简介： 红花泄水闸工作门属于超大型平板闸门，控泄调度频繁，本文针对闸门及门槽设计方案的选定、闸门结构设计和模型试验等进行了介绍，并对其中所运用的新技术、新材料和新思路进行了论述，为类似工程设计提供参考。
关键字：平面闸门，门槽型式，荷载分配，模型试验
1 概述
红花水电站位于广西壮族自治区柳江县境内，是珠江流域西江水系柳江综合利用规划确定的柳江干流最下游一个梯级。电站总体布置由右岸厂房、左岸船闸、中间泄水闸及两岸门库段、土坝等组成。
泄水闸共18孔，主要起挡、泄水作用，最大泄洪流量达44800m3/s。泄水闸工作闸门采用平面定轮钢闸门，孔口尺寸（宽×高-设计水头）为16m×18m-17.598m，18孔18扇，采用固定卷扬式操作，一门一机布置。为了检修闸室、闸门及其埋件，工作闸门上、下游分别设置检修门。
2 泄水闸工作闸门及门槽型式选择
红花水电站泄水闸经水工模型试验确定采用开敞式改进机翼堰形式，泄水闸上游校核洪水位（P=0.1%）为91.52m，校核洪水流量为42000m3/s，上游设计洪水位（P=1%）为86.43m，设计洪水流量为32700m3/s，正常蓄水位为77.5m，下游校核洪水位为90.95m，下游设计洪水位为86.05m，下游最低水位为59.79m，堰顶高程60.0m，坝顶高程94.65m。
泄水闸工作闸门设计水头乘孔口尺寸达5068m3，属于超大型闸门，在国内已建同类型工程中，规模位列前茅。泄水闸运行方式包括18孔全开，18孔均匀开启，8孔均匀开启，5孔均匀开启和4孔均匀开启等方式。水库流量调度比较复杂，泄水闸工作闸门局部开启控泄频繁，按常规首选门型为弧门，以改善泄流时的水流流态。根据《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL 74-95）5.1.7款规定：露顶式弧形闸门面板曲率半径与闸门高度的比值可取为1.0~1.5；弧门支铰宜布置在过流时支铰不受水流及漂浮物冲击的高程上；水闸的露顶式弧形闸门，支铰位置可布置在闸门底槛以上2/3H~H处。由于本工程上、下游泄洪水位高出正常蓄水位较多，无法完全满足规范推荐方式布置，考虑尽量减少水流及漂浮物对支铰的冲击和减少弧门全开时支臂对水流的阻挡，支铰布置在略高于下游设计洪水位的高程。考虑弧门支铰不宜上翘太高以减小竖直向上的水压力，必须增大弧门面板曲率半径，闸室顺水流方向长度将大大增加。因此，弧门方案不管是金属结构还是土建工程量都将较高，大大增加工程投资。
参考国内已建同类工程项目四川省乐山县龚嘴电站溢洪道工作门12×18-23.5m、贵州省清镇县东风电站溢洪道工作门15×21-21m、四川省武胜县东西关电站泄洪闸工作门14×19-18.5m均采用平面定轮钢闸门。湖南凌津滩水电站泄洪闸系统共布置9孔高坎泄洪闸及5孔低坎泄洪闸，高坎泄洪闸工作门18×15-15m；低坎泄洪闸工作门18×16-16m。设计时考虑由于上游水位变幅大及下游洪水位高的特点，工作闸门门型选定为平面定轮钢闸门。鉴于目前国内大型平面定轮钢闸门应用于泄洪工作门已有一些尝试，随着技术不断发展，而本工程水位又特殊，故泄水闸工作闸门门型选定为平面定轮钢闸门。
国内外大量的工程运行经验表明：平面闸门门槽空化空蚀问题十分严重，甚至造成严重事故，选择适当的门槽形式以改善门槽附近的水力学条件，尽量避免不利工况，缓解空化空蚀问题非常重要。因此，对本门槽设计进行优化，采用特殊体型，最终确定下游埋件用圆弧形的错距门槽。本工作门门槽具体结构尺寸见表1。
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形状参数
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规范推荐
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设计尺寸
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合宜宽深比
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W/D=1.5～2.0
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W/D=2.00
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较优错距比
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△/W=0.05～0.08
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△/W=0.055
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较优斜坡
