水电站溢洪道超大型弧形工作闸门设计解析

苟小伟

摘    要：随着我国水利事业不断发展，当今水利电站工程数量越来越多，为了能够全面保障水电站运行安全性、稳定性，必须要加强溢洪道超大型弧形工作闸门设计工作，其不仅要具备防洪、保护的功能，同时也要确保闸门使用效率与功能。基于此，本文重点探究水电站溢洪道超大型弧形工作闸门设计方案。

关键词：水电站;溢洪道;超大型弧形工作闸门;设计

1  引言

溢洪道作为水利建筑的防洪设备，通常都建设在水坝的一侧，就像是一个大槽，如果水库水位超过了安全界限，水就会从溢洪道向下游流出，避免水坝被破坏。溢洪道想要实现排、堵水的功能，就必须要保证工作闸门设计的规范性，在水位超过标准时，闸门可以自动打开向下游排水，从而确保水电站的安全性。

2   工程概况

某水电工程溢洪道主要设置了4孔闸门，孔口尺寸的宽度和高度分别为13m、22m，校核泄洪量为13330m3/s;设计泄洪量为11478m3/s。泄洪道每个孔都设置一道闸门，总共4扇闸门。闸门主要的作用是泄洪、调节水库水位、动水启闭、局部开启等。由于本工程溢流堰顶高程在死水位的15m以下，所以超大型弧形闸门通常是处于关闭状态来保障发电水位。

由于发电站水库带有调节功能，所以弧门的启闭十分频繁，再加上闸门本体体积较大，所以闸门设计是否稳定、安全会直接影响水电工程安全性能。常规的设计手段主要是对构件进行处理分析，无法反应内部构件的受力情况。为了能够保障闸门设计质量，掌握闸门内部构件受力特性、振动性能。在CATIA平台上采用三维有限元对弧门进行了分析，并计算整个弧门正常挡水情况下构件所受到的静应力、位移系数、稳定性能，之后再对闸门活动状态下的动态特性进行分析。

3   水电站溢洪道超大型弧形工作闸门设计

3.1  闸门结构设计

在闸门结构设计当中，需要按照最不利于工况标准进行设计，确保闸门能够应对任何的事故。结合工程概况，闸门设计水头23.94m下的启门工况。在实际设计当中，需要重点考虑闸门结构不同部位的动力系数。

在弧门框架设计过程中，要按照主梁正、负弯矩大致相同的原则，在闸门开启当中，弧门框架除了会受到水压荷载力之外，还需要承受液压启闭机的启门作用力，为了保障梁臂位置的最大弯矩以及跨中最大弯矩向接近，主梁悬臂端长度设计为19m，从而达到又经济、又可靠的目的。为了降低支臂弯矩以及框架反作用力，在能够满足以上条件基础上，要尽可能增加支铰中心到侧墙之间的距离。

本工程弧门框架主梁、支臂单位刚度比为：上框架为6.656;中框架6.243;下框架为6.195。在截面选择过程中，由于中、下主梁会受到启门力的影响，因此中、下主梁、支臂设计采用箱型截面，受力较小的上主梁、支臂采用了“工”字截面。支臂在弧门当中发挥着重要作用，支臂除了能够满足上述刚度、强度外，在实际使用中也必须要保持稳定性。弧门破坏的主要形式就是支臂失稳，会造成严重的事故。为了能够强化支臂稳定性，需要在上、中支臂之间以及中、下支臂之间增加连接系统以及斜向连接系统。针对支臂截面尺寸较大的问题，可以在支臂腹板上增设筋肋，这样可以提高腹板局部的稳定性。

3.2 闸门零部件设计

3.2.1  止水设计

为了保障弧门的密封性，侧水封采用了无节型橡塑复合止水装置，水封座材料为不锈钢，这样可以减少水封磨损，延长整个系统的使用时间，也能够减少水摩擦、提高闸门的启门性能。底止水和底坎采用了I130-20止水，根据实际工程情况对夹角进行切割处理，并保留5mm的预压缩量，这样即可满足水坝的止水标准。

