拉西瓦水电站泄洪底孔事故闸门及门槽设计

7 2 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 1 0 0 6 2 6 1 0 2 0 1 0 O 2 0 0 7 2 0 4 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7 1 0 0 6 5 摘要 拉西瓦水电站泄洪底孔 4 m x 9 m 1 3 2 m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 T V 6 6 3 文献标识码 A D e s i g n o f e me r g e n c y g a t e a n d s l o t f o r b o t t o m o u t l e t o f L a x i w a h y d r o p o w e r p r o j e c t Z H A 0 Q i n g j i n g L I F e n g N o r t h w e s t H y d r o C o n s u l t i n g E n g i n e e r s C H E C C X i h n 7 1 0 0 6 5 C h i n a A b s t r a c t T h e 4 m x 9 m一1 3 2 m e m e r g e n c y g a t e o f t h e b o t t o m o u t l e t o f L a x i w a h y d r o p o w e r p r o j e c t i s t h e h i g h h e a d t y p e g a t e i n C h i n a n o w W i t h c o mp l i c a t e d s l o t h y d r a u l i c s h o w t o t a k e e f f e c t i v e me a s u r e s t o p r e v e n t g a t e v i b r a t i o n a n d e n s u r e t h e o p e r a t i o n s a f e t y o f g a t e a n d s l o t i s o f w i d e r e p r e s e n t a t i v e n e s s T h i s p a p e r p r e s e n t s t h e s e l e c t i o n o f g a t e t y p e t h e s t r u c t u r e f e a t u r e s o f g a t e a n d s l o t n u me r i c a l a n a l y s i s t e s t o n h y d r a u l i c s a n d v i b r a t i o n a n d 3 D fi n i t e e l e me n t c a l c u l a t i o n w h i c h p r o v i d e s r e f e r e n c e f o r t h e d e s i g n o f t h i s t y p e o f g a t e Ke y W o r d s p l a i n fi x e d w h e e l g a t e e me r g e n c y g a t e s l o t h i g h h e a d i mp a c t p r e s s u r e w a t e r s e a l t e s t o n h y d r a u l i c s a n d v i b r a t i o n 3 D fin i t e e l e me n t c a l c u l a t i o n 1 工程概况 拉西瓦水 电站位于青海省贵德县与贵南县交界 处 是黄河上游龙羊峡至青铜峡河段规划的 1 3个大 型水电站梯级 中紧接龙羊峡水电站 的第 2梯级 总 装机 容量 4 2 0 0 MW 拉西瓦水 电站枢纽布置 由双 曲拱坝 坝身泄水 建筑和坝后消力塘 右岸地下 引水发电等永久建筑 物组成 施工期在左岸建导流洞 泄水系统包括表 孔 深孔 泄洪底孔 临时底孔 4部分 电站的主要 任务是发电 无其它利用要求 电站金属结构设备 由泄水系统 引水发电系统及导流系统 的闸门和启 闭机设备组成 拉西瓦水电站设泄洪底孔 l 临时底孔各 1孔 分 别布置在 1 3 和l O 号坝段 孑 L 口 径向布置 2 孔尺寸和 收稿 日期 2 0 0 9 1 1 3 0 作者简介 赵清静 1 9 7 9 一 女 河南省邓州市人 工程师 从事 金属结构设计工作 结构布置相同 均称作泄洪底孔 在泄洪底孑 L 