支臂的穩(wěn)定性尤為重要，考慮到直支臂配合支承鋼梁的結(jié)構(gòu)型式具有受力明確、無側(cè)向推力、支臂抗扭性能好、支較容易保證同心度的特點(diǎn)，因此，支臂型式采用直支臂。另外，由于門葉高度相當(dāng)高，雙支臂等荷載布置的型式難以解決門葉上部懸臂段的剛度問題，而三支臂可以使門葉上懸臂段減小，從而使懸臂段及閘門剛度得以保證，因此采用三支臂型式。(5)支較及支承型式。閘門每個(gè)支較的最大總推力近40000kN,對(duì)支校及支承的要求相當(dāng)高，考慮到球形支較具有受力明確、能夠適當(dāng)調(diào)節(jié)閘門制造安裝誤差的特點(diǎn)，弧門支校采用銅基鑲嵌自潤滑球形支較。對(duì)于支較的支承型式，由于鋼橫梁型式比牛腿型式能夠更好控制結(jié)構(gòu)變形量及支較的同軸度，因此采用鋼橫梁型式。支較座直接支承的鋼橫梁上，鋼橫梁的兩端通過預(yù)應(yīng)力鋼筋與閘墩連接，把閘門荷載傳遞到兩側(cè)閘墩。閘門流激振動(dòng)試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究目前弧形工作閘門的設(shè)計(jì)假定通常用平面假定體系，而弧形閘門本身是一個(gè)復(fù)雜的空間桿件及板殼系統(tǒng)，實(shí)際的應(yīng)力、應(yīng)變會(huì)與通常的計(jì)算結(jié)果有一定的偏差。而本工程弧形閘門尺寸較大，所以亦有必要根據(jù)通常平面假定體系并結(jié)合有限元分析進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算和流激振動(dòng)試驗(yàn)，相互驗(yàn)證，以便確定合適的結(jié)構(gòu)形式，力求閘門結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)安全、經(jīng)濟(jì)合理。(1)進(jìn)行泄水低孔水力學(xué)試驗(yàn)研究與體型試驗(yàn)論證。針對(duì)弧形閘門布置特點(diǎn)，測(cè)量底孔進(jìn)口及閘室段水流流態(tài)，流速、脈動(dòng)壓力、水面線、水流空化數(shù)等水力學(xué)參數(shù)；在運(yùn)行水頭變幅范圍內(nèi)，要求有穩(wěn)定的水流。由弧門開啟產(chǎn)生的水流不能影響建筑物的安全；在確保安全運(yùn)行的前提下，力求體型經(jīng)濟(jì)合理。(2)試驗(yàn)測(cè)定上游進(jìn)口可能形成的漩渦、封閉氣囊對(duì)閘門結(jié)構(gòu)的不利動(dòng)力作用，以及下游水躍對(duì)弧形閘門支臂、面板等局部結(jié)構(gòu)和整體結(jié)構(gòu)的沖擊作用，以及由此導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈振動(dòng)問題。(3)測(cè)定作用于弧形工作閘門的時(shí)均壓力分布和脈動(dòng)壓力荷載，取得脈動(dòng)壓力能譜，優(yōu)化閘門結(jié)構(gòu)的型式。(4)通過閘門結(jié)構(gòu)流固耦合振動(dòng)試驗(yàn)，研究工作閘門結(jié)構(gòu)的流固耦合振動(dòng)特性，測(cè)定弧形工作閘門的動(dòng)力特性，取得不同開度條件下閘門結(jié)構(gòu)流固耦合振動(dòng)特性的變化規(guī)律，明確結(jié)構(gòu)與水動(dòng)力高能區(qū)的相互關(guān)系。判斷工作閘門局部開啟運(yùn)行狀態(tài)下出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)或共振的可能性，采用抗振優(yōu)化措施以減免強(qiáng)烈振動(dòng)或共振。(5)通過全相似水彈性振動(dòng)模型，研究工作閘門不同開度條件下的流激振動(dòng)狀況，及其在水動(dòng)力荷載作用下的靜動(dòng)力響應(yīng)特征。取得不同水位、開度組合條件下的振動(dòng)加速度、動(dòng)位移及其動(dòng)應(yīng)力等結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)參數(shù)，給出諸振動(dòng)參數(shù)的數(shù)字特征及其功率譜密度，明確振動(dòng)類型、性質(zhì)及其量級(jí)等，把握水動(dòng)力荷載作用下閘門振動(dòng)程度及其危害性。分析振動(dòng)的性質(zhì)、強(qiáng)度及其危害性。提出控制閘門產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)的措施和方法。（6）研究論證閘門支臂的動(dòng)力穩(wěn)定性，確保閘門在不同運(yùn)行條件下支臂結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。（7）閘門結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過閘門水動(dòng)力荷載試驗(yàn)，取得作用于閘門的時(shí)均動(dòng)水壓力，水流脈動(dòng)壓力荷載的量級(jí)及其能量在頻域的分布特征；通過結(jié)構(gòu)彈性模型試驗(yàn)取得閘門結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)；通過閘門水彈性振動(dòng)研究，取得閘門結(jié)構(gòu)的振動(dòng)量級(jí)及性質(zhì)。根據(jù)上述成果的綜合分析，可以找出造成閘門有害振動(dòng)的原因，在此基礎(chǔ)上對(duì)閘門結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對(duì)性動(dòng)態(tài)修改。