高壓弧門上浮問題的探討

劉進步 王 鵬

（陜西省水利電力勘測設計研究院 陜西 西安 710001）

1 高壓弧門上浮問題

壓力洞出口高壓弧形閘門運行中常出現的一個問題是閘門在完全關閉后，水封封水良好，關閉一段時間后，閘門底部、頂水封處就開始漏水，在漏水量達到一定程度后基本不在增加（除非閘前水位出現較大變化），這一現象，稱其為“上浮”，這里的上浮是指由于閘門上浮力矩推動閘門向上移動，一旦閘門向上移動，閘門頂、底水封密封壓力不足，造成閘門漏水的現象。該現象最先在二郎壩天生橋水庫引水發電洞出口3 m×3m-135m弧門中出現，后在黑河金盆水庫輸水發電洞出口2 m×2m-100m弧門、馮家山水庫泄洪排沙洞出口4.9 m×4.9 m-70 m弧門等多個工程中也有出現，多見于中、小孔口，中、高水頭的弧形閘門，閘門啟閉機為液壓啟閉機的工程設計中。

2 上浮因素的成因

通過對幾個工程閘門上浮問題觀察和分析，造成閘門上浮因素主要有以下幾方面：

2.1 閘門結構因素

閘門結構存在的上浮因素主要是閘門水封布置存在上托力。在閘門關閉后，閘門面板下部、頂水封處存在水壓產生的上托力；閘門底水封、頂水封處水封預壓力產生的反彈力（上托力）使閘門產生上浮力矩。在上浮力矩作用下，閘門是否會上浮，可以通過基本理論推算進行判斷，即假定閘門關閉后，啟閉機對閘門沒有約束力，閘門和埋件之間為理想狀態，閘門自重力矩+側水封摩擦阻力矩是否大于上托力矩。如果大于，閘門在關閉后，可以維持密封狀態；如果上托力大，閘門可能會在上托力作用下促使閘門上浮，在上浮過程中，頂、底水封預壓量降低，上托力距也逐漸減小，直到阻力矩和上托力矩達到平衡。計算時，閘門自重考慮門葉、支臂重力矩，水封預壓及水壓變形和側軌之間的最小摩擦力矩；上托力矩包括閘門面板下部、頂水封處水壓力上托力矩，閘門底水封、頂水封處水封預壓力（水封滿足封水要求和水封座板之間的接觸壓力）的上托力矩。這幾個關系中，除門葉、支臂自重對鉸心力矩比較準確外，其他參數中的預壓力、最小摩擦系數都很難符合實際，但按照水封預壓3mm～5mm，按最小摩擦系數進行估算，可以在設計初期驗證閘門是否會在關閉后保持平衡。

2.2 脈動水壓因素

黑河金盆水庫輸水洞出口弧形閘門孔口尺寸2 m×2 m，設計靜水頭80.7 m。閘門門葉自重3.3 t，支臂重2.93 t，閘門頂、底水封預壓5mm?，F場觀察發現，閘門頂、底都漏水，在閘門左下角，會規律性的射出一股2 m～2.5 m長的水流，在射水瞬間，門頂和門底漏水量明顯增加，短暫回落后，又開始射水，循環脈動出現。用一張銀行卡，無法插入閘門頂水封和水封座板間，估計漏水間隙不會大于1mm。假定在沒有啟閉機約束情況下對閘門重量和各摩擦力形成的阻力矩和閘門結構所受的上托力矩進行平衡驗算，閘門在80.7 m～40 m水頭區間，不能夠自平衡，最大不平衡上托力矩為216.7kN·m，換算成在閘門主梁中心位置的加重量為6.5 t。在2010年4月14日～15日，在現場進行了加重試驗，閘門配重6 t后，觀察30分鐘，下部不再射水，總漏水量明顯減小，考慮計算為理想狀態，多加對防止漏水有利，但同時要兼顧啟閉機的安全運行，結合試驗情況，確定加重量8 t，加重后的1天～2天基本不漏水。大約1個星期后觀察，漏水量和射水情況比加重前得到較大改善，但依然過大，后補設機械鎖方式控制漏水。

在實施加重時，閘門處于關閉狀態，未進行液壓啟閉機操作，可排除液壓啟閉機因素。發電洞機組運行時的脈動水壓是弧門上托力處于交變狀態。閘門在脈動水壓下，會微震，上托力循環增加、減少，猶如一個水擊錘一樣向上敲打閘門，一旦閘門微微上浮，就無法回落，如此循環，直到上托的水擊力矩和閘門阻力矩平衡。加重試驗也驗證了脈動水壓緩慢推動閘門上浮直到新的平衡點。黑河工程中由于無法對弧門前脈動壓力進行觀察，缺少分析脈動水壓大小的第一手資料。在其余類似新建工程中，建議在弧門前設置壓力傳感器，對門前脈動水壓進行原型觀察，了解脈動水壓大小和頻率，以便對出口閘門安全進行有效設計。

2.3 液壓啟閉機因素

高壓弧形閘門由于自重輕，需要通過液壓啟閉機提供閉門力，當液壓啟閉機將閘門完全關閉后，液壓油泵停止運行，閘門依靠自重、摩擦阻力維持關閉位置?；钊麠U對閘門的下壓力也會隨液壓油的“溫變效應”逐漸回歸到0，并出現活塞桿“回抽”現象。液壓油的溫變效應是由于油溫的變化，油液容積產生變化。水口船閘下沉式閘門采用2×800kN德國力士樂公司液壓系統，對由于液壓缸油溫變化而導致液壓容積變化引起的閘門下沉進行多次試驗和精確測量，溫度變化折合為油缸行程變化值為：0.2mm/℃·m。這個值看起來很小，但影響較大。黑河引水洞弧門采用的液壓啟閉機QHSY800kN