进口 段设 1 道事故闸门 孔 口尺寸 4 m 9 m 挡水水头高 达 1 3 2 m 门槽倾斜布置 倾斜度为 1 0 闸门型式采 用平面焊接结构定轮支承式 施工期渡汛时临时采用 固定卷扬启闭机操作 坝顶门机具备使用条件后 作 为事故闸门启闭的永久设备 动水 闭门 静水启 门 闸门的工作水头高达 1 1 0 I l l 且布置在底孔出口末端 的弧形工作闸门有局开要求 对于事故闸门门槽段抗 空蚀性提出了很高的要求 在事故闸门下门过程中 事故闸门结构受力 流激振动和工作闸门局部开度情 况下的闸门受力及振动问题均需重视 泄洪底孔事故闸门的设计在吸取已有工程经验 的基础上 首先提出门槽及闸门的结构型式 进行数 值分析 并委托南京水利科学研究院 简称 南科 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 以及减压模型试验相结合的途径 进行门槽体型论 证并优化 闸门结构流激振动研究及 闸门结构的抗 振优化设计 I 2 J 以提高泄水道抗空蚀能力 完善闸 西 北水 电 2 0 1 0年 第 2期 7 3 门设计 优化闸门布置 以达到工程安全 投资节省 水流条件好 结构稳定可靠 运行管理方便等要求 闸门主要技术参数 坝顶高程 2 4 6 0 0 0 m 正常蓄水位 2 4 5 2 0 0 m 校核洪水位 2 4 5 7 0 0 m 泄洪底孔的底坎高程 2 3 2 0 0 0 m 孔 口尺寸 宽 高 4 m 9 m 最高过流水头 1 1 0 m 挡水水头 1 3 2 m 止水宽度 4 1 5 m 止水高度 9 4 m 操作方式 动闭静启 启闭机容量 3 2 0 0 k N 2 门槽设计 根据规范要求采用 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 水力学参数 验证并优化 门槽体型 确定 闸门的补气 方式 测量闸门面板和底缘上 的时均压力分布和脉 动压力 优化闸门的底缘形式 通过闸门及启闭机 系统联合试验 测定闸门闭门力 特别是下吸力 在减压条件下 测定 门槽在不 同运行水位 闸门 开度条件下 的门槽初生空化数 判断事故 闸门门槽 及其邻近区域发生空蚀的可能性 研究事故 门槽 的 抗空蚀体型 通过水弹性振动试验 测定作用 于平面滚动 闸 门面板及底缘 边缘上动水闭门时均压力分布和脉 动压力 测定分析闸门振动特性 综合分析闸门产生 振动的原因 提出抗振优化措施 找出水位组合 开 度和闸门振动三者之问的关系 试 验 优 化 后 事 故 闸 门 门 槽 采 用 宽 深 比 I V D 1 7 8 6 错 距 比 W 0 0 6 4 斜 坡 坡 度 为 1 1 2 及外圆角 R 5 0 m m体型 如图 l 所示 2 1 通气孔设置 事故闸门在 闭门过程中 闸下在一定开度范 围 内将出现高速明流 并受到 闸门门型尤其是底缘体 型 门槽边壁约束的影响 出闸水流 自由表面剧烈紊 动 从而引起下泄水流大量掺气和挟气 若补气不 畅 水流掺气会不充分 水面以上空腔 出现负压 引 起 闸门底缘产生较大负压和下 曳力 从 而增加持住 力和启闭机容量 此外 通气不畅还会导致泄水道形 成负压气囊 产生强烈不稳定水流运动 形成对洞室 和闸门有害的水动力荷载 通气孔的设置将有助于 向洞室输气 改善过闸水流流态 从而改善事故闸门 运行时的水力学条件 预防泄水道空化空蚀 减免闸 门振动 确保闸门乃至底孔的正常运行 图 1 门槽体 型图 单位 mm 对于上游止水的平面闸门而言 理论上 门井部 分是一个良好的补气通道 但大量的平面闸门试验 结果显示 由于流经 闸门底缘 的下泄水流向两侧扩 散 直接冲击门槽下游缘壁面 形成反弹水流直冲门 井 其上冲的水流量与闸门底缘位置密切相关 门槽 宽 底止水位于上游 面板底部时 水流扩散加剧 反 弹水流量就愈大 封 闭门井进气通道的可能性就越 大 有时还会形成压力水柱 这种水力现象设计时不 易估计到 反之 底止水位于下游面时 水流扩散对 门槽的冲击影响小 反弹的水流量也 随之减小 显 然 由于门槽存在扩散 冲击反弹水流 一般均将门井 输气通道封闭 不能起到应有的补气作用 亦即难 以 通过门井实现补气 的 目的 因此 在门井后设置通 气孔仍然是主要的输气通道和手段 底孔事故闸门通气孔按 2孔直径 0 8 5 0 m m风 速试验表明 1 水位 2 4 3 0 m 事故 门全开情况下 工作 门 相对开度 0 7 0 9时 通气孔进气量较小 闸门全 开后达到最大 为 1 4 4 m s 2 通气孔风速随上游库水位的增加而加大 当上游水位降至 2 4 0 0 m时 工作 门后底空腔通气 开始不畅 通气量逐渐减弱 当水位降至 2 3 5 8 m 以 下时 通气孔内已经完全被封闭 此时闸门的工作水 头约 3 8 m 相 当于起跳水位为 2 3 5 8 m 3 事故门下门过程中 门后 通气孔风速均大 7 4 