拉西瓦水电站泄洪底孔事故闸门及门槽设计.pdf

72赵清静，李锋．拉西瓦水电站泄洪底孔事故闸门及门槽设计文章编号：1006-2610(2010)O2—0072—04拉西瓦水电站泄洪底孔事故闸门及门槽设计赵清静，李锋(中国水电顾问集团西北勘测设计研究院，西安710065)摘要：拉西瓦水电站泄洪底孔4mx9m-132m事故闸门属于目前中国高水头门型。门槽水力学比较复杂，采取何种措施以防止闸门振动、保证闸门和门槽运行安全，具有广泛的代表性。通过对该闸门门型的选择、闸门和门槽的结构特点、数值分析、水力学和振动试验、三维有限元计算等方面的介绍，可为此类型闸门设计提供参考。关键词：平面定轮闸门；事故闸门；门槽；高水头；充压式水封；水力学和振动试验；三维有限元计算中圈分类号：TV663文献标识码：ADesignofemergencygateandslotforbottomoutletofLaxiwahydropowerprojectZHA0Qing—jing，LIFeng(NorthwestHydroConsultingEngineers，CHECC，Xihn710065，China)Abstract：The(4mx9m一132m)emergencygateofthebottomoutletofLaxiwahydropowerprojectisthehigh—headtypegateinChinanow．Withcomplicatedslothydraulics，howtotakeeffectivemeasurestopreventgatevibrationandensuretheoperationsafetyofgateandslotisofwiderepresentativeness．Thispaperpresentstheselectionofgatetype，thestructurefeaturesofgateandslot，numer-icalanalysis，testonhydraulicsandvibration，and3Dfiniteelementcalculation，whichprovidesreferenceforthedesignofthistypeofgate．KeyWords：plainfixed—wheelgate；emergencygate；slot；highhead；impact—pressurewaterseal；testonhydraulicsandvibration；3Dfiniteelementcalculation结构布置相同(均称作泄洪底孔)。在泄洪底孑L进口1工程概况段设1道事故闸门，孔口尺寸4m×9m，挡水水头高拉西瓦水电站位于青海省贵德县与贵南县交界达132m，门槽倾斜布置，倾斜度为10。，闸门型式采处，是黄河上游龙羊峡至青铜峡河段规划的13个大用平面焊接结构定轮支承式，施工期渡汛时临时采用型水电站梯级中紧接龙羊峡水电站的第2梯级，总固定卷扬启闭机操作。坝顶门机具备使用条件后，作装机容量4200MW。为事故闸门启闭的永久设备，动水闭门，静水启门。拉西瓦水电站枢纽布置由双曲拱坝、坝身泄水闸门的工作水头高达110Ill，且布置在底孔出口末端建筑和坝后消力塘、右岸地下引水发电等永久建筑的弧形工作闸门有局开要求，对于事故闸门门槽段抗物组成。施工期在左岸建导流洞，泄水系统包括表空蚀性提出了很高的要求。在事故闸门下门过程中，孔、深孔、泄洪底孔、临时底孔4部分。电站的主要事故闸门结构受力、流激振动和工作闸门局部开度情任务是发电，无其它利用要求。电站金属结构设备况下的闸门受力及振动问题均需重视。由泄水系统、引水发电系统及导流系统的闸门和启泄洪底孔事故闸门的设计在吸取已有工程经验闭机设备组成。的基础上，首先提出门槽及闸门的结构型式，进行数拉西瓦水电站设泄洪底孔、l临时底孔各1孔，分值分析，并委托南京水利科学研究院(简称：南科别布置在13和lO号坝段，孑L口径向布置，2孔尺寸和院)分别通过闸门及门槽水力学试验、闸门水动力荷载试验、闸门结构模态试验、闸门水弹性振动试验收稿日期：2009—11-30以及减压模型试验相结合的途径，进行门槽体型论作者简介：赵清静(1979一)，女，河南省邓州市人，工程师，从事证并优化、闸门结构流激振动研究及闸门结构的抗金属结构设计工作振优化设计_】I2J，以提高泄水道抗空蚀能力，完善闸 西北水电·2010年·第2期73门设计，优化闸门布置，以达到工程安全、投资节省、向洞室输气，改善过闸水流流态，从而改善事故闸门水流条件好、结构稳定可靠、运行管理方便等要求。