3.2.2 侧向支承设计

为了避免闸门启闭过程中造成中门叶倾斜卡阻问题，确保侧水封能够正常使用，在闸门边柱腹板位置上增设了筒支侧轮，并在侧轮底部安装了橡胶垫（15mm），侧轨与侧轮之间保持5mm的距离。每节门叶布置2个，总统布置了16个。

3.2.3 支铰设计

闸墩与闸门传力的主要零部件就是支铰，在结构设计当中十分重要。支铰设计需要考虑其受力，要结合最不利于工况的基础下进行支铰设计，包括水压力、启门力、止水摩擦力、重力等，从而获得支铰座板平面垂直应力以及支铰座的平衡应力（侧推力）。再者，需要正确选择支铰轴型式，对于超大型弧门通常都选择球铰或者圆柱铰。在性能选择中，结合工程实际情况，要求动荷载在60850kN以上;静荷载在101420kN以上。

3.3  闸门三维线弹性有限元设计

在三维线弹性有限元分析当中，在实际设计当中需要重点计算弧形闸门在挡水工程下的位移、静应力、稳定性、闸门自由状态下的动态性能，采用四面体单元形式进行计算，将整个闸门模型划分为502452个单元、163623个节点，在进行动力分析当中，对闸门时间质量之后，在增加任何约束的情况下，确保闸门能够实现自由开启状态，对闸门的自由模型进行分析，分析闸门自由状态下的运行频率，从而获得闸门在各个振动频率状态下的振动模态，这样即可得得到闸门在动态情况下的运行特征。本工程的三维线弹性有限元计算结果为：

（1）在正常挡水情况下，闸门不会受到较大应力，大部分情况下闸门所受到的应力都可以控制在100MPa以内，最大变形处位于上肢臂，位移距离为20mm。

（2）在正常挡水情况下，对屈曲系数进行分析可知，各个模态屈曲系数都保持在1以上，表明闸门运行稳定性符合规定标准;。

（3）闸门在自由状态下，振动频率能够控制在0～5Hz之间。大体上来看，模态数量和闸门变形系数成正比，也就是模态数量增加约会增加闸门变形系数。通过分析自由振动系数，表明闸门上肢臂抗震性较弱（与最大变形成正比）。

从整体方面来看，在三维线弹性有限元参照比较当中，本工程闸门设计的安全性、可靠性符合设计标准。

3.4  启闭机选型布置

现如今，液压技术不断发展和进步，其先进性也逐渐被设计人员认可，在设计中液压技术的应用也愈加广泛。在漏顶式弧门，特别是超大型弧门设计当中，双缸液压机已经成为了设计当中的首要选择。这是因为液压启闭机在超大型弧门设计当中具有十分明显的优势，例如布置紧凑、结构清晰、自重小、承载性能强、抗缓冲能力强、调速效率高、可以实现自动化等等。特别是在近几年，随着液压启闭机在实际应用中愈加成熟，应用水平也有所提高，因此新型液压技术也广受大型金属结构设计者的欢迎，并且在实际应用中取得了不错的成效。因此，本工程溢洪道弧门主要是采用了液压启闭机作为弧门启闭装置。

在双缸悬挂式启闭机布置过程中，其核心要点是如何将启闭机油缸正确安装在挂点位置，让启闭机在启闭门时能够实现最佳性能。通过采用作图法对不同设计方案进行对比，可以找出弧门油缸的最佳挂点，并提出相应的工作行程。本工程的溢洪道弧门启闭机容量为2*4500kN，工作行程为14m。

4  结束语

综上所述，为了能够保障水电站工程运行的安全性、稳定性，确保溢洪道闸超大型弧门运行功能。本文结合了某工程概况与特点，对弧门进行设计分析，包括闸门结构、零部件、三维线弹性有限元、启闭机等，该设计在实际投入使用中可以完全满足溢洪道排水、调节功能，提高了水电站的运行效益。

参考文献：

[1] 王兴恩.董箐水电站溢洪道超大型弧门设计的几点探讨[J].水电勘测设计，2012（4）：14～18.

[2] 黄伟，杨永岗.糯扎渡水电站溢洪道表孔超大型弧形闸门倒序安装[J].水利水电技术，2014（3）：38.

[3] 王春，罗进. SonLa水电站超大型潜孔弧形闸門布置形式研究[J].华北水利水电大学学报（自然科学版）， 2015（5）：34～38.