苏丹罗塞雷斯大坝进水口检修闸门改造设计

张万秋

摘要：进水口检修闸门作为大坝金属结构的重要组成部分，在进水口工作闸门/事故闸门检修时起着至关重要的作用。水电站建成之前的全新设计可以对门槽、门叶的匹配性、契合性进行双向的、动态的调整和修改，使得门叶和门槽相互匹配以达到闸门的运行要求；而改造设计的建筑物本体已成为水电站固定的一部分，门槽结构、坝顶结构均已确定，只能以闸门结构设计去适应现有土建建筑物，更进一步约束了改造设计方案的开展。通过介绍苏丹罗塞雷斯大坝进水口检修闸门改造的设计思路，分析了金属结构改造设计需提前预知的参数，把握设计的边界条件，为现代金属结构设计融合改造设计提供了参考意义。

关键词：水电站；检修闸门；改造设计

一、概述

罗塞雷斯大坝位于非洲东北部国家苏丹，是一座以灌溉、发电为目标的工程。始建于 20 世纪 60 年代，形成库容30亿立方米的水库，可灌溉55万公顷土地，设计水电装机容量210MW。第二期工程将坝体加高约10m，库容增至74亿立方米，在使水电站发电能力增加40%的同时，可增加灌区受益面积14.3万公顷 。

二、原进水口布置

原大坝枢纽布置的进水口底坎高程为442.00m，闸顶高程482.00m。机组进水口共设置了7个检修闸门槽，共用1扇检修闸门，检修闸门平时悬挂于孔口上方。检修闸门槽后设置了3个工作闸门槽，并配置3扇工作闸门。检修闸门槽和工作闸门槽均为倾斜式布置，检修闸门孔口尺寸为5.8m×7.51m（孔口宽度×孔口高度)。

原检修闸门为潜孔平面定轮式闸门，门叶共分为3节，通过节间连接板将门叶组装为整体闸门，设置侧轮定位、上游止水、定轮支承，在静水状态下闭门，启门时由门顶充水阀充水平压后启门，由大坝顶部500kN门机通过机械抓梁操作。第二期工程中，在已有进水口检修闸门槽埋件位置固定的条件下，需要对进水口检修闸门结合大坝加高的情况进行改造设计。

三、检修闸门改造设计

原坝顶高程为482.00m，1#-5#闸门槽底槛高程为447.00m，6#-7#闸门槽底槛高程为442.00m，由大坝顶部500kN门机对闸门进行起吊操作。闸门靠自重闭门，静水启门。

根据第二期工程大坝加高的要求，进水口底槛高程不变，原闸顶高程由482.00m加高至491.50m。进水口检修闸门按最大洪水位490.00m进行设计，则改造设计水头为48m，闸门运行工况不变，仍为静水启闭，需要其上下游水位差控制在1m范围内时，方可启闭。

1.检修闸门的基本参数

与门槽相适应的封水宽度、封水高度、定轮支承间距、定轮支承面到上游封水面的间距均已确定，改造设计须充分考虑门槽现有状态，使得闸门和门槽实现良好的匹配，其相关基本参数如下：

孔口宽度/m                   5.8

孔口高度/m                   7.51

设计水头/m                   48

封水宽度/m                   6.04

封水高度/m                   7.61

支承跨度/m                   6.5

总水压力/kN                  20349

启闭机型式                   门式起重机（含液压抓梁）

启闭机启门力/kN              2×320

2.门叶结构设计

根据原门槽的封水位置、支承间距，改造后的门叶面板布置在上游面，主梁采用焊接T型梁，共布置9根主梁，主梁和水平次梁均采用实腹式焊接工字型量，主梁支承在2根边梁上，梁系采用多主横梁同层布置，梁系钢材为Q345B。门叶分3节制造，每节门叶均设置了吊耳便于吊运和拼接，门叶运输至现场后通过节间连接板和螺栓组装成整体。顶节门叶设置充水阀，启门前通过液压抓梁提起顶节门叶对充水阀进行充水，在顶节门叶的左右两侧为配合抓梁设置了定位装置。由于底槛非水平布置，因此将底节门叶面板进行同角度的倾斜设计。