运行时的水力学条件，预防泄水道空化空蚀，减免闸闸门主要技术参数：门振动，确保闸门乃至底孔的正常运行。坝顶高程2460．00m正常蓄水位2452．00m校核洪水位2457．00m泄洪底孔的底坎高程2320．00m孔口尺寸(宽×高)4m×9m最高过流水头110m挡水水头132m止水宽度4．15m止水高度9．4m操作方式动闭静启启闭机容量3200kN2门槽设计根据规范要求采用Ⅱ型门槽并参考已建工程的门槽体型，初拟门槽体型后通过水力学试验，测定底孔水流流量、流态、脉动压力、水面线、水流空化数等图1门槽体型图单位：mm水力学参数，验证并优化门槽体型，确定闸门的补气对于上游止水的平面闸门而言，理论上，门井部方式。测量闸门面板和底缘上的时均压力分布和脉分是一个良好的补气通道，但大量的平面闸门试验动压力，优化闸门的底缘形式。通过闸门及启闭机结果显示，由于流经闸门底缘的下泄水流向两侧扩系统联合试验，测定闸门闭门力(特别是下吸力)。散，直接冲击门槽下游缘壁面，形成反弹水流直冲门在减压条件下，测定门槽在不同运行水位、闸门井，其上冲的水流量与闸门底缘位置密切相关，门槽开度条件下的门槽初生空化数，判断事故闸门门槽宽、底止水位于上游面板底部时，水流扩散加剧，反及其邻近区域发生空蚀的可能性，研究事故门槽的弹水流量就愈大，封闭门井进气通道的可能性就越抗空蚀体型。大，有时还会形成压力水柱，这种水力现象设计时不通过水弹性振动试验，测定作用于平面滚动闸易估计到。反之，底止水位于下游面时，水流扩散对门面板及底缘、边缘上动水闭门时均压力分布和脉门槽的冲击影响小，反弹的水流量也随之减小。显动压力，测定分析闸门振动特性，综合分析闸门产生然由于门槽存在扩散、冲击反弹水流，一般均将门井振动的原因，提出抗振优化措施。找出水位组合、开输气通道封闭，不能起到应有的补气作用，亦即难以度和闸门振动三者之问的关系。通过门井实现补气的目的。因此，在门井后设置通试验优化后，事故闸门门槽采用宽深比气孔仍然是主要的输气通道和手段。IV／D=1．786、错距比△／W=0．064、斜坡坡度为底孔事故闸门通气孔按2孔直径0850mm风1：12及外圆角R=50mm体型，如图l所示。速试验表明：2．1通气孔设置(1)水位2430m、事故门全开情况下，工作门事故闸门在闭门过程中，闸下在一定开度范围相对开度0．7～0．9时，通气孔进气量较小，闸门全内将出现高速明流，并受到闸门门型尤其是底缘体开后达到最大，为14．4m／s。型、门槽边壁约束的影响，出闸水流自由表面剧烈紊(2)通气孔风速随上游库水位的增加而加大。动，从而引起下泄水流大量掺气和挟气。若补气不当上游水位降至2400m时，工作门后底空腔通气畅，水流掺气会不充分，水面以上空腔出现负压，引开始不畅，通气量逐渐减弱；当水位降至2358m以起闸门底缘产生较大负压和下曳力，从而增加持住下时，通气孔内已经完全被封闭，此时闸门的工作水力和启闭机容量；此外，通气不畅还会导致泄水道形头约38m，相当于起跳水位为2358m。成负压气囊，产生强烈不稳定水流运动，形成对洞室(3)事故门下门过程中，门后通气孔风速均大和闸门有害的水动力荷载。通气孔的设置将有助于 74赵清静，李锋．拉西瓦水电站泄洪底孔事故闸门及门槽设计于50m／s。可以考虑将通气孔面积适当放大，以便门开度的门槽空化数下降，最低空化数降至0．6以将风速控制在60m／s以内。下，已进入门槽空化区，这是平面闸门不容许在高水根据南科院试验报告，将2孔通气孔的直径增头下进行局部开启操作的根本原因。事故闸门下门加至01000mm。过程中，门槽上半部分边界的压力由于射流脱壁而2．2钢衬方案使压力明显下降，而扩散水流对门槽下游壁面和下工作门、事故门全开运行时，门槽的水流平均空游缘部位的冲击导致边界压力显著上升。闸门小开化数为0．9，可以满足闸门全开运行时的门槽抗空度时，最大冲击压力达到80．0m水柱以一L。化要求。当工作门做局部开启运行，门槽水流的空故采用门槽外上游1m、下游3．5ITl及门槽内化数将进一步提高。但事故门下门过程中，部分闸全部钢板衬砌的方案。明、＼甲。盎I．．．L；●o!星o●●oO●·IlI星0●●ol●oI1Il：掣一一’o萤o1●豳。●甲o基一一．—一．l3036一B7o一—mI’22OO‘惺Il7}c毒|I摩骨由糟塞塑塑篁吕曲．册l_占一杏每．水-．