（8）研究閘門結(jié)構(gòu)滿足局部開啟要求的閘門抗振結(jié)構(gòu)布置形式，提出結(jié)構(gòu)抗疲勞、抗共振和強(qiáng)烈振動(dòng)免振體型和結(jié)構(gòu)布置。（9）根據(jù)閘門流激振動(dòng)模型試驗(yàn)成果，論證弧形工作閘門運(yùn)行的可靠性和適宜的局部開啟開度范圍。提出正確合理的閘門局部開啟泄水運(yùn)行的操作規(guī)程，確保工作閘門結(jié)構(gòu)乃至大壩的安全可靠運(yùn)行。（10）分析研究閘門支較支承鋼梁的靜動(dòng)力特性，論證支承鋼梁會(huì)否發(fā)生結(jié)構(gòu)共振的可能性，對(duì)存在問題采取有效措施予以解決。閘門制造工藝問題超大型弧形閘門設(shè)計(jì)除了結(jié)構(gòu)有足夠強(qiáng)度和剛度外，還要綜合考慮制造加工、運(yùn)輸、安裝等條件，對(duì)閘門進(jìn)行合理分節(jié)。另外，為了保證潛孔弧形閘門的止水效果，對(duì)弧門制造安裝精度要求很高，弧門面板表面需進(jìn)行機(jī)加工，保證面板平面度和橢圓度誤差滿足規(guī)范及工程實(shí)際要求。這也是超大型潛孔式弧形閘門制造工藝考慮的關(guān)鍵技術(shù)之一。本潛孔弧形閘門寬度7.00m,高度約18.00m,每扇閘門重量約550t,不管采用主橫梁結(jié)構(gòu)還是主縱梁結(jié)構(gòu)，橫向分節(jié)還是縱向分節(jié)都有相當(dāng)難度，經(jīng)分析，擬采用主縱梁結(jié)構(gòu)，縱向?qū)ΨQ分兩節(jié)，每節(jié)寬度3.5%再根據(jù)吊裝和運(yùn)輸條件進(jìn)行橫向分節(jié)，每節(jié)重量約50t。閘門面板表面加工時(shí)，可將每節(jié)門葉橫臥逐一進(jìn)行加工，全部加工完成后在廠內(nèi)進(jìn)行整體預(yù)組裝，檢查閘門制造加工誤差合格后再分節(jié)運(yùn)輸。啟閉機(jī)選型布置經(jīng)過方案比較，閘門的啟閉設(shè)備采用液壓啟閉機(jī)。如何確定液壓啟閉機(jī)支較位置是啟閉機(jī)布置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。經(jīng)過分析研究，采用最佳行程的求解方法，一方面根據(jù)啟閉力過程線盡量使初始啟門力等于最終啟門力，從而盡可能減小啟閉機(jī)容量；另一方面根據(jù)液壓缸和活塞桿的運(yùn)動(dòng)軌跡及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)確定啟閉機(jī)最佳行程，盡量減小液壓缸的長度，節(jié)省投資。經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算，啟閉機(jī)容量擬定為2X6000kN,行程11mo該規(guī)?；￠T液壓啟閉機(jī)在國內(nèi)達(dá)到領(lǐng)先水平。3船閘金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)洋溪水利樞紐工程船閘的建設(shè)規(guī)模為ni級(jí)船閘，有效尺度為190niX23.5mX4.8m（有效長度X有效寬度義檻上水深），最大通航1000t級(jí)船舶。上游最高通航水位163.00m,最低通航水位153.00m；下游最高通航水位148.78m,最低通航水位130.20m。最大水級(jí)32.8mo這么高水頭的單級(jí)船閘在國內(nèi)屬于最高級(jí)別之一。1船閘上、下閘首工作閘門船閘上閘首閘室寬度為23.7m,孔口尺寸（寬義高）為23.7mX15.8m,設(shè)計(jì)水頭15.8m；采用臥式液壓啟閉機(jī)操作。船閘下閘首工作閘門孔口尺寸（寬X高）為23.7mX38.8in,設(shè)計(jì)水頭32.8m；采用臥式液壓啟閉機(jī)操作。經(jīng)過方案比較，上、下閘首工作閘門的型式擬用人字閘門。人字閘門結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜，由門葉結(jié)構(gòu)（包括面板、主梁、次梁、隔板、推力隔板、門軸柱、斜接柱和背拉桿系統(tǒng)）、支承部分（包括支枕座和墊塊、頂樞和底樞）、止水部分（包括豎向門縫止水和底檻止水）以及其它部分（包括閘門檢修支承系統(tǒng)、鎖定系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、對(duì)中導(dǎo)卡和工作橋）組成。對(duì)于這么高水頭的人字工作閘門，重點(diǎn)分析研究以下技術(shù)問題：（1）針對(duì)門葉結(jié)構(gòu)的剛度、扭翹剪切變形、出現(xiàn)背拉桿為零桿以及疲勞裂紋的問題，要充分考慮并準(zhǔn)確計(jì)算泥沙荷載、風(fēng)阻力與啟閉壅浪壓力等所有可能的荷載組合。下閘首人字閘門高度近35m,門葉在啟閉過程中，在自重及外力作用下，會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的扭轉(zhuǎn)變位，結(jié)構(gòu)剛度問題尤為突出，要適當(dāng)增大主梁高度、加強(qiáng)主梁間橫向和斜向連接，特別是斜桿對(duì)人字閘門抗扭轉(zhuǎn)變形的作用非常明顯，要充分考慮其結(jié)構(gòu)及受力特點(diǎn)，對(duì)開、關(guān)門運(yùn)行工況人字閘門背拉桿預(yù)應(yīng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過計(jì)算分析選擇合適的斜桿布置層數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸，增強(qiáng)人字閘門結(jié)構(gòu)的抗扭翹剛度。（2）頂樞型式。常用的頂樞型式