红花水电站金属结构优化设计

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1、红花水电站金属结构优化设计摘要：根据红花水电站工程的特点，对金属结构的选型、结构型式、材料等进行比选优化，从而确定较佳方案，使设计的产品安全、可靠、方便、实用。关键词：红花水电站；金属结构；优化设计一、电站金属结构总体设置红花水电站位于广西柳江县，工程总库容30亿立方米，装机220MW，是一座以发电、航运为主，兼顾灌溉、旅游、养殖等的综合性大型等水利工程。红花水电站金属结构包括泄水闸、厂房和船闸三部分。泄水闸共18孔，孔口宽度16米，设上游检修闸门2扇，启闭设备为坝顶门机；工作闸门18扇，启闭设备为固定式卷扬机；下游检修闸门1扇，启闭设备为手拉葫芦。厂房部分设进水口前沿浮式拦污排；进水口拦污栅

2、，启闭设备为耙斗式清污机；进口检修闸门，启闭设备为坝顶门机；尾水事故检修闸门，启闭设备为台车。船闸为单线一级1000吨级船闸，船闸净宽18米，设有上闸首工作闸门和下闸首工作闸门，启闭设备为液压启闭机；上闸首挡洪检修闸门，启闭设备为坝顶门机；下闸首检修闸门，启闭设备为电动葫芦；输水廊道工作闸门，启闭设备为液压启闭机；输水廊道检修闸门，启闭设备为电动葫芦等。整个电站共计有各种闸门49扇，倾斜式滑动拦污栅12扇，浮式拦污排1条，各种启闭设备共有26台。总工程量为12320吨。二、金属结构优化设计 红花水电站总体规模虽然不是很大，但其金属结构却有它独特的地方，如：21600kN坝顶双向门机，容量虽然不

3、算很大，但其功能多；轨上扬程大，而轨距却小。船闸输水廊道工作闸门，孔口尺寸和设计水头虽然不大，但工作水头处于空化临界状态。此外，红花水电站有不少金属结构是超大型的，如泄水闸工作闸门，孔口尺寸（宽高）为1618米；厂房进口检修闸门，孔口尺寸（宽高）为12.1514.21米，设计水头43.855米。厂房尾水事故闸门，孔口尺寸（宽高）为12.1510.34米，设计水头41米。厂房进水口前沿拦漂最大跨度（直线距离）275m，设计最大拉力1400kN等。所有这些，设计都有一定的难度和要求。1坝顶双向门机 红花水电站坝顶双向门机最大容量为21600kN，最大扬程53.5米，轨上扬程15.5米，轨距7米。门

4、机除设主钩外，还设有副钩和回转吊，为多用途使用门机。 （1）坝顶门机的选用。红花水电站泄水闸共18孔，设上游检修闸门2扇；厂房装机6台，设进水口检修闸门6扇；通航船闸一孔，上闸首挡洪检修闸门1扇，船闸上闸首充水廊道上游检修闸门2扇，这些闸门的启闭和吊运都需移动式启闭机来完成。此外，厂房进水口拦污栅和泄水闸下游检修闸门的吊运、厂房机组及其机电设备采用垂直进厂方式运输，亦需依靠坝顶门机来完成。按常规设计，各部位应分别选用不同的启闭设备，但在本工程中，我们与土建各专业协调配合，将上述闸门门槽以及吊物孔上下游方向尽量靠近布置，只共用12台双向坝顶门机即完成上述各项任务。门机轨道贯通于厂房、泄水闸、船闸

5、以及左右岸门库段，使用方便，大大节省了工程量，且提高了机械设备的利用率。（2）门机稳定与安全。根据坝顶门机的特点， 为减少土建工程量，节约工程投资，红花电站坝顶双向门机轨距定为7米。为了保证门机行走运行的安全以及稳定性，我们通过优化设计，降低门机重心，减少门机的倾翻力矩；行走机构采用先进的变频技术，以保证门机在起、制动过程缓慢平稳加速；严格控制门机大、小车启升速度和行走速度。以保证门机的稳定性和安全性。 （3）门机的通用性。21600kN坝顶双向门机分别设有主钩、副钩和回转吊。由于泄水闸、厂房进水口和船闸闸首各孔口宽度相差太大，为了统一使用该门机，我们根据不同的闸门分别设计了3根规格不同的自动

6、抓梁与主钩相配，3根自动抓梁各司其职。另外还设计了1根带推力轴承的单钩平衡梁，专门用于厂房机电设备的吊运。副钩采用160kN移动式电动葫芦，方便启闭船闸上闸首充水廊道上游检修闸门和门机自身维修所需零部件的上下吊运，以及工地施工期间和电站运行期间中小物件的吊运。回转吊容量为160kN，回转半径15m，设在门机的上游侧，以方便泄水闸下游检修闸门在船闸上闸首处提升、下放的操作，以及厂房进水口拦污栅在检修平台的倒运和堆放。 2泄水闸工作闸门 红花水电站泄水闸共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16m18m-17.

