尹成运1，杨兵2
(1．甘肃省水利水电勘测设计研究院，甘肃兰州730000；
2．甘肃电投九甸峡水电开发有限责任公司，甘肃临洮730500)
摘要：对九甸峡水利枢纽右岸泄洪冲沙洞偏心铰弧门的止水和支承选型设计、结构布置、偏心参数确定、闸门和闸室水力学试验与研究、闸门的荷载分析、结构优化设计和了维有限无静力、动力仿真计算研究、主(副)液压启闭机的布置及其容量的选择作了比较详细的介绍 关键词：偏心铰弧门；泄洪洞；九甸峡水利枢纽
D e s i gn of
E c ce nt r i c H i n ge R a di a l G at e f or Ji udi anxi a W at er Pr oj e ct
Y i n C hengyunl，Y a ng B i n92
(1．Gansu W a t e r C ons er vancy a nd H ydr opow e r I nvest i gat i on a nd D es i gn I ns t i t ut e，L
anzhou G ans u730000；
2．G ans u El ect ri c Pow er I nv est m e nt Ji udi anxi a H ydr opow er D evel opm e nt Co．，Ltd．，U nt ao G ans u730500)
A bs t r ac t：The eccent r i c hi nge r adi al gate w a s us ed i n t he r ight ba nk di s char ge and f l ushi ng t unnel of Ji udi anxi a W at er
Pr oj ect．The s el ect i on desi gn of s eal a nd bea r i ng t yp e，s t ruct ural ar r angem ent，eccent r i c par am et e r s det er m i nat i on，hydr aul i c exp er i m ent s a nd r es ear ch f or gat e a nd c ham ber,gat e l oad anal ys i s，s t ruct ural des i gn opt i m i zat i on，t hr ee-di m ensi ona l fi ni t e el em ent st a t i c a nd dynam i c s i m ul at i on，a nd t he l ay out a nd capaci t y choi ce of m a i n a nd au xi l iar y hyd r aul i c ho i s ts ar e det ail ed
i nt m due ed he r ei n．
K e y
W ords：ecce nt ri c hi nge r adi al gat e；di s char ge t unnel；Ji udi anxi a W a t e r Pr oj ect
中图分类号：T v34(242)文献标识码：B文章编号：0559—9342(2010)11-0082—03
1工程概况2九甸峡右岸泄洪洞工作闸门选择及布置
九甸峡水利枢纽丁程主要建筑物包括混凝土面板堆石坝、左岸两条基本平行的表孔溢洪洞、右岸有压泄洪洞、右岸引洮总干进水口、右岸引水发电洞、右岸地面厂房等。水库正常蓄水位2202．00m．校核洪水位2205．11nl，混凝土面板堆石坝最大坝高133nq，总库容为9．43亿m3，属完全年调节水库。水库电站总装机容量为300M w．年发电总量为10．02亿kW h。
