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摘要：朝阳寺水电站溢洪道设有5孔弧形工作闸门。在扩机增容过程中，正常蓄水位抬高了2.5m，弧门相应地增高了2.5m。从缩短工期、降低施工期洪水风险方面考虑，在门叶中间增加了一节门叶结构，弧门半径和支铰高程均不变.启闭机容量由2×1250kN改为2×1500kN，保留液压泵站，更换油缸及活塞杆。
关键词：弧形闸门；启闭机；改造；设计
Abstract:The spillway of Chaoyangsi Hydropower Station has five radial gates. In the process of expand capacity, the normal water level raised the 2.5 m, increasing the corresponding radial gate 2.5m . In order to shorten the construction period, reducing theconstruction period risk of flood , a structure of gate leaf is increased in the middle of the gate.The gate radius and hinge elevation are unchanged.The hoist capacity from 2 x 1250 kN to 2 x 1500 kN, retention hydraulic pump station, replace the oil cylinder and the piston rod.
Key words:radial gatehoistretrofitdesign
中图分类号：TV663+.2文献标识码：A 文章编号：
1、概述
朝阳寺水电站位于湖北省咸丰县境内的唐岩河干流的下游，是唐岩河流域三级开发中的最后一个梯级电站。该电站于1996年建成，正常发电运行至今。2004年开始对其扩机增容，扩机增容后，电站装机容量为3×15＋1×30MW，即增加一台30MW发电机。年利用小时数3400h，多年平均发电量2.55亿kW.h，总库容1.205亿m3。
朝阳寺电站扩机增容工程的金属结构部分主要内容有：溢流坝5扇露顶式弧形工作闸门加高改造；新增引水发电系统发电洞进口拦污栅1扇、事故检修平面闸门1扇和电站厂房出口尾水检修平面闸门1扇。配套卷扬式启闭机2台，溢流表孔弧形闸门液压式启闭机5台，而原来4套液压泵站保留继续使用。除此之外，对一期工程的相关金属结构设备按新的设计条件进行了复核。
由于溢洪道表孔弧门改造工作量较大，而且改造过程中做到了较好的设计优化，故本文仅对溢洪道表孔弧门的改造设计做简要介绍。
2、溢洪道弧形工作闸门改造设计
2.1、设计条件
朝阳寺电站扩机增容后，水库正常蓄水位509.5m，较原507.0m提高了2.5m。设计洪水位509.5m较原来507.31m，提高了0.19m。校核洪水位509.80m，较原来509.78m提高了0.02m。
2.2、原弧门概况
改造前朝阳寺电站在大坝上布置了5孔弧形闸门，闸门尺寸为12×13m溢流堰顶高程495.00m，设计水位507.00m，闸门超高0.50m，关门时闸门底缘高程494.50m ，支铰高度7.50m，闸门曲率半径14.00m，总水压力为9680kN。选用2×1250kN液压启闭机，闸门运行条件为动水启闭，可作局部开启控制运行。弧门采用双主横梁双斜支臂结构，主梁、支臂断面均为单腹板工字型。
2.3、弧门改造设计
闸门改造的初设方案拟保留原闸门的门叶部分，在原闸门的下部增加高约2.5m的门叶结构，将增加部分与闸门连成一体。拆除原二支臂结构将其更换成三支臂，形成12×15.0m的三主横梁-三支臂的弧形闸门，保持原支铰位置和闸门面板曲率半径14.00m不变，并更换支铰。这样可使原弧门的主梁、次梁、支臂等主要构件所受荷载基本不变或增加不多，充分利用原来的闸门结构和原有的埋件。
