1、 工程概況

滾弄水電站位于緬甸聯邦丹倫江上游的撣邦滾弄縣戶里鄉境內，為怒江出境后第一個梯級水電站，也是丹倫江梯級開發方案中的第一級。水庫正常蓄水位為 EL.519m，最大壩高 103m，對應庫容為659 ×106m3，具日調節性能，裝機規模為 1400MW，保證出力301.27MW，年發電量 7.09GW·h，年利用小時 5064h。

電站電能質量好，具有向緬甸和中國等地區的送電能力和區位優勢，是開發條件好、技術經濟指標較為優越的水電工程。

樞紐工程主要由混凝土重力壩，左岸壩后式地面發電廠房，壩身溢流表孔、壩身沖沙底孔，左右非溢流壩段和右岸導流兼泄洪洞組成。壩身溢流表孔是本工程的主要泄洪設施，布置 6 孔表孔，堰頂高程 EL.496.00m，平臺高程 EL.523.00m，孔口寬度為 16m，設有溢洪道表孔檢修閘門和溢洪道表孔工作弧門。采用 WES 堰型，后接 1:0.8 斜坡段和反弧段，下接消力池底板，采用底流消能作為基本消能方案。

2、 表孔弧形工作閘門及啟閉設備的布置

溢流表孔金屬結構設備由 6 孔 1 扇平面滑動疊梁閘門、6 孔 6 扇弧形工作閘門及相應啟閉設備組成?；⌒喂ぷ鏖l門孔口尺寸（凈寬×凈高）16.0m×23.0m，堰頂高程 EL.496.00m，底檻高程 EL.497.49m，以正常蓄水位 EL519.00m，作為弧門設計擋水位和操作運行水位，考慮涌浪高度和風荷載門葉取超高 0.6m，弧門總高度為 24.11m，弧門支鉸高度根據泄放最高水位時不被沖刷和規范要求，確定為 EL.508.99m。

弧門面板半徑取 26.0m。

FH>5000 屬于超大型閘門，對于超大型、窄高型弧形鋼閘門，若采用傳統的雙支臂閘門則整體剛度較差，在上支臂以上的門葉懸臂段將很大，其剛度很難保證，其內力也較大。對于大型弧形閘門，從結構布置的合理性與經濟性看雙支臂結構都不如三支臂結構。本閘門設計初步考慮為三斜支臂、主橫梁、圓柱鉸支承的露頂式弧形閘門。

閘門的操作條件為動水啟閉，可以局部開啟以控制流量，局開時要求避開閘門的振動區。閘門為雙吊點，每套閘門采用 1 臺懸掛式液壓啟閉機進行操作。液壓啟閉機的油缸一端設置在閘墩上，另一端和閘門吊軸連接。每套啟閉機配置一套泵站，設置在閘墩內，每套泵站設兩臺互為備用的油泵電動機組，其控制方式按現地手動、現地自動和預留遠方自動三種方式進行設計。啟閉設備設置工作、備用雙電源。其油箱，泵站和電氣設備布置在位于閘墩上的啟閉機房內。

3、 門葉及支臂結構的設計計算

該閘門門葉和支臂結構按現行的鋼閘門設計規范采用平面體系計算方法，平面體系計算方法分為主橫梁框架結構計算方法和主縱梁框架結構結算方法，滾弄電站表孔三支臂弧形閘門采用主橫梁同層布置框架結構，利用 Mathcad 進行計算。根據初始結構基本布置情況，總水壓力作用線和水平線的夾角為 12.9406°，采用三主梁荷載基本均分的原則，中支臂選擇位于總水壓力合力作用線上，為了減少上懸臂段，設計時盡量向上布置上主梁，下主梁在滿足主梁下翼板與底檻水平夾角及結構布置要求的條件下，盡量向下布置。上、中支臂的夾角采用 15.8665°，中、下支臂的夾角采用 14.3239°。