右岸泄洪洞承担着泄洪、汛期冲沙及调节t游水库水位的任务．是九甸峡水电站重要的泄水建筑物，因此在泄洪洞进口处设置了l扇事故检修闸门。在出口处设置了l扇工作闸门，工作闸门的孔口尺寸为5．0m×5．0n1．设计水头为92m，底坎高程2110．00111。九甸峡水电站右岸泄洪洞工作闸门在设计水头下具有运用频繁，经常局部开启泄流的要求。
l爱l W at e r P o w er V ot．36N o．H 2．1闸门形式选择
目前国内水利水电工程中使用的高压控制闸门主要有平板闸门和弧形闸门两种．根据国内外大量的试验与研究和运行实践资料分析．水头在100i n 左右．运行要求开启频繁并有经常局部开启要求运行条件时，平板闸门的门槽边界水力学条件难以满足运行要求．同时启闭机的容量也比弧形闸门大的多，闸门的支承设计也比较复杂。参考国内外已建高水头工程实例，从安全可靠性和经济合理综合比较，九甸峡工程右岸泄洪洞出口工作闸门选用弧形闸门。2．2闸门止水与支承形式的选择
由于水压力和温度变化引起的闸门结构压缩变
收稿日期：2010-09-06
作者简介：尹成运(1952一)．男．安徽灵壁人，高级1二程师。主要从事水利水电工程金属结构的设计工作．
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二==兰：二二：．：竺：竺：±三：!：=：：：：!：：!罨函i ；=‘躅
形和制造、安装误差，使得常规的弧形闸门的止水已不能满足本闸门止水变形量的运行要求，围内外已建水头在100m 左右的弧形闸门的主止水主要采用两种基本形式：一种是液压伸缩式变形止水。它是借助于外部动力．通过对安装在埋件七的止水元件背部充压．使止水元件膨胀外伸，紧压在弧形闸门的面板上．达到止水目的；另一种是偏心铰压紧式止水。它是利用偏心原理，借助偏心铰操作机构，推动闸门外伸压紧设在埋件上的“山”形止水元件，
达到止水目的。
上述两种止水均能满足本闸门止水变形最的要求。偏心铰压紧式止水造价较高．制造、安装比较复杂，
但止水简单可靠，在局部开房时液压肩闭机(副机)还有抑制振动作用．能满足各种工况下的运行要求。而液压伸缩式变形止水受止水冗件伸缩量的限制，对止水材质，外形尺寸及止水结构的制造精度、安装误差、检修维护等要求均比较苛刻．特别是在多泥沙水流条件下，伸缩式变形止水的充压管路容易被堵塞。充压腔极易被淤死。使充压伸缩功能失效。考虑到九甸峡右岸泄洪洞闸门运行频繁和经常局部开启的运行特点。经安全和经济等综合比较，确定本闸门选用偏心铰压紧式止水方案。2．3闸门布置
右岸泄洪洞出口T 作闸门总水月乏力38．3M N ．
弧面半径8．0m 。主止水中心尺寸5．5m x 5．489m (宽×
高)。闸门为直支臂主横梁结构，为运输、安装方便，门叶分上下两节。门叶节问采用高强螺栓连接。
门槽体形为突扩跌坎型，两侧突扩宽度为0．8m ；弧门支铰下面设有导水板，控制闸门局部开启时的水翅冲击支铰；孔口顶部的压坡为1：6：孔口底部跌坎高0．9m ，后援有坡度为1：8的一级变坡．再接反弧段：底坎两侧壁设有通气孔直通底坎空腔．紧贴底坎两侧壁上各设有西O ．8m 通气管为侧空腔补气；
“山”形主止水设置在r J 槽上，用小锈钢螺栓
和压板将其同定。辅助止水由门叶两侧预压式止水和门楣转铰止水组成。弧形门
根据经验与计算，最终确定闸门的主起升机构
采用3000／l
000
kN 液慷肩闭机(主机)，偏心操作
机构也选用3
000／1
000
kN 液压启闭机(副机)。两
液压启闭机共用1套液压泵站。闸门可现地控制．也可在厂房集控室远方控制。机房内设有1台320kN 检修桥机，为设备检修与维护提供条件。
3闸门设计
3．1
闸门水力学研究
偏心铰弧形闸门的流道受闸门段存在突扩和跌
坎的影响，已不遵循均匀管道流的流态，出闸水流处在四面脱空与空气直接接触的自由掺气流状态，门后两侧擘闸墩经受不同角度的水流冲击，由于施工和施工设备的限制．水工建筑物过流边壁上总会产生一些凸体，因此存突扩和突跌体形以及施工不平整的共同作用下会引起宅化．且空化数很低，极易发生李蚀。九甸峡工程右岸泄洪洞出口局部流速
