丰满水电站重建工程潜孔弧形闸门流激振动模型试验研究.pdf

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1、水利水电技术第47卷2016年第6期丰满水电站重建工程潜孔弧形闸门流激振动模型试验研究孔繁臣，王永潭，张喜峰，王振羽，王兴隆，韩四保，项德志(丰满大坝重建工程建设局，吉林吉林132108)关键词：丰满水电站重建工程；三维有限元模型；水弹性模型；弧形闸门doi：10．13928／j．cnki．wrahe．2016．06．019中图分类号：TV663．2(234)文献标识码：A文章编号：1000—0860(2016)06．0076—041工程概况丰满重建工程是在原丰满大坝下游120m处新建一座大坝，并利用原丰满三期工程，恢复原电站任务和

2、功能。工程泄洪系统由坝身泄洪系统和左岸泄洪兼导流洞组成。泄洪兼导流洞洞身全长为848．96m，泄洪兼导流洞出口设1扇潜孔式弧形工作闸门，孔口净宽8．80m，净高8．80m，设计水头76．0m，总水压力65167kN，支铰支撑跨度5．88m，支铰高度13．00m，闸门面板外缘半径18．00m，采用单吊点液压启闭机操作，动水启闭，液压启闭机容量4500kN／1600kN，工作行程13．00m。与其他闸门相比，该潜孔弧形工作闸门运行条件和受力特性较为特殊，主要体现在以下两个方面：(1)弧形工作闸门的尺寸较大，水头较高，水头面积参数达588

3、5m3。(2)闸门的设计泄水流量较大，既有施工期和运行期的导流、泄洪控泄要求，又有保下游城市供水的局部小开度控泄要求。面对这样复杂运行工况下，尤其是研究兼顾局部小开度控泄要求的弧门流激振动特性，对保证其安全稳定可靠运行，意义十分重大。弧形闸门设计是一个复杂的设计过程，就其本身是一个复杂的空间杆件及板壳系统，工程建成后实际运行时的应力与通常平面假定体系的计算结果会有一定的偏差，对于尺寸较大或运行工况复杂的弧形闸门，有必要通过模型流激振动特性(主要包括有限元分析及结构优化和水弹性模型试验)，进行计算验证设计成果，以便于确定合适的结构形式

4、，验证闸门动力安全问题，从而进一步完善和检验设计成果。2闸门结构三维有限元分析及优化2．1闸门结构有限元模型为确定弧门合适的结构设计形式，根据闸门结构的构造特点，建立了完整的闸门结构有限元模型(见图1)。所建有限元模型共包括3908个面，24694个节点，25644个shell单元，24个beam单元，总自由度数目为148176。根据计算获知该模型重量为284．83t，设计图纸标示重量290t，两者之间误差小于1．8％，基本满足要求。2．2闸门结构静力特性计算考虑闸门底缘支撑在地面上，在闸门上游面加静水压力荷载，靠近闸门底缘处压强为

5、0．76MPa。闸门所受载荷及约束状态如图2所示，闸门结构的位移分布云图、应力分布云图如图3和图4所示。位移和应力计算分析结果显示，弧形工作闸门原布置方案存在两个问题：(1)本泄洪洞工作闸门面板采用主纵梁与横梁组合式结构，孑L口尺寸大，水头高，总水压力大，结构最大变形量达到13．300mm，其结构刚度不满足现行设计规范要求。(2)闸门结构最大应力达到345．000MPa，发生部位位于闸门支臂上下主玄杆之间的斜支撑上，次高应力区的最大应力值也达到257．779MPa，应力值也已严重超标，没有实现内力收稿日期：2016—04—13作者简

6、介：孔繁臣(1977一)，男，高级工程师。WaterResourcesandHydropowerEngineeringV01．47No．6图1闸门结构有限元模型图2闸门所受载荷及约束状态示意平衡和有效控制。根据现行规范，表明闸门结构部分区域的刚度和强度均存在薄弱环节，容易造成疲劳损伤和破坏，必须采取措施予以解决。2．3闸门结构修改优化根据闸门结构的存在问题，对闸门结构进行第一次修改优化(见图5)：(1)将支臂前端靠近面板的左方、右方和下方的槽钢斜支撑改为工字钢形状支撑，此处结构与两侧支臂的横向工字钢连接形式相同，具体尺寸为，左右两侧

7、工字钢腹板的宽度与支臂等宽，工字钢翼缘总高度为400mm，水利水电技术第47卷2016年第6期孔繁臣，等∥丰满水电站重建工程潜孔弧形闸门流激振动模型试验研究图3闸门结构变形云图(单位：mm)图4闸门结构应力分布云图(单位：MPa)厚度均为30mm；底部工字钢腹板的宽度与下横梁等宽，翼缘总高度为400mm，厚度为30mm。(2)闸门左右两侧主纵梁与工字钢支撑相连接的部位处的节点板均加厚，厚度调整为160mm。(3)支臂与铰座连接部位中间横板的厚度由50mm增加为65mm。闸门结构修改优化调整后的计算工况及边界条件与前述计算条件完全相同

8、。计算结果显示：弧形工作闸门最大变形量下降至11．603mm，位于闸门面板中横梁、下横梁与左右两侧主纵梁围成的区域之间，闸门最大应力值为197．811MPa，位于支臂与铰座连接部位的中间横板上。但考虑到实际制造及选材等因素存在较大难度