2003年7月，在本工程的金属结构招标会期间，朝阳寺电业有限公司（业主）邀请了葛洲坝等单位的金属结构专家对弧门施工方案进行了现场咨询，专家提出了门叶从上部加高的两支臂方案。此方案在缩短工期、降低施工期洪水风险方面有一定的好处。业主对此很感兴趣，要求设计方对此方案认真研究和细化。通过进一步方案比较后，我们认为，新方案在满足安全运行的前提下，一定程度上可缩短工期，方便安装，减少现场各专业的相互干扰，降低施工期洪水风险。但新方案较原方案的工程量有所增加（约6t/扇），需经业主对此新增工程量的认可，且制作安装难度、精度有所增加。根据专家的意见，并征得业主的同意，结合施工条件、施工单位的吊装手段和施工时间要求，我院在施工设计时对初设方案进行了一定的调整。
本次扩机增容确定的设计水位为509.50m，比原来的507.00m提高了2.50m。加高改造后溢洪道表孔弧门孔口尺寸12×15.0m（宽×高，下同），溢流堰顶高程495.00m不变，弧形门底槛高程494.50m不变，设计挡水水头15m，支铰高度7.5m不变（由于电站增容后的校核洪水位较原来仅提高了0.02m，因此支铰不影响泄洪水面线），弧门面板曲率半径R=14m不变，总水压力为1376t。闸门操作条件为动水启闭，控制运行。闸门设计方案为两主横梁-斜支臂框架结构，支铰轴承采用自润滑柱面轴承。门叶从上方距上主梁1.5m处切割开，增加一小段含一根主梁的门叶结构（包括面板、小横梁、纵梁、边梁等），原上主梁不变，将原下主梁通过增加梁高等措施补强，下节门叶增加水平次梁补强加固，仍采用两支臂支承。弧门门叶施工方案为：先将原门叶上主梁以上部分切割，吊出闸室。再依次由下至上安装新制的主梁和中部门叶结构，原上主梁以上的门叶部分吊装回来与新制门叶对接。门叶安装完毕后用临时措施将门叶固定在闸室内，拆除原支臂，加固下主梁，更换新的支铰和安装新制的支臂结构。支臂采用箱形梁断面，上、下两支臂间设两根中间支承杆。主材为Q345B，新增门叶结构、支臂在右坝头坝面的临时加工场制作，整体预拼装合格后，分为高度尺寸不大于3.7m的运输单元，拖运到各孔口上的公路桥面。支铰部件在工厂制造，整体予拼装合格后运至现场。闸门和啟闭机的拆除和安装，利用闸墩上的两付扒杆等临时启吊设备进行。门槽侧轨在现有侧轨基础上（510.0m高程）接高至511.5m高程。闸门的启闭机操作吊点位置不变，仍按原来的设在下主梁的悬臂段。
弧门门叶结构剖面如左图1（方框内为新增加的门叶部分，上、下两节双点划线表示原有的门叶结构部分）。
弧门支铰装置（铰链、铰座、轴、球轴承等）全部予以更换。复核铰座的地脚螺栓截面不能满足要求，如果把所有的地脚螺栓全凿出来，难度很大，因此将铰座设计成不对称结构，原有的12根地脚螺栓保留，在铰座的上方钻一排（4个）螺杆孔，增设4根M48对拉螺杆。见下图2：
图2支铰铰座地脚螺栓布置图
2.4、弧门的计算结论及对比
闸门主材Q345B，埋件主材Q235，支铰主材为ZG310-570铸钢。
2007年9月，朝阳寺电业有限责任公司委托湖北省水利厅水电工程检测研究中心，对朝阳寺表孔溢洪道弧形闸门进行现场安全检测，主要项目有：表孔弧形闸门原型观测、弧形闸门结构三维有限元分析、弧形闸门金属结构焊接质量抽检。限于篇幅，本文仅对检测有关结论做复述。
（1）弧形闸门原型观测结论与建议
① 实测弧门振动加速度、振动位移和动应力都很小，闸门属于微幅随即强迫振动，对闸门安全运行无影响；
② 闸门在正常的工作条件下，其前三阶自振频率为5.20Hz～8.32Hz，远大于水流的脉动主频率0～2.5Hz，闸门不会产生共振现象；
③ 实测动力响应表明，闸门振动的最不利开度是3.0m～4.0m和5.5m～6.5m两个区间，5扇闸门应尽量避开在这两个区间内长时间泄洪。
④ 两个边孔闸门的水流受岸壁的影响，门前流态十分紊乱，大量的不对称漩涡直接冲击闸门，容易引起强烈振动，因此，在泄洪启动过程中，建议对5#闸门（边孔）进行重点监视；
⑤ 必须严格控制上游水位，严禁门顶过水（闸门在运行过程中，曾出现门顶过流的违规现象）。
（2）弧形闸门结构三维有限元分析
采用ANSYS有限元计算程序，按第4强度理论来验算闸门的强度。将闸门主要构件部位的实测应力值与计算结果对比，除了纵隔板下部的计算值比实际值小外，其余大部分测点计算值与实测值较接近。见下表1：
表1 闸门主要构件的应力计算值与实测值比较（MPa）
构件部位（测点） 实测值 计算值
支臂内侧翼缘（Y1） -101.3 -95.43
支铰（A1） 切向 19.03 8.052
径向 -12.5 -17.369
纵隔板上部（点2） -62.75 -57.498
纵隔板下部（点11） 120.75 96.53
上主横梁后翼缘（点15） 49.34 64.52
下主横梁后翼缘（点15） 105.11 64.52
结论与建议：