高达37．9r r ds ，且泄洪洞是水库最低过流流道。含
泥沙的水流对流道的侵蚀能力更大．为选择合理的门槽体形，业主委托水利部西北水科所分别作了1：50(常压)和l ：28(减压)的水力模型试验。通过水力模型试验确定了闸门门槽体形，包括上游孑L 口顶部的慷坡、突扩和跌坎、下游一级变坡、通气孔、导水板等的位置与尺寸。3．2闸门结构设计
2005年业主委托河海大学水利水电丁程学院对九甸峡右岸泄洪洞弧形闸门和闸室结构静动力进行了仿真分析研究。
3．2．1
闸门动力特性
闸门动水开肩时．有以下规律：
(1)开度一定，闸门的振动频率随水头的增加
而减少。开度为0．1倍门高情况下，水头56m 时闸门基频为735H z ．水头92．38m 时闸门基频为5．77
H z ，
降低了2l ％；开度为0．5情况下．水头56m
时闸门基频为10．12H z ，水头92．38m 时闸f 】基频为7．96H z ．降低了25％；全开时闸门基频达13．61
H z 。
(2)水头一定，闸门的振动频率随开度的增加而增加。水头为92，38m ，开度为O ．1、O ．2、O ．3、0．5、0．75倍门高、全开时，闸f 】的基频分别为5．77、
6．38、6．93、7．96、9．26、13．61H z ；水头为56．0m ，
开度为0．1、0．2、0．3、0．5、0．75倍门高、全开时，闸门的基频分别为7．35、8．14、8．83、10．12、11．60、
13．61
H z ；全父时闸『j 基频最低。全开时闸门基频频率最高。两者基频相差l 倍以上。
冈此，高速水流模型试验成果测得的脉动频率
应与闸『】的固有频率和开启R 于闸门的频率错开，以免引起共振。根据水力模型试验和计算分析，九甸峡最后确定闸f J 的局部开启控制在0．5倍门高开度
以下。‘
3．2．2
闸门刚度
不考虑温差，在正常设计水位T 况、校核水位工况、闸门后退运行校核水位工况，弧形闸门顺水流方
向最大位移(闸门中下部面板处)分别为4．80、
4．97、5．69
m m ；闸门垂直水流向的最大位移分别为
0．77、0旧O m m ；闸门竖直向的最大位移分别为0_56、06l m m 。3种工况两主梁的顺水流
向最大位移分别为
W a t er P ow e r V oL
36N o ．11困
3．76、3．88、4．89uf l m，下主梁位移较上主梁位移大；3种工况上主梁跨中最大挠度较下主梁挠度大．其最大挠度分别为0．83、0．86、0．93I砌，均小于1m m，满足小于容许挠度￡，750--4．8m m的要求。闸门与支臂的刚度比为l：3．6，弧面半径尺=8．0m。故闸门刚度满足设计要求。
3．2．3闸门强度
正常设计水位工况、校核水位工况和校核水位全闸门面板作用水头工况(模拟闸门后退运行)，闸门各部
(1)闸门面板的最大竖向正应力分别为一127．9、一132．3、一131．2M Pa．最大水平向正应力分别为一143．9、一149．0、一149．7M Pa，以、于194．8M Pa的钢材容许应力；最大折算应力分别为160．7、166．3、165．21M Pa，满足强度要求。
(2)闸门主梁的正应力不大．主梁的应力分布与弧形闸门主框架受力特点相吻合。在主梁跨中区域，主梁上游面受压、下游面受拉。主梁腹板沿径向最大正应力分别为一108．1、一112．0、一120．3M P a，沿梁向最大正应力分别为60．8、63．0、67．7M P a，最大折算应力分别为110．6、114．5、131．4M P a，均小于钢材容许应力。主梁翼缘在中部受支臂肋板的支承出现一定应力集中，最大正应力分别为一142．3、一146．3、167．1M P a。最大折算应力分别为140．5、145．5、166．6M P a，小于钢材容许应力。主梁满足强度要求。