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△/X=1/10～1/12
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△/X=1/10
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较优圆角半径
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R=30～50mm
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R=40mm
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W=2.20
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D=1.10
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△=0.11
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X=1.10
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R=40mm
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表1 门槽几何形状参数比较表
根据已有科研成果及工程实例，此型门槽初生空穴数Ki=0.4~0.6，当实际工程中门槽附近的水流空穴数K＞Ki时，门槽一般不至于发生空蚀。水流空穴数可利用下式计算：K=
，式中H1为紧靠门槽上游附近的断面平均压力，Ha为大气压力，Hv为水的汽化压力，V1为紧靠门槽上游附近的断面平均流速，g为重力加速度。根据本工程试验结果可以看出：设计所采用的门槽体型是可行的。在敞开泄洪中门槽水流空穴数非常高，不会出现空化空蚀问题；而当闸门作局部开启运行时，工作门门槽在大部分工况下具有一定的抗空化空蚀能力，但少部分小开度闸下自由出流工况下的门槽空化数安全裕度不大。因此，尽量避免在1.5m以下的闸门小开度状态下运行，可基本保证门槽的运行安全。
3 闸门结构设计
泄水闸工作闸门共18孔，孔口净宽16m，底槛高程59.902m，挡正常蓄水位77.5m，考虑超高后闸门设计高度18.0m。闸门设计水头为17.598m，封水宽度为16.16m，支承跨度取为17.0m，闸门动力系数取1.2，总水压力为30028kN。闸门结构主要材料为Q345，梁系采用多主横梁同层结构布置，闸门总体结构布置见图1。
图1 闸门总体结构图
3.1 闸门梁系设计
闸门主梁布置除底主梁外，上部主梁尽量等荷载布置，采用相同主梁截面，方便制造。底主梁采用双腹板箱型梁，由于闸门底槛下游侧有向下5°的偏角，为减少门底底主梁以下悬伸长度以减小底主梁荷载，同时又能满足底主梁到底止水的距离符合底缘布置的要求，下游倾角设计为26.2°，底主梁与底槛的夹角则为31.2°＞30°。为改善水流流态，底主梁后翼缘与底次梁间采用钢板进行密封。水平次梁采用槽钢，近似按等跨连续梁设计，槽钢肢尖向下，以防积水和积尘。纵梁（隔板）与主梁等高设计。为减小闸门运行过程中的振动，结构设计时考虑了适当提高闸门的整体刚度。
本设计中主梁荷载分配采用了少用的连续梁法。目前主梁荷载计算方法有相邻间距和之半法、力矩法和连续梁法，一般资料都推荐采用前两种方法，但这两种方法均只考虑了水压力作用，没有考虑纵梁对主梁的约束作用。而现在一般闸门的纵梁因构造要求均与主梁等高，纵梁经主梁分隔后跨度又都很小，纵梁对主梁的相对刚度较大，多主梁闸门的荷载计算，实际上是一个超静定问题。但在以前的工程设计中，受制于求解多次超静定连续梁内力的繁琐计算，一般都采用了前两种计算方法，或将闸门设计成多节以适应假定体系。计算结果有时会有较大误差；分节设计制造繁杂，大大降低了闸门整体刚度，不利于避振。随着计算机技术的快速发展和计算机应用的广泛普及，许多工程软件日趋成熟，简单、快速求解多次超静定连续梁内力已成为可能。采用连续梁法，将纵向单位宽度面板当作支承在主梁上的连续梁，根据闸门的传力特点，这样更接近于结构的实际受力情况。利用相关软件可求得各主梁处的支反力即主梁所分得的单宽荷载，累加后即得主梁荷载，见图2。再按受均布荷载的简支梁进行主梁结构设计。连续梁法计算结果误差较小，且闸门不分节设计，设计效率较高，闸门结构简单，整体刚度较大，相对节省工程量，提高了闸门的避振效果。
图2 闸门主梁布置及其荷载
3. 2 闸门主支承设计