① 在15m设计水头下，弧门门叶上悬臂最大位移为12.618mm（位于闸门面板顶部），主横梁以上的面板部分悬臂变形效应较明显。上主横梁跨中挠度为3.026mm，下主横梁跨中挠度为2.674mm，均小于允许挠度10.8mm，闸门主梁刚度满足规范要求；
② 在15m设计水头下，闸门主要构件应力满足要求，有限元计算结果与实测值大部分比较接近，相互得到验证；
③ 无水情况下闸门第1阶自由振动频率为12.212Hz，由于水体的附加质量，有水时闸门的自由振动频率比无水时低；
④ 闸门结构设计合理，并有一定的安全储备。
3、溢洪道弧门启闭机改造设计
由于闸门加高后，其总水压力增加了411t，经复核，原2×1250kN液压启闭机容量已经不能满足新的启门力的要求，因此，启闭机应予以更换。计算采用容量为2×1500kN液压启闭机，启闭机工作行程为6.32m。由于工作行程变化，且启闭机容量变化，原来的液压油缸和活塞杆无法保留，必须更换，但考虑到启闭机容量仅增加20%，经复核，液压系统额定压力为17.1MPa，原液压泵站和液压系统仍然能够满足要求，可以保留继续使用。液压油缸的下吊点位置不变，仍按原来的设在下主梁的悬臂段；连接液压油缸的支铰埋件予以更换，打锚杆固定，并增设抗剪梁，液压油缸的旋转中心略有调整。
表2 2×1500kN液压启闭机主要技术特性
序号 名 称 参 数 备 注
1 额定启门力 2×1500 kN
2 工作行程 6 .321m
3 最大行程 6.500m
4 吊点间距 11.0 m
5 启门速度 ～0.4 m/min 可调
6 闭门速度 ～0.3 m/min 可调
7 操作条件 动水启闭，可局部开启
4、结语
在改造工程中，怎样从投资最省、施工方便、滿足工期、结合现状等角度去考虑方案的选择，是我们在设计中常遇到的问题。有时候无法兼顾，但怎样做到最佳选择可能不仅仅是设计方单独的面临问题，需要业主、施工方的共同努力。在本案中，从投资上讲，技施设计方案不是投资最省的方案；从施工难度而言，本方案切割面较多，要求割口平整，焊前打坡口，对接焊缝较多，要求焊透、探伤，门叶全部在孔口里吊装、定位、焊接的难度也较大；但技施设计方案能够缩短工期，为早日蓄水发电赢得时间，尤其是降低了施工期的洪水风险，因为即使切割了门叶的上面悬臂部分后，余下的部分仍然能够挡水，并且能通过启闭机操作启门泄洪，仅需选择支臂更换那段时间避免洪水期。
朝阳寺水电站扩机增容工程从2006年开始验收以来，一直运行至今，经历数次洪水期，且有一次洪水漫过弧门端部，弧门仍安然无恙，说明设计改造方案可行，结构设计合理，施工质量合格。工程虽已完成了几年，但设计方案仍有可取之处。
参考文献：
[1] SL74-95 《水利水电工程钢闸门设计规范》。
[2] DL/T14173-2008 《水电水利工程钢闸门制造安装及验收规范》。
[3] DL/T5019-94 《水利水电工程启闭机制造安装及验收规范》。
作者简介：
王业交（1972—），男，湖南邵阳人，高级工程师，主要从事水利水电工程金属结构设计工作
施得兵（1975—），男，湖北黄冈人，工程师，主要从事水利水电工程金属结构设计工作
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：弧形闸门；启闭机；改造；设计
Abstract:The spillway of Chaoyangsi Hydropower Station has five radial gates. In the process of expand capacity, the normal water level raised the 2.5 m, increasing the corresponding radial gate 2.5m . In order to shorten the construction period, reducing theconstruction period risk of flood , a structure of gate leaf is increased in the middle of the gate.The gate radius and hinge elevation are unchanged.The hoist capacity from 2 x 1250 kN to 2 x 1500 kN, retention hydraulic pump station, replace the oil cylinder and the piston rod.