(3)闸门纵梁腹板沿径向最大正应力分别为一104．3、一107．8、一121．42M P a。出现在与下主梁联接处的纵梁后翼缘区域：最大竖向正应力分别为一100．9、一104．4、一125．51M P a，出现在与上主梁联接处的纵梁前翼缘区域；最大折算应力分别为123．6、127．9、145．46M P a，小于钢材容许应力。纵梁翼缘最大竖向正应力分别为一72．5、一75．0、一113．1M P a。最大横向正应力分别为_45．1、-46．7、一65．2M P a，最大折算应力分别为儿1．9、120．0、163．1M Pa，小于钢材容许应力，故纵梁满足强度要求。
(4)闸门支臂腹板沿闸门径向最大正应力分别为一108．3、一112．2、一133．4M P a，最大折算应力分别为152．2、157．4、183．7M P a，小于钢材容许应力。支臂翼缘沿闸门径向最大正应力分别为一187．2、一193．9、一228．3M P a，超出了钢材抗压容许应力。但是这些最大应力出现在支臂翼缘与主梁相交的角点．属于局部承压．而局部承压的钢材容许应力为275．5M P a，因而应力能够满足要求。支臂翼缘的最大折算应力分别为170．8、176．9、207．8M P a。小于容许应力，故支臂满足强度要求。
(5)闸门支铰沿闸门径向最大正应力分别为一145．9、一150．9、一172．5M Pa．竖向最大正应力分别为75．9、78．4、86．8M P a，最大水平横向正应力分别为一100．7、一104．3、一120．0M Pa，最大主应力分别为144．9、149．8、165．9M Pa，均小于钢材容许应力；支铰轮轴的接触压应力分别为144．2、149．2、171．1M Pa，小于钢材容许应力，支铰满足强度要求。
通过平面与三维计算、分析与研究。闸门各构件的应力均在钢材的容许范围内。闸门强度满足设计要求。
3．2．4偏心参数的确定
偏心铰的偏心半径、偏心角度、和偏心位置为偏心铰弧门设计中3个重要的偏心参数。选择偏心参数主要遵循的原则是在保证弧门所需径向偏移量的前提下，减少副机的容量和行程，并使闸门弧面面板脱
开主水封的间隙尽量均匀。根据国内外已建工程弧面面板与主水封的间隙一般为20—60m m。因此。九甸峡水电站最后确定弧面面板与主水封的间隙为23m m，弧门径向偏移量为50m m。
(责任编辑高瑜)
j-L一‘lL4L4L．‘-Lj L．‘lL—IL．‘I LJ．LJ．1-4L．‘‘j1．4L．‘IL皿41．．‘止．‘lL．‘．LJlL且．‘lL．‘l L4L．‘‘4^．JlL．‘．LJIL4L且札4L卫jll4L．‘．L●l¨U．‘．L．‘屯．‘．L．‘‘—U．
(上接第78页)夯，总沉降量一般为15～20c m，夯实后经试验。干密度≥2．15g／em3。
(2)覆盖层防渗处理。坝基开挖到2073．5m 高程后。经过大量试验论证。建基面满足设计要求。在平趾板上游做防渗墙，采用“钻凿法”施工，接头采用“套打一钻”施工工艺。防渗墙起止桩号为坝横0+09．02～0+53．87。混凝土标号为C25，抗渗标号W10，防渗墙所处地层为河床冲积砂卵砾石层和角砾状灰岩，河床呈“V”字形，上部宽41m，下部宽7r n，防渗墙长44．85ITl．厚1．2m。趾板与防渗墙之间采用连接板连接，连接长度4．0111。防渗墙
衄矽疵rPow er V oL36N o．11墙体以入基岩≥0．8nl为准。防渗墙施工前。对防渗墙及附近砂卵砾石层进行了预灌浆处理。预灌浆采用小口径(咖56t咖)钻孔，孔口封闭孔内循环灌浆的施工工艺。实践证明，预灌浆堵漏效果显著，施工中。未出现漏浆塌孔现象。
通过对九甸峡坝址深厚覆盖层的深入勘察研究．科学合理地确定了其建基面，推荐了其合理坝型。充分利用密实可靠的覆盖层作高坝坝基，有效避免了因深开挖带来的诸多问题。极大地提高了经济效益，对类似工程建设具有借鉴意义。
(责任编辑刘书秋)
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