张峰水库溢洪道三支臂弧形钢闸门设计与研究

张峰水库溢洪道三支臂弧形钢闸门设计与研究摘要：张峰水库是位于山西省晋城市沁水县郑庄镇张峰村沁河干流上的一座大型水库。文中阐述了张峰水库枢纽工程溢洪道大跨度三支臂弧形钢闸门的设计，并对扭角的计算及液压启闭机的选用、减小组合错位偏差等技术问题进行了分析研究。关键词：三支臂弧形钢闸门；扭角；支铰；液压启闭机；设计与研究。1.概述张峰水库是我省的一座大型水库，位于山西省晋城市沁水县郑庄镇张峰村沁河干流上，距晋城市城区90km。水库总库容3.92亿m3，总工程分为枢纽和输水两部分。主要建筑物有大坝、泄洪导流洞、供水发电洞、电站、溢洪道、提水泵站、输水渠道等。水库金属结构设置在泄洪导流洞、供水发电洞、电站、溢洪道、泵站等处。它的设计特点是水头高、闸门大、种类多、设备功能齐全，也是金属结构设计技术难度较大的一项工程。本文主要介绍溢洪道弧形工作闸门，斜支臂扭角计算，减小组合错位偏差技术问题。闸门型式为露顶式斜支臂弧形钢闸门，该闸门门体大，最大特点是三支臂形式，并且主梁和支臂均为箱形结构，空间几何关系较复杂，这在我院设计是第一次，在全国水利工程也不多。本文将对这些设计特点和专题研究加以阐述，以求对水利水电工程金属结构设计有所裨益。2总体布置张峰水库泄洪设施主要有溢洪道和导流泄洪洞，根据张峰水库的防洪调度原则，当入库洪水超过20年一遇洪水且库水位高于防洪水位时，导流泄洪洞全部开启，并开启两孔溢洪道闸门；当入库洪水超过100年一遇洪水且洪水位超过设计洪水位时，泄洪洞与溢洪道闸门全部开启敞泄。溢洪道闸门为弧形工作闸门共4孔，单孔门宽12.0m，门高14.0m，面板曲率半径18.0m，支铰为9.5m。闸门结构型式：门体三主梁三支臂双腹板斜支臂弧形闸门。3设计技术问题1)水头高：闸门设计水头13.6m，在省内溢洪道闸门设计中属于最大水头。2)闸门封水：常规溢洪道闸门设计采用L型水封。该闸门水头超出10m，如果继续使用L型橡皮，受拉强度已不能满足要求。如果采用P型橡皮，就要提高闸门刚度、制作精度和安装精度。设计从“百年大计，质量第一”原则上考虑，决定采用P型橡皮。3)闸门结构大：考虑运输要求，需对门叶及支臂进行分节制作，运输单元分门叶4节，支臂2节，支铰2套及闸门封水等。需制定制作拆装方案、运输变形措施。4)支臂结构：该闸门最大特点是支臂是三支臂型式。支臂截面为箱型结构，其尺寸由叉角、偏角和扭角等几个方位组合而成。它与门叶和支铰精密连接相互配合。5)闸门支铰：闸门的水压力、启闭力及运行中形成的各种力汇交一点作用支铰上。这样每个支铰上有垂直力、平行力、侧推力。当弧门在启闭过程中，支铰轴上还有摩阻力矩。所有的力通过支铰传到闸墩牛腿上。4闸门设计4.1主要技术参数孔口数量：4孔孔口净宽：12.0m溢洪道堰顶高程：747.20m闸门挡水水位：760.8m弧门面板外缘曲率半径：R=18.0m支铰型式：圆柱铰（自润滑轴承）支铰中心到底槛距离：9.5m4.2闸门结构布置该闸门孔口高度大于孔口宽度，采用主纵梁显得比较合理，但对于由主横梁和支臂形成的主框架，《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL74-95）有明确的计算公式，而主纵梁没有，而且从制造运输分节和安装考虑，采用主横梁分节方便，沿主梁全长可以不断，这样安装焊缝要求可以适当放宽，因此采用了主横梁布置。由于闸门高度较大，采用了三主梁，每个主梁截面为双腹板箱形型式。为了加强闸门的整体刚度，设计选用了小横梁和主横梁单层结构布置，小横梁、顶梁及底梁选用槽钢32a，布置了4道纵梁，2道边梁。支臂结构设计采用了刚度较大有利抗振的三支臂结构。因为支臂是整个弧形闸门的支承结构，一旦破坏，危及整个闸门。而且闸门破坏大都是由支臂失稳、扭转弯折所造成，所以支臂设计也采用双腹板箱形结构，以确保弧门的稳定、安全的运行。支臂与主横梁用螺栓连接，设抗剪板。抗剪板在支臂安装后焊于主梁后翼缘上。闸门封水装置是否可靠，直接影响高水头闸门的运行和安全。设计封水橡皮固定在闸门门体上，底封水采用刀型橡皮，侧封水采用P型橡皮。止水设计有一定的予压缩量，通过门叶面板、水封压板及门槽上的止不不锈钢板，三面对止水的约束，在水压作用下，利用橡皮的弹性，向止水不锈钢板压紧，达到止水的目的。弧门吊耳设置在下支臂与主梁连接部位的侧面，型式为门背拉式，双吊起点。侧滑块为铸铁滑块，共6个，安装在边梁腹板上。为了减轻弧门重量，弧门门叶结构采用16Mn钢。型钢（工字钢、角钢、槽钢）材质均采作Q235A。门叶共分为4节，支臂分为2节。4.3弧门支铰的选择弧形闸门的支铰是整个闸门中最重要的组成部分。它是由活动部分即连接在支臂上的铰链、固定部分即固定在闸墩上的铰座和轴三部分组成。它的主要作用是承受全部水压力和启闭过程中的部分启闭力及门重，这些荷载通过支臂传至铰链（活动部分），再经铰轴传至铰座（固定部分），最后将全部荷载传至闸墩。同时，它又是启闭时闸门转动的支承中心，因此，它就是弧形闸门的支承行走装置。支铰由于其轴承型式不同可分为圆柱铰、圆锥铰和球形铰，而最常用的是圆柱铰。圆柱铰结构最简单，自重较轻，造价也最低。锥形铰虽然受力明确，但结构较为复杂，加工成本贵，其自重一般为同等工作荷载的圆柱铰的1.5～2.0倍。球形铰受力明确，但轴承结构复杂，制造难度大，很少采用。