Key words:radial gatehoistretrofitdesign
中图分类号：TV663+.2文献标识码：A 文章编号：
1、概述
朝阳寺水电站位于湖北省咸丰县境内的唐岩河干流的下游，是唐岩河流域三级开发中的最后一个梯级电站。该电站于1996年建成，正常发电运行至今。2004年开始对其扩机增容，扩机增容后，电站装机容量为3×15＋1×30MW，即增加一台30MW发电机。年利用小时数3400h，多年平均发电量2.55亿kW.h，总库容1.205亿m3。
朝阳寺电站扩机增容工程的金属结构部分主要内容有：溢流坝5扇露顶式弧形工作闸门加高改造；新增引水发电系统发电洞进口拦污栅1扇、事故检修平面闸门1扇和电站厂房出口尾水检修平面闸门1扇。配套卷扬式启闭机2台，溢流表孔弧形闸门液压式启闭机5台，而原来4套液压泵站保留继续使用。除此之外，对一期工程的相关金属结构设备按新的设计条件进行了复核。
由于溢洪道表孔弧门改造工作量较大，而且改造过程中做到了较好的设计优化，故本文仅对溢洪道表孔弧门的改造设计做简要介绍。
2、溢洪道弧形工作闸门改造设计
2.1、设计条件
朝阳寺电站扩机增容后，水库正常蓄水位509.5m，较原507.0m提高了2.5m。设计洪水位509.5m较原来507.31m，提高了0.19m。校核洪水位509.80m，较原来509.78m提高了0.02m。
2.2、原弧门概况
改造前朝阳寺电站在大坝上布置了5孔弧形闸门，闸门尺寸为12×13m溢流堰顶高程495.00m，设计水位507.00m，闸门超高0.50m，关门时闸门底缘高程494.50m ，支铰高度7.50m，闸门曲率半径14.00m，总水压力为9680kN。选用2×1250kN液压启闭机，闸门运行条件为动水启闭，可作局部开启控制运行。弧门采用双主横梁双斜支臂结构，主梁、支臂断面均为单腹板工字型。
2.3、弧门改造设计
闸门改造的初设方案拟保留原闸门的门叶部分，在原闸门的下部增加高约2.5m的门叶结构，将增加部分与闸门连成一体。拆除原二支臂结构将其更换成三支臂，形成12×15.0m的三主横梁-三支臂的弧形闸门，保持原支铰位置和闸门面板曲率半径14.00m不变，并更换支铰。这样可使原弧门的主梁、次梁、支臂等主要构件所受荷载基本不变或增加不多，充分利用原来的闸门结构和原有的埋件。
2003年7月，在本工程的金属结构招标会期间，朝阳寺电业有限公司（业主）邀请了葛洲坝等单位的金属结构专家对弧门施工方案进行了现场咨询，专家提出了门叶从上部加高的两支臂方案。此方案在缩短工期、降低施工期洪水风险方面有一定的好处。业主对此很感兴趣，要求设计方对此方案认真研究和细化。通过进一步方案比较后，我们认为，新方案在满足安全运行的前提下，一定程度上可缩短工期，方便安装，减少现场各专业的相互干扰，降低施工期洪水风险。但新方案较原方案的工程量有所增加（约6t/扇），需经业主对此新增工程量的认可，且制作安装难度、精度有所增加。根据专家的意见，并征得业主的同意，结合施工条件、施工单位的吊装手段和施工时间要求，我院在施工设计时对初设方案进行了一定的调整。
