前坪水库工程泄水建筑物金属结构设计及关键技术研究

2018-12-05王长江

治淮 2018年11期

胡嵩王长江

一、工程概述

前坪水库位于淮河最大支流沙颍河的主要支流北汝河上游，坝址在河南省洛阳市的前坪村附近，汝阳县城以西9km。水库控制流域面积1325 km2，多年平均径流量2.93亿m3。建成后，可以控制北汝河山丘区洪水，将北汝河防洪标由现状的10年一遇提高到20年一遇；配合已建的昭平台、白龟山、孤石滩水库及规划兴建的下汤水库、燕山水库和泥河洼蓄洪区联合运用，控制漯河下泄流量，将沙河的防洪标准由目前的10～20年一遇近期提高到20年一遇，远期提高到50年一遇，从而逐步解决沙颍河防洪问题。

前坪水库工程泄水建筑物包括溢洪道、泄洪洞、输水洞。相应的金属结构有溢洪道工作闸门、泄洪洞工作闸门和事故检修闸门、输水洞工作闸门及拦污栅。本文着重对泄洪洞事故闸门的门槽型式、持住力进行了研究、分析与计算。

二、泄洪洞闸门设计

泄洪洞1孔，孔口净宽6.5m，底板高程为360.00m。泄洪洞布置一扇工作闸门及一扇事故闸门，结构布置见图1。工作闸门孔口尺寸为6.5m×7.5m，事故闸门孔口尺寸为6.5m×9.0m。

工作闸门20年一遇洪水及20～50年一遇洪水时控泄，50年一遇洪水以上时敞泄，故工作闸门及事故闸门最高挡水位417.20m。事故闸门按500年一遇设计，防洪水位418.36m校核。

1.工作闸门

工作闸门（宽×高-水头）采用（6.5m×7.5m-57.2m）潜孔式直支臂弧形钢闸门，计1扇，闸门底槛高程360.00m。工作闸门最高挡水位417.20m，设计水头57.20m，动水启闭。

面板布置朝库内侧，闸门弧面半径14.0m，闸门主要结构材料Q345B。支铰中心高程370.50m，支铰采用圆柱铰，铰链和铰座材料ZG310-570，轴材料40Cr，轴套采用GEW600HS-2RS自润滑关节轴承，摩擦系数取0.14。侧向采用φ400mm简支滚轮支承，材料ZG270-500。侧止水采用单向止水，材料采用橡塑复合止水，在基材SF6674表面喷涂聚四氟乙烯，顶止水采用双道止水，一道设在门叶上与侧止水形成连续的封闭止水，一道设在门楣上，采用弹性转铰水封，防止闸门在开启过程中门顶射流，门后设通气孔，面积约4m2。

埋件采用二期混凝土预埋，侧轨、门楣和底槛均采用焊接结构，主要结构材料Q345B，与止水接触面采用不锈钢板，材料1Cr18Ni9Ti。

闸门采用潜孔式直支臂球铰弧形钢闸门。支铰支承在门后胸墙上部的钢梁上。水平静水压力26379.6kN，垂直静水压力15748.1kN，总水压力30723kN。

支臂采用箱型对称结构，主梁与支臂刚度比9.45。侧止水采用方“P”型止水橡皮布置在面板侧，止水采用“I”型楔形橡皮，止水均布置在面板侧。

铰座、铰链采用ZG310-570铸钢件，轴为40Cr，轴径φ750mm，轴衬采用铜基镶嵌自润滑球铰轴承。

侧向限位采用6只简支式侧滚轮，布置在边梁腹板上，轮径φ400mm，轮体材料ZG230－450。

启闭水位按417.20m（防洪高水位）设计，启闭机QHSY-3200/315kN-9.8m摇摆式深孔弧门液压式启闭机，启门力为3200kN，闭门力为315kN，一门一机共1台启闭机。选用1套液压站，采用2套油泵电机组，互为备用。

2.事故闸门

事故闸门采用（6.5m×9.0m-57.2m）平面定轮钢闸门，计1扇。闸门底槛高程360.0m。主要结构材料Q345B。闸门设计水头57.20m。动闭静启，启门考虑5.0m水头差。