一III■-一--●-蓬IkI拇心线l4f习几IE嫩j图2事故闸门门叶总图单位：mm 西北水电·2010年·第2期75高，止水选用充压式水封。闸门关闭时，水封充压腔3闸门门叶设计随着门叶上下游水位差增加而充压，水封橡皮头伸出事故闸门形式采用平面定轮门，主支承布置在下压紧面板来达到更好的止水目的；闸门在开启时，水游侧，面板、水封布置于上游侧。门叶为焊接结构，整封充压腔随着门叶上下游水位差减小而泄压，水封橡体启吊。为便于工地安装，并满足运输的要求，设计皮头缩回来达到减小启门力和减少水封磨损的目的。中将门叶分3节，顶节和底节为等截面箱形梁结构，顶水封处的时均压力随闸门开度的变化而变中节为等截面工字形双主梁结构。运至工地后节间化，在闸门上游面板上布置了3道接力顶水封，当闸用腰带焊接联接。每节门叶左右两侧各设2个主支门开启到一定高度时，上一层水封脱离胸墙，下一层承滚轮，另设反向滑块和侧轮。见图2示。水封接力止水，因此作用于顶水封的水压力始终为闸门结构的静动力特性分析，运用三维有限元门前泄水道上方的作用力。研究闸门结构的静动力特性，给出不同工况下闸门4启闭容量确定及锁定装置的选择各主要结构件(面板、主梁、次梁、边梁和连接板)的最大位移和应力值以及发生部位，计算闸门各支承4．1启闭机容量的确定轮的轮压分布值，轮压分布计算按2种节问连接形事故闸门动水闭门模型试验，在设计动水闭门式分别计算，以选取合理的节间连接形式。计算闸控制水头110In，即上游水头2430in状态下进行，门的水弹性耦合问题共振特性、共振频率、附加质闭门过程中闭门力的脉动很大，说明闸门受到水流量、阻尼等并对照试验做出对比分析。的作用影响比较大，局部开启下的流态不太平稳。3．1门叶结构及连接方式下吸力强度高达30．97kN／m，较规范值大，这是实门叶结构设计考虑单纵隔板和三纵隔板2种方际工程上事故闸门闭门力或持住力常常大于设计值案比选。按单纵隔板布置计算结果显示，结构应力不的原因之一。闭门过程中，最大闭门力、持住力出现合理，在较大范围出现应力超标现象；采用三纵隔板在刚下闸门时，以及出现明满流过渡阶段。校核事布置计算后，将最底节箱形梁后翼缘加厚至46一，故闸门能否安全闭门，除闸门自重外，应当考虑闸门并在箱形主梁上下增加纵隔板个数，位置尽量均布。接近全关水位下水平正向水压力产生的各项摩擦门叶连接方式考虑2种形式：①纵隔板、边梁力。校核闸门启闭机容量以最大净动水作用启门力和面板均用腰带板焊接；②纵隔板不焊，边梁和面或持住力出现点进行计算，启门力最大2895．5kN，板用腰带板焊接。2种连接形式对闸门的受力特性启闭机容量选择3200kN满足工程需要。没有显著的影响，相对而言，连接方式①的轮压均匀4。2锁定装置的选择性略好于连接方式②，前者的最大应力值和次高应事故闸门用拉杆连接锁定在孔口以上，门体自力也略小于后者。故设计采用“纵隔板、边梁和面重195．58t(含配重)，拉杆重量63．528t，因门槽为板均用腰带板焊接”的连接方式①。倾斜布置，倾斜度为10。，故锁定轨道要充分考虑水3．2支承定轮设计平剪切力的影响。另拉杆总长达131．5ITI，为尽量定轮直径ol000HⅡn，踏面为双曲率，轴径D360减少操作中拉杆与墙体的摩擦阻力，在每节拉杆上mm，轮轴两端支承在轴承座内的滚动轴承上。主轮设置1套直径为200mm的支承定轮。材料为ZG34CrNiMo，热处理后踏面硬度HB360～5结语380，13～19mm处硬度HB320～340，20～26mm处硬度不小于HB250。主轮轴承为进口优质调心滚子轴拉西瓦水电站底孔事故闸门制造和安装顺利，承，0300／0500—160(额定静负荷5100kN，额定动负已于2009年3月下闸蓄水前投入运行。水库蓄水荷3200kN，滚动摩擦系数不大于0．002)。定轮是事位随工程进度日渐升高，事故闸门将有待于接受高故闸门承受荷载的主要部件，按平面体系计算方法的水头实际运行的检验。计算荷载达4535kN(考虑不均匀系数1．1)，通过有参考文献：限元分析得出的最大计算荷载为4890kN(考虑不均匀系数1．1)。在中国，工程中这么大的轮压采用双[1]严根华，赵建平，胡去劣．拉西瓦水电站工程泄洪底孔、临时底孔闸门水力学和振动试验研究报告[R]．南京：南京水利科学曲率定轮还未有先例。研究院，2007．3．3止水形式的设计[2]严根华，赵建平，胡去劣．拉西瓦水电站工程泄洪底孔、临时底孔闸事故闸门止水方式为上游止水，由于承压水头门流激振动试验研究报告[R]．南京：南京水利科学研究院，2~1(／7．