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 5 0 m s 可以考虑将通气孔面积适 当放大 以便 将风速控制在 6 0 m s 以内 根据南科 院试验报告 将 2孔通气孔的直径增 加 至 0 1 0 0 0 m m 2 2钢衬方案 工作门 事故门全开运行时 门槽的水流平均空 化数为 0 9 可以满足闸门全开运行时的门槽抗空 化要求 当工作 门做局部开启运行 门槽水流 的空 化数将进一步提高 但事故门下 门过程 中 部分闸 塞塑 塑 篁 吕 曲 册 l 水 I 一 占一 杏 每 蓬 I I I 一 I l 4k I 拇 心 线 I f 习 几 E嫩 j 门开度的门槽 空化数下降 最低空化数 降至0 6 以 下 已进入 门槽空化区 这是平面闸门不容许在高水 头下进行局部开启操作的根本原因 事故闸门下门 过程 中 门槽上半部分边界 的压力由于射流脱壁而 使压力明显下降 而扩散水流对门槽下游壁面和下 游缘部位的冲击导致边界压力显著上升 闸门小开 度时 最大冲击压力达到 8 0 0 m水柱以一 L 故采用 门槽外上游 1 m 下游 3 5 IT l 及 门槽 内 全部钢板衬砌的方案 明 甲 盎 I L o 星 o o O I l I 星 0 o l o I 1 I l 掣 一 一 萤 o 1 o 豳 基 甲o 一 一 一 3 0 3 6 l 一 B 7 o 一 mI 2 2 O O 惺I l 7 c 毒 I 摩骨由糟 图2 事故闸门门叶总图 单位 m m 西北 水 电 2 0 1 0年 第 2期 7 5 3 闸门门叶设计 事故闸门形式采用平面定轮门 主支承布置在下 游侧 面板 水封布置于上游侧 门叶为焊接结构 整 体启吊 为便于工地安装 并满足运输 的要求 设计 中将门叶分 3节 顶节和底节为等截面箱形梁结构 中节为等截面工字形双主梁结构 运至工地后节间 用腰带焊接联接 每节门叶左右两侧各设 2个主支 承滚轮 另设反向滑块和侧轮 见图 2示 闸门结构的静动力特性分析 运用三维有限元 研究闸门结构的静动力特性 给 出不同工 况下闸门 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 轮的轮压分布值 轮压分布计算按 2种节 问连接形 式分别计算 以选取合理 的节间连接形式 计算闸 门的水弹性耦合 问题 共振特性 共振频 率 附加质 量 阻尼等并对照试验做 出对比分析 3 1 门叶结构及连接方式 门叶结构设计考虑单纵隔板和三纵隔板 2种方 案比选 按单纵隔板布置计算结果显示 结构应力不 合理 在较大范围出现应力超标现象 采用三纵隔板 布置计算后 将最底节箱形梁后翼缘加厚至 4 6一 并在箱形主梁上下增加纵隔板个数 位置尽量均布 门叶连接方式考虑 2种 形式 纵隔板 边梁 和面板均用腰带板焊接 纵隔板不焊 边梁和面 板用腰带板焊接 2种连接形式对 闸门的受力特性 没有显著的影响 相对而言 连接方式 的轮压均匀 性略好于连接方式 前者的最大应力值和次高应 力也略小于后者 故设计 采用 纵 隔板 边梁 和面 板均用腰带板焊接 的连接方式 3 2 支承 定轮 设计 定轮直径 o l 0 0 0 H n 踏面为双曲率 轴径 D 3 6 0 m m 轮轴两端支承在轴承座内的滚动轴承上 主轮 材料 为 Z G 3 4 C r N i Mo 热处 理后 踏 面硬 度 H B 3 6 0 3 8 0 1 3 1 9 m m处硬度 HB 3 2 0 3 4 0 2 0 2 6 m m处硬 度不小于 HB 2 5 0 主轮轴承为进 口优质调心滚子轴 承 0 3 0 0 0 5 0 0 1 6 0 额定静负荷 5 1 0 0 k N 额定动负 荷 3 2 0 0 k N 滚动摩擦系数不大于0 0 0 2 定轮是事 故闸门承受荷载的主要部件 按平面体系计算方法的 计算荷载达 4 5 3 5 k N 考虑不均匀系数 1 1 通过有 限元分析得出的最大计算荷载为 4 8 9 0 k N 考虑不均 匀系数 1 1 在 中国 工程 中这么大 的轮压采用双 曲率定轮还未有先例 3 3 止 水形 式 的设 计 事故闸门止水方式 为上游止水 由于承压水头 高 止水选用充压式水封 闸门关闭时 水封充压腔 随着门叶上下游水位差增加而充压 水封橡皮头伸出 压紧面板来达到更好的止水 目的 闸门在开启时 水 封充压腔随着门叶上下游水位差减小而泄压 水封橡 皮头缩 回来达到减小启门力和减少水封磨损的目的 顶水封处 的时均压力随 闸门开度 的变化而 变 化 在闸门上游面板上布置 了3道接力顶水封 当闸 门开启到一定高度时 上一层水封脱离胸墙 下一层 水封接力止水 因此作用 于顶水封 的水压力始终为 门前泄水道上方的作用力 4 启闭容量确定及锁定装置的选择 4 1 启 闭机 容量 的确 定 事故闸门动水闭 门模 型试验 在设计 动水闭门 控制水头 1 1 0 I n 即上游水头 2 4 3 0 i n状态