此类大孔口闸门主支承以前多采用台车式结构，但台车式支承结构非常复杂，制作不便，而且需要较大的门槽深度，要求更宽的闸墩宽度，增加工程布置的难度。随着新材料和新技术的不断发展，水工专用关节轴承已应运而生，为方便布置，本闸门主轮采用后置式带轮架线接触简支轮，主轮轴套采用自润滑关节轴承，以适应因闸门变形而在梁端形成的偏角，确保滚轮的线接触特性，解决了大跨度、高轮压主支承轮的设置难题。主轮支座处采用偏心轴套，既方便了主轮调平，又克服了传统偏心轴带来的密封偏心问题。为充分利用材料，主轮尽量近似按等荷载布置。边柱看作支承在主轮上的连续梁，受主梁传递来的集中荷载作用，于是利用相关软件可求得各主轮处的支反力即主轮所承受的荷载，见图3。主轮轮径为Φ900mm，材料采用ZG35CrMo，主轨采用铸钢轨道，材料为ZG50Mn2，均调质处理。
图3 闸门主轮布置及其荷载
4 模型试验
为了进一步确保本闸门及门槽在工程运行中的安全性，设计过程中特委托南京水利科学研究院进行了模型试验研究。
4.1 模型试验研究的内容
根据红花泄水闸的运行工况及闸门水力结构特征，通过对以下内容的试验研究，论证设计方案的合理性，揭示其存在问题，从而确保工程的运行安全。
a）门槽空化空蚀问题研究。门槽空化空蚀问题重点考察闸门在局部开启状态下门槽及其下游相邻区域的压力分布特性、流态，特别是下泄水流对门槽产生局部水流分离，可能导致空化空蚀的水流脉动压力引起的间隙性空化。取得闸门不同运行工况下的门槽水流空化数，研究门槽的空化性能。
b）闸门水动力荷载研究。闸门运行过程中出现强烈振动的根本原因在于水流荷载与闸门结构动力特性二者的不利组合作用，危害性最大的是发生共振。重点研究作为闸门结构振动的外部诱因的水动力荷载对闸门的作用情况。
c）闸门结构振动特性研究。闸门结构的振动特性包括固有频率、振型、质量、刚度、阻尼等参数。一旦结构体型确定，闸门结构的固有特性亦随之确定，这些特性构成了闸门结构是否会发生强烈振动的内因。
d）闸门水弹性振动研究。泄水闸运行时，闸门结构在水动力作用下产生振动，为了真实地测取闸门振动的加速度、动位移及动应力等参数，利用全水弹性相似模型，研究闸门在不同运行水位、不同开度条件下的振动特征。明确闸门振动的性质和危害程度，寻求振动产生的原因并提出减振措施。
e）闸门结构动态研究。根据对闸门水动力学荷载试验、结构弹性模量试验和闸门水弹性振动研究成果的综合分析，找出造成闸门有害振动的原因，在此基础上对闸门结构进行针对性动态修改。
f）闸门运行操作规程的制定。通过系统试验研究，为泄水闸制定兼顾门槽良好水力条件又保证闸门平稳运行的操作规程，以确保泄水建筑物的安全运行。
4.2 模型试验研究的结论和建议
通过模型试验研究，最终得出以下结论并提出相应建议，确保泄水闸门槽及闸门的运行安全。
a）红花水电站泄水闸工作门在不同运行水位及开度下的水动力试验成果表明，在选定的骆峰堰条件下，采用的Ⅱ型门槽体型总体上是可行的。门槽的水流空化数的分析计算结果表明：在工作门全开泄洪闸畅泄条件下，门槽段边界不会受到空化空蚀威胁；当工作门作局部开启运行时，大部分运行工况门槽水流空化数较高，但部分小开度工况，尤其当闸门开度小于1.5m时，水流空化数较低，安全裕度小，为安全起见，尽量避免闸门在小开度下运行。
b）水流流态观测表明：工作闸门局部开启运行条件下，闸门下游的水跃情况主要发生在临界水位以上。当下游水位较高时呈现淹没出流状态，闸后淹没水跃及涌浪对门体的振动将产生影响；水位较低时呈现自由出流状态，闸下流态对门体不构成威胁。
c）闸门模态试验结果显示，考虑水流附加质量对闸门自振特性的影响，一阶基频约为5.0 Hz。从总体上看该闸门的基频较高，对结构抗振有利。
e）泄流状态下闸门结构的振动量以顺水流方向为最大，侧向次之，垂向较小；在一定上下游水位条件下，振动量随闸门开度的增加而加大。在设计给定的试验工况下，当闸门处于1.0m～6.35m局部开启范围时，最大振动量出现在上游水位76.5m，下游水位72.13m，闸门开度6.35m的运行工况。闸门振动的主能量集中在0～5Hz范围，说明闸门振动的振源系下泄水流淹没水跃在下游消力池内高度紊动及表旋滚回拍门体产生的。
f）在设计给定工况下，闸门结构在大部分运行工况不会出现强烈振动，闸门的总体设计是合理的。从控制振动量角度看，闸门运行时要密切关注出现较大振动量的运行工况，并力求避免在上述工况下作局部开启运行。此外，闸门的振动还与水封的制造安装精度﹑漏水情况等密切相关，因此制造施工阶段应当加强闸门及其埋件的质量控制，确保运行安全。
5 结 语
本文简要介绍了红花水电站泄水闸工作闸门门型及门槽的选定，闸门结构设计和模型试验研究情况。一期工程8扇闸门已下闸蓄水，二期工程10扇闸门在制作过程中。模型试验验证了闸门结构及门槽设计的合理性，采用新的主梁、主轮荷载分配算法后，设计计算结果同有限元复核计算结果相吻合，可为同类工程提供一定的参考作用。影响闸门振动的因素很多，闸门运行时应加强现场观测，避开振动较大的运行工况，确保闸门运行安全。