图1  检修闸门结构布置图

3.主支承设计

主支承设计对闸门的启闭运行至关重要，需要其具备很高的可靠度。由于检修闸门通过门式起重机采用抓梁对闸门进行启闭，原门槽主支承轨道采用材料为不锈钢，其硬度为HB280，原闸门采用定轮支承；在改造设计中，既要考虑沿用定轮支承的型式，还要兼顾水压力变化及原门槽深度的限制。由于改造设计轮压载荷较大，同时要结合原支承轨道的硬度进行考虑，为平衡这两项因素，改造设计选择疲劳极限较高的合金结构钢35CrMo作为定轮的材料，其屈服强度, 硬度HBS＜230；经计算，设计主轮半径260mm，轮缘宽度170mm，匹配调心滚子轴承来实现定轮的工作运行。

图2   主支承定轮与原门槽的关系示意图

4.锁定设计

目前国内常采用的闸门锁定型式是将工字钢锁定梁提前摆放在门槽相应位置，待闸门需锁定时将门叶左右两侧锁定支承座落在工字钢锁定梁上。在本项目中，原有设计已设置了旋转支座作为闸门锁定支座，并布置于门槽顶部，根据支座臂端头的链条固定和取下可使得支座在一定角度内旋转。锁定状态下，支座的链条套在门槽固定位置，使得支座的锁定端平行与门叶两侧的锁定支承；非锁定状态时，将支座的链条取下，支座的锁定端随着支座的旋转而离开门槽一定的角度。为此，各节门叶的改造设计均需考虑原闸门锁定装置的型式和尺寸，保证良好的匹配和运行。

5.节间连接及封水装置设计

门叶的节间连接型式涉及到闸门整体刚度、止水效果以及变形控制等方面的情况。由于项目地在海外，运输距离较长，不适合通过整体焊接后进行长距离运输到现场，经过长时间日晒雨淋，将对闸门的变形和腐蚀造成进一步的影响。但同时，海外项目现场的焊接条件和设备有限，且焊接量较大将难以控制焊接预应力的产生，容易导致定轮支承和封水装置的定位失准。因此，门叶节间连接采用节间连接板的型式，通过对相邻门叶的纵隔板用吊板、吊轴、螺栓连接，并对中心纵隔板设置了定位板以保证节间门叶的定位精准。

同时，在各节门叶底部设置一层橡胶止水，作用于下一节门叶或底槛。侧水封采用P型实心水封，材质为橡胶，采用实心水封可增加抗压强度，同时水封头的摩擦面采用聚四氟乙烯以减小水封头与止水面板的摩擦，进一步降低启闭力。

图3  底水封止水详图

四、结语

改造设计不同于项目建设之前的全新设计，通过对闸门技术改造设计的全过程思考，体会如下：

1）闸门改造设计基本上不具备对土建和门槽埋件的情况进行大量调整的可能性，因此，提前充分掌握原有土建结构、门槽埋件的情况有利于改造设计事半功倍，因地制宜考虑门叶主要构件部件的材料、强度、刚度等设计因素。

2）门叶设计思路既在一定程度上受到限制，同时也要求具备开拓思维，既要保证闸门封水效果，也要兼顾闸门承受的荷载可控。

3）若启闭机容量不调整的情况下，要对门叶整体设计、主支承型式进行充分的统筹，方能保证改造后的启闭力不大于原有启闭机容量，并且在顶节门叶的设计上兼顾启闭设施的运行方式。

参考文献：

[1]水电站机电设计手册—金属结构（二）.北京：中国水利水电出版社.1988.
     [2] 蒋德成，崔家仲，贾刚.锦屏一级水电站导流洞封堵闸门的设计.水电站设计， 2009.