重點對門葉面板、主梁、次梁、縱梁、支臂和支鉸、吊耳等進行了強度、剛度和穩定性計算，經過計算，門葉面板選用主梁與支臂的單位剛度比取 5.4682；根據對閘門和啟閉設備的總體布置進行了啟閉力計算，選用容量為 2×5000kN，工作行程為 9.2m 的懸掛式液壓啟閉機進行操作。該閘門屬超大型工作閘門，操作條件為動水啟閉，有局部開啟控制泄流量要求，因此材料容許應力調整系數根據規范取0.9，動力系數取 1.2，依據計算結果，確定采用主橫梁同層布置方案，上、中、下主梁和上、中、下支臂均采用箱形斷面，門葉水平次梁均采用工字鋼，縱梁采用焊接工字型，上、中支臂之間，中、下支臂之間均采用縱向聯接系聯接，這種結構形式具有閘門整體剛度好，便于加工制造等優點。在弧門兩側的邊梁上各布置有 6 個側導向輪，可以有效的控制閘門偏斜，保證閘門運行平穩?；￠T的側止水為“L”形橡塑水封，其摩擦系數低，經工程驗證，止水效果較理想，底止水采用常規的板形水封。閘門支鉸軸承采用自潤滑滑動軸承，但設計中仍保留有常規注油潤滑油孔，作為自潤滑不理想或失效時的后備措施。閘墩頂部設有機械鎖定裝置。門槽底檻埋件和側軌埋件均為鋼結構件，側軌上設有水封和側輪不銹鋼座板。

4、 三支臂弧形閘門的 Inventor 模型及 ANSYS 有限元計算

斜支臂弧形閘門的門葉結構、支臂結構、支鉸裝置屬于復雜的空間結構，在以往的采用 Auto CAD 二維平臺設計二斜支臂弧形閘門中，斜支臂的扭角只能通過經驗公式計算后，反過來表示在圖中，閘門重心位置也是通過經驗選用。而三支臂弧形工作閘門的支臂扭角更為復雜，用經驗公式計算出的數據精確度差。而三維模型的建立，解決了這一在二維圖中遇到的問題，根據閘門結構計算成果，運用Inventor 軟件進行三維建模，直接以弧門主橫梁的空間端點和支鉸點的位置，即可做出支臂模型，直接測量到精確的支臂扭角，還能精確的測量出閘門重心的位置，有利于對弧門的啟閉力進行較準確計算。

對于采用懸掛式油缸作為閘門啟閉設備，閘門在啟閉過程中是否會和油缸有干涉的問題，通過三維模型的旋轉，也能較準確、簡單的進行判斷，避免了要對不同位置組合進行計算的復雜程序。

利用有限元法對該三支臂閘門從強度、剛度和穩定性等方面進行分析和復核，確定合理的整體結構型式及主要構件截面尺寸，同時針對三支臂弧形閘門結構設計計算中存在的問題進行研究，借助有限元軟件 ANSYS Workbench 進行了仿真模擬分析以力求閘門的設計科學、合理、安全、經濟，為目前工程經驗少的三支臂弧形閘門提供了更多的結構優化設計技術支撐。

針對滾弄水電站三支臂弧形閘門這一工程實例，采用空間有限元法對三支臂弧形鋼閘門進行結構計算，較好地體現出閘門的空間結構效應，更準確地反映出閘門各構件的受力情況，不僅可以達到驗算傳統計算方法的準確性，還可以節約材料、減輕閘門自重、優化閘門整體結構以及提高閘門的整體安全度。將平面體系計算和空間有限元兩種計算方法計算出的閘門各構件上應力荷載及變形進行了對比與分析，從而驗證了平面體系法計算的安全性。同時根據有限單元法解決在平面體系計算方法中存在的一些疑惑與問題，也為三支臂弧形閘門的優化提出一定的方向。

由整個閘門的 ANSYS Workbench 的計算結果可知，滾弄水電站三支臂弧形工作閘門的結構設計最大應力和剛度均未超過材料和構件的許用值，都有一定的富余度，存在可優化的空間?？梢钥紤]面板厚度，上支臂與上主梁的橫截面，起支撐作用的槽鋼等結構的進一步優化?？紤]啟門力的閘門計算，在平面體系計算過程中，以下主梁與下支臂的剪力作為控制條件，但有限元計算結果表明，中主梁與中支臂也受到啟閉力的影響，閘門的上主梁與上支臂等效應力、最大剪應力以及綜合變形有所減小。中主梁和中支臂對應的各值有一定程度的增加。下主梁與下支臂的等效應力與最大剪應力的各值有明顯的提高。在下階段的設計中應給予重視。

5、 結束語

滾弄水電站表孔三支臂弧形工作閘門采用主橫梁同層布置方案，上、中、下主梁和上、中、下支臂均采用箱形斷面，在設計上不僅考慮了制造、安裝要求，以及設備的先進性，更重要的是充分考慮了其運行的安全可靠性。經平面體系計算和三維有限元復核計算，閘門的強度、剛度滿足設計規范的要求。