7、598m，18孔18扇，采用22000kN固定卷扬式启闭机操作，一门一机布置。（1） 泄水闸工作闸门门型选择。 红花水电站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。由于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，曾考虑采用弧门方案，以改善工作闸门的水流流态。根据设计规范规定：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。由于本工程上、下游泄洪水位高出正常蓄水位较多（上游设计洪水位为86.43m，下游设计洪水位为86.05m，正常蓄水位为77.5m），若要满足规范推荐方式布置，必须增大弧门面板曲率半径，支臂长度将大大增加。因此，弧门方案不管是金属结构工程

8、量还是土建工程量都比平面门方案高，大大增加工程投资。 通过参考国内已建同类工程，在总结分析已建工程实际运行经验的基础上，结合本工程具体的工况，设计中采用新技术、新材料，以解决平板闸门的弊端。红花水电站泄水闸工作闸门门型选定为平面定轮钢闸门，大大节省了工程量。 （2）门槽型式 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。因此，选择适当的门槽形式以改善门槽附近的水力学条件，缓解空化空蚀问题非常重要。红花水电站泄水闸工作闸门门槽采用型门槽。根据设计规范、已有科研成果及工程实例，型门槽初生空穴数Ki=0.40.6，当实际工程中门槽附近的水流空穴数KKi时，门槽一般

9、不至于发生空蚀。从本工程模型试验结果可以看出：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采用多主横梁同层结构布置。闸门主梁布置除底主梁外，上部主梁尽量等荷载布置，采用相同的工字型截面，方便制造。多主梁闸门的计算，实际上是一个超静定问题。设计中，对主梁的布置，结合荷载情况，我们利用电算优化确定，以保证各主梁承受相等或

10、近似相等的荷载。为满足闸门下游倾角不小于30的要求，根据槛下游侧有向下5的偏角的实际情况，我们以双腹板箱型底主梁替代闸门最下面的两根主梁，底主梁到底止水的距离的设计倾角为26.2，从而形成一个31.2的下游倾角。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。为减小闸门运行过程中的振动，根据闸门试验要求，结构设计时适当提高了闸门的整体刚度。 （4）闸门主支承设计泄水闸工作闸门特点是：孔口宽度大，总水压力大。由于闸门主梁弯曲变形，巨大的总水压力将在门槽上作用很大的侧向力，对闸门、门槽预埋件及土建非常不利，支承解决不好，将影响闸门的运行，闸门甚至有可能卡阻。对此类大孔口闸门主支承以前多采用

11、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。在方案比较时，我们也考虑过采用金属调心滚动轴承，但这种轴承需要经常加注润滑脂，且密封要求很严，对水下工作的水工大型笨重设备不利。由于自润滑关节轴承可以自动调心，能适应闸门的变形，避免了侧向力对门槽的破坏，滚轮不会因闸门的变形受卡阻。同时，自润滑关节轴承不需要日常的维护保养。通过比较，确定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，克服了传统偏

12、心轴带来的密封偏心问题。 （5）模型试验论证 根据工程调度需要，洪水期泄水闸工作闸门需经常作局部开启，以宣泄洪水，保护柳州城。如此大规模的平面定轮闸门局部开启产生的震动对闸门的正常使用有多大影响，闸门结构与门槽形式需要做什么样的处理，都需要有确切的定论。为进一步论证该门型及门槽的可行性，保证闸门运行的安全可靠性，在施工图设计阶段，委托南京水利科学研究院对该闸门做了水力学及激流震动模型试验。通过常压模型试验，考查闸室段水力学特性，分析门槽水流空化特性，把握作用于门体的水动力特性；分析闸门结构的摸态特征、揭示闸门水弹性震动状态，寻找闸门结构动态薄弱环节，提出抗震优化方案，制定合理运行操作规程。通过