闸门面板朝向上游库内侧，顶止水设在顶梁后翼板，利用水柱闭门，止水采用单向止水，材料采用橡塑复合止水，在基材SF6674表面喷涂聚四氟乙烯，侧止水及顶止水采用P型橡皮，布置在后翼缘侧，底止水采用I型切角橡皮，布置在下主梁中间的竖隔板上，距离面板620mm。

图1 前坪水库泄洪洞金属结构布置图

表1 闸门相关设计参数表

表2 闸门在各开度情况下的持住力数值表

闸门主支承采用φ800mm简支滚轮支承，滚轮材料为ZG35Cr1Mo，轮轴材料40Cr，轴径220mm，轴套材料为高强度钢基铜塑自润滑轴承，摩擦系数取0.14。侧向采用φ400mm简支滚轮支承，轮体材料ZG230-450。

事故闸门动闭静启，门顶设充水阀，充水阀内径为400mm。门后设4个φ500mm的通气孔。闸门计算启门力 Fq=142.8t，持住力 Ft=308.49t，启闭设备选用QPG-3200/2000kN-47.0m高扬程固定卷扬式启闭机，计1台，持住力为3200kN，启门力为2000kN。

三、泄洪洞事故闸门关键技术研究

事故闸门关键技术主要有门槽的型式、闸门持住力优化。该工程事故闸门有输水洞事故闸门和泄洪洞事故闸门，由于输水洞事故闸门洞前水流的速度低，故只对泄洪洞闸门进行研究。

1.门槽型式

高速水流通过平面闸门时，由于门槽边界突变，容易发生空化水流，致使门槽及其附近的边墙或底板上发生空蚀。水流经过一定形状的固体边界，形成压力场和速度场，具有一定的压力分布和速度分布。当温度不变，流速增加，则压力降低，当压力降低到一定的数值时，水体内部就空化而形成空泡或空腔，即空穴现象。空泡从低压区流向高压区，迅速发生溃灭，对固体边界产生巨大的瞬时冲击力，不断的锤击固体边界，久而久之，固体材料因疲劳而产生剥蚀，这种现象称为空蚀作用。

通常用水流空穴数K来判别空穴现象发生的条件。水流空穴数K的定义为：K=（H1+Ha-Hv）/V12/2g,H1、V1为靠近门槽上游的断面上水流的平均压力和流速，Ha为大气压力，Hv为水的气化压力

事故闸门20～50年一遇洪水位时控泄，控泄流量1000m3/s，50年一遇洪水以上敞泄，最大控制流量1400m3/s。根据模型试验，最大控制流量1400m3/s时，工作闸门前流速为27m/s，此时事故闸门前流速为24.0m/s，门槽上游的断面上水流的平均压力27.0m。事故闸门宽深比为1.5，门槽初生空穴数Ki=0.38（W/0.57D）=0.57，在最大控制流量1400m3/s条件下，门槽前水流空穴数K为1.18。水流空穴数K大于门槽初生空穴数Ki，不会发生空蚀。

通过模型试验及计算，事故闸门门槽上游的断面上水流的速度24.0m/s，流速较大，门槽型式采用《水利水电工程钢闸门设计规范》附录C推荐的Ⅱ型门槽，即门槽下游错距80mm，斜坡 1∶10。

2.闸门的持住力优化

高水头事故闸门为动水闭门，由于因水压力而引起的摩阻力很大，靠闸门自重很难闭门，需要增加闭门力。增加闭门力的方法有：在门体上配重；利用门顶水柱。事故闸门通常为动闭静启，门体内配重，会增加启门力，可能导致启闭机容量增加。利用门顶水柱闭门，需要合理的设计胸墙与门楣的结构型式和尺寸。深孔闸门在需要借助门顶水柱压力才能关闭时，护面板的竖直段须适当加高。因为只有当闸门的顶止水与护面板的竖直段紧贴时，才能产生完全的门顶水柱压力。根据试验研究表明，只要闸门的上游边留有足够的净空S2，闸门的下游边的净空（S1+Δ）适当的小（如图2所示，S2≥5S1，Δ=100mm 或 Δ=S1），则关闭闸门时，闸门顶部的水位就可以得到及时的补充，这时护面板的竖着段高度h仅需为孔口高度H的5%～10%，但不得小于300mm。这样就可以利用水柱的压力，迅速关闭闸门。