本次扩机增容确定的设计水位为509.50m，比原来的507.00m提高了2.50m。加高改造后溢洪道表孔弧门孔口尺寸12×15.0m（宽×高，下同），溢流堰顶高程495.00m不变，弧形门底槛高程494.50m不变，设计挡水水头15m，支铰高度7.5m不变（由于电站增容后的校核洪水位较原来仅提高了0.02m，因此支铰不影响泄洪水面线），弧门面板曲率半径R=14m不变，总水压力为1376t。闸门操作条件为动水启闭，控制运行。闸门设计方案为两主横梁-斜支臂框架结构，支铰轴承采用自润滑柱面轴承。门叶从上方距上主梁1.5m处切割开，增加一小段含一根主梁的门叶结构（包括面板、小横梁、纵梁、边梁等），原上主梁不变，将原下主梁通过增加梁高等措施补强，下节门叶增加水平次梁补强加固，仍采用两支臂支承。弧门门叶施工方案为：先将原门叶上主梁以上部分切割，吊出闸室。再依次由下至上安装新制的主梁和中部门叶结构，原上主梁以上的门叶部分吊装回来与新制门叶对接。门叶安装完毕后用临时措施将门叶固定在闸室内，拆除原支臂，加固下主梁，更换新的支铰和安装新制的支臂结构。支臂采用箱形梁断面，上、下两支臂间设两根中间支承杆。主材为Q345B，新增门叶结构、支臂在右坝头坝面的临时加工场制作，整体预拼装合格后，分为高度尺寸不大于3.7m的运输单元，拖运到各孔口上的公路桥面。支铰部件在工厂制造，整体予拼装合格后运至现场。闸门和啟闭机的拆除和安装，利用闸墩上的两付扒杆等临时启吊设备进行。门槽侧轨在现有侧轨基础上（510.0m高程）接高至511.5m高程。闸门的启闭机操作吊点位置不变，仍按原来的设在下主梁的悬臂段。
弧门门叶结构剖面如左图1（方框内为新增加的门叶部分，上、下两节双点划线表示原有的门叶结构部分）。
弧门支铰装置（铰链、铰座、轴、球轴承等）全部予以更换。复核铰座的地脚螺栓截面不能满足要求，如果把所有的地脚螺栓全凿出来，难度很大，因此将铰座设计成不对称结构，原有的12根地脚螺栓保留，在铰座的上方钻一排（4个）螺杆孔，增设4根M48对拉螺杆。见下图2：
图2支铰铰座地脚螺栓布置图
2.4、弧门的计算结论及对比
闸门主材Q345B，埋件主材Q235，支铰主材为ZG310-570铸钢。
2007年9月，朝阳寺电业有限责任公司委托湖北省水利厅水电工程检测研究中心，对朝阳寺表孔溢洪道弧形闸门进行现场安全检测，主要项目有：表孔弧形闸门原型观测、弧形闸门结构三维有限元分析、弧形闸门金属结构焊接质量抽检。限于篇幅，本文仅对检测有关结论做复述。
（1）弧形闸门原型观测结论与建议
① 实测弧门振动加速度、振动位移和动应力都很小，闸门属于微幅随即强迫振动，对闸门安全运行无影响；
② 闸门在正常的工作条件下，其前三阶自振频率为5.20Hz～8.32Hz，远大于水流的脉动主频率0～2.5Hz，闸门不会产生共振现象；
③ 实测动力响应表明，闸门振动的最不利开度是3.0m～4.0m和5.5m～6.5m两个区间，5扇闸门应尽量避开在这两个区间内长时间泄洪。
④ 两个边孔闸门的水流受岸壁的影响，门前流态十分紊乱，大量的不对称漩涡直接冲击闸门，容易引起强烈振动，因此，在泄洪启动过程中，建议对5#闸门（边孔）进行重点监视；
⑤ 必须严格控制上游水位，严禁门顶过水（闸门在运行过程中，曾出现门顶过流的违规现象）。
（2）弧形闸门结构三维有限元分析
采用ANSYS有限元计算程序，按第4强度理论来验算闸门的强度。将闸门主要构件部位的实测应力值与计算结果对比，除了纵隔板下部的计算值比实际值小外，其余大部分测点计算值与实测值较接近。见下表1：
表1 闸门主要构件的应力计算值与实测值比较（MPa）
构件部位（测点） 实测值 计算值
支臂内侧翼缘（Y1） -101.3 -95.43
支铰（A1） 切向 19.03 8.052
径向 -12.5 -17.369
纵隔板上部（点2） -62.75 -57.498