13、模型试验，验证了闸门结构及门槽设计的合理性和安全性。红花水电站泄水闸工作闸门目前已经投入运行，情况良好。3船闸输水廊道工作闸门门槽体型红花水电站船闸输水廊道工作闸门门楣体型是设计十分关注的又一个问题。该闸门是潜孔式平面定轮闸门，孔口尺寸2.63.2米，工作水头17.71米，处于空化的临界状态。船闸整体模型试验表明，廊道工作闸门门楣体型若设计不妥，不但对廊道产生气蚀，对闸门和门槽本身也会产生气蚀。为防止门槽及闸门底缘的空蚀破坏，寻找合适的门槽形式，我们委托南京水利科学研究院做廊道工作闸门门楣1：1的切片试验。经过多种水位组合的试验，结果表明：若采用适当的补气方案，对消除廊道工作闸门开启过程的空化

14、现象很有效。选择适当的窄门槽方案也可以有效的消除门槽气蚀，但窄门槽方案不利于闸门结构的整体布置，且闸门的支承往往采用钢对钢的滑动支承，支承摩擦阻力较大，增加启闭机容量。同时，窄门槽方案不能消除闸门底缘气蚀。通过比选，我们觉得采用型门槽比较合适。根据试验结果要求，门槽除按型错距门槽设计外，在廊道工作闸门门楣沿门楣宽度方向设置了许多进气管，利用开门瞬间产生的高速水流进行补气，消除空化现象。4拦污排设置红花水电站属低水头径流式电站，发电机组为贯流式灯泡机组，该机型对水头损失十分敏感。过去不少电站，只是被动地利用清污设备或人工清理挂在拦污栅上的污物，不能及时清理，也不容易清理，造成拦污栅前后水头差很大

15、，严重影响水轮发电机发电效益，白白浪费了水能。为减少水头损失，提高电站发电效益，我们在厂房进水口前沿水域设置了一道拦污排，将水表层污物在远离拦污栅的宽阔水域拦截。红花水电站拦污排型式为浮筒自动升降式，最大跨度（直线距离）275m，按悬链线设计，最大矢高14m，设计最大拉力1400kN。拦污排由上下游锚头装置、中间拦污浮箱装置以及安全牵引装置等组成。中间拦污浮箱装置由分节浮箱铰轴连接而成，每节浮箱挂有拦污栅，为拦污排的主体部分。在总结过去经验的基础上，红花水电站拦污排上、下游锚头装置均设计为活动浮式钢结构台车支承型式，滚轮支承在锚固槽里，各由一台PCL控制的QPQ400kN的固定卷扬机启吊，可随

16、水位自动升降。5积极采用新材料、新技术在红花水电站，除了泄水闸工作闸门关节轴承采用自润滑材料外，其它一些金属结构，如坝顶门机、厂房进水口检修闸门、厂房尾水事故闸门、船闸输水廊道工作闸门、船闸人字闸门等，为了减小摩擦力，降低启闭机容量，滑动摩擦副大多采用自润滑材料制作。 对于水利水电工程中的闸门、启闭机的滑动摩擦副，传统的做法是采用金属材料制做。往往由于润滑维护保养不到位，润滑失效而造成故障。象船闸人字闸门底枢承轴巢，不仅支撑着庞大的门体，还常年处于水下，工作环境十分差，维护保养非常不容易，很容易出故障。自润滑材料不仅摩擦系数小，最大优点是不需要人工润滑，这对于象船闸人字闸门底枢承轴巢一类的结构，选择自润滑材料制作，是一种发展趋向。自润滑材料强度虽然比青铜和其它金属低，但可以通过结构设计，减少比压，使它满足我们的要求。这种例子工程上不少，效果非常好。所以，在红花水电站船闸人字闸门底枢承轴巢和其它的一些滑动摩擦副，我们积极的采用自润滑材料来制作。三结束语红花水电站除部分机组尚未安装完毕外，土建工程、金属结构设备已经全部施工完毕，并投入运行，所有金属结构设备运行良好。任何一项设计都是一个总结和提高的过程，红花水电站金属结构设计也不例外，在总结经验的基础上，探索新的做法，再结合具体要求，综合比较，使金属结构的布置更合理，使设计的闸门不仅安全可靠，而且更方便实用。8