因此综合考虑，该闸门选用了圆柱铰。支铰结构材料为ZG45，轴采用45#锻钢，轴承采用了自润滑轴承，该轴承的承载力大，轴承工作时，固体润滑剂在轴承表面形成极薄而光滑的润滑膜，实现轴承的自润滑。停机后，可减弱摩擦副金属间的直接接触，从而减小重新启动的阻力，即使在很高的载荷下，也能取得很好的使用效果。4.4扭角的计算该闸门为露顶式斜支臂弧形闸门，斜支臂的支臂框架结构计算是弧门设计中非常重要的部分。当支臂与主梁水平连接时，在支臂处两支臂夹角平分线上形成扭角2Φ，为了减小斜支臂制造安装过程中内外侧翼板在底座组合处弯折后的拼接错位偏差，准确地计算扭角Φ是非常重要的。如角度和尺寸稍有偏差就会导致闸门支臂和支铰制作报废，造成巨大损失。因此本文特意将这部分计算列出并进行说明。按照《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL74-95）列出的扭角计算公式：221sincossintgtg式中:—斜支臂水平偏斜角度；—上下两支臂夹角的一半。下面计算中的各部位尺寸如图1所示。支臂长度:mS677.1656.27556.26.166.122tg=0964.06.166.1020355055.5的虚角Rl017453.0面板弧长mml7200面板曲率半径R=18000mm9187.2218000017453.07200计算出B尺寸:3298sin16600Bmm的实角(结构的实际角度)166773298sin4058.118116.222支臂扭角(钢闸门设计规范P21)221sincossintgtg5055.54058.112017.0tg09594.0sin9803.0cos5055.5sin4058.11cos5055.5sin4058.11221tgtg=22109594.09803.009594.02017.0tg=136.101983.09756.001935.011tgtg计算结果得出了扭角Φ=136.1，这样就可以减小斜支臂制造安装过程中内外侧翼板在底座组合处弯折后的拼接错位偏差。5启闭机的选用选用闸门启闭机设计中用了两种方案进行比较。第一，选用钢丝绳卷扬式弧门启闭机，则在坝顶部需建一排闸门启闭机房子，这样闸室要加长，不仅增加坝顶承重结构，布置困难，而且影响上面交通和美观，不利于水库的旅游事业的发展。第二，选用液压启闭机，油缸布置在闸墩上，液压管路布置在工作桥下，整个工作面显的非常整洁。使得闸门及启闭设备与整个闸室建筑较好的融为一体，也为水库旅游开辟一处景点。因此相比之下，选用了液压启闭机。5.1液压启闭机工作参数泵站2台、油缸8只，油缸型式为QHLY，油缸行程8.0m，启闭容量2x1250kN，铰端固定在闸墩上，活塞杆端与闸门吊耳相连，双吊点，吊点距10.8m。油缸与闸门作用构成背拉型式。5.2系统布置启闭机房设在闸室左岸距闸室37.0m，内设2套油泵站、2只油箱，控制阀组设在闸墩闸门附近。输油管路从启闭机室引向各闸门控制阀组和闸门油缸。5.3闸门运行方式闸门运行分中间2扇和边上2扇对称开启及4扇同时开启两种运行方式。当2扇闸门开启时，启动一台油泵站，当4扇闸门开启时，启动2台油泵站，通常一台运行，一台备用。6闸门安装由于闸门整个设计做到细致认真，制作中制定了一套拆卸变形措施、运输加固变形措施，使闸门安装能够精确对接就位，安装很顺利，为工程进度争得时间。7结束语张峰水库工程金属结构设计，满足了水库以防洪和供水为主，兼有发电多功能的使用要求，保证水库在各种运行方式下安全可靠地运行。主要闸门不仅能现场就地操作，还设计了可在中央控制室实现远距离自动控制。尤其溢洪道的4扇大型弧形钢闸门及其液压启闭机设备，不仅具有技术上的先进性，而且还是省内第一扇三支臂弧形钢闸门。闸门制作拆装、分节刚度、拼装定位，经制作、安装证明，闸门的各部位尺寸吻合。该闸门的设计为我院水利工程金属结构设计增添了新的一页，也大大提高了我院的金属结构设计水平。（作者简介：薛桂荣，女，1970年生，1995年毕业于太原工业大学机械系，工程师）[收稿日期：2008-08-06]DesignandStudyonRadialSteelGatewithThreeArmsonZhangfengReservoir’sSpillwayXUEGui-rongAbstract:ZhangfengReservoirisalargesizedreservoirwhichislocatedonthemainstreamofQinRiverinQinshuicountyofShanxiProvince.Thisarticleelaboratesthedesignofradialsteelgatewiththreelargespanarmsonzhangfengreservoir’sspillway,studiessometechnicalproblemssuchas:computingtorsionangle,selectingoilpressurehoistandreducingcombinativedislocationdeviationetc.Keywords:radialsteelgatewiththreearmstorsionangletrunnionoilpressurehoistdesingandstudy