纵隔板下部（点11） 120.75 96.53
上主横梁后翼缘（点15） 49.34 64.52
下主横梁后翼缘（点15） 105.11 64.52
结论与建议：
① 在15m设计水头下，弧门门叶上悬臂最大位移为12.618mm（位于闸门面板顶部），主横梁以上的面板部分悬臂变形效应较明显。上主横梁跨中挠度为3.026mm，下主横梁跨中挠度为2.674mm，均小于允许挠度10.8mm，闸门主梁刚度满足规范要求；
② 在15m设计水头下，闸门主要构件应力满足要求，有限元计算结果与实测值大部分比较接近，相互得到验证；
③ 无水情况下闸门第1阶自由振动频率为12.212Hz，由于水体的附加质量，有水时闸门的自由振动频率比无水时低；
④ 闸门结构设计合理，并有一定的安全储备。
3、溢洪道弧门启闭机改造设计
由于闸门加高后，其总水压力增加了411t，经复核，原2×1250kN液压启闭机容量已经不能满足新的启门力的要求，因此，启闭机应予以更换。计算采用容量为2×1500kN液压启闭机，启闭机工作行程为6.32m。由于工作行程变化，且启闭机容量变化，原来的液压油缸和活塞杆无法保留，必须更换，但考虑到启闭机容量仅增加20%，经复核，液压系统额定压力为17.1MPa，原液压泵站和液压系统仍然能够满足要求，可以保留继续使用。液压油缸的下吊点位置不变，仍按原来的设在下主梁的悬臂段；连接液压油缸的支铰埋件予以更换，打锚杆固定，并增设抗剪梁，液压油缸的旋转中心略有调整。
表2 2×1500kN液压启闭机主要技术特性
序号 名 称 参 数 备 注
1 额定启门力 2×1500 kN
2 工作行程 6 .321m
3 最大行程 6.500m
4 吊点间距 11.0 m
5 启门速度 ～0.4 m/min 可调
6 闭门速度 ～0.3 m/min 可调
7 操作条件 动水启闭，可局部开启
4、结语
在改造工程中，怎样从投资最省、施工方便、滿足工期、结合现状等角度去考虑方案的选择，是我们在设计中常遇到的问题。有时候无法兼顾，但怎样做到最佳选择可能不仅仅是设计方单独的面临问题，需要业主、施工方的共同努力。在本案中，从投资上讲，技施设计方案不是投资最省的方案；从施工难度而言，本方案切割面较多，要求割口平整，焊前打坡口，对接焊缝较多，要求焊透、探伤，门叶全部在孔口里吊装、定位、焊接的难度也较大；但技施设计方案能够缩短工期，为早日蓄水发电赢得时间，尤其是降低了施工期的洪水风险，因为即使切割了门叶的上面悬臂部分后，余下的部分仍然能够挡水，并且能通过启闭机操作启门泄洪，仅需选择支臂更换那段时间避免洪水期。
朝阳寺水电站扩机增容工程从2006年开始验收以来，一直运行至今，经历数次洪水期，且有一次洪水漫过弧门端部，弧门仍安然无恙，说明设计改造方案可行，结构设计合理，施工质量合格。工程虽已完成了几年，但设计方案仍有可取之处。
参考文献：
[1] SL74-95 《水利水电工程钢闸门设计规范》。
[2] DL/T14173-2008 《水电水利工程钢闸门制造安装及验收规范》。
[3] DL/T5019-94 《水利水电工程启闭机制造安装及验收规范》。
作者简介：
王业交（1972—），男，湖南邵阳人，高级工程师，主要从事水利水电工程金属结构设计工作
施得兵（1975—），男，湖北黄冈人，工程师，主要从事水利水电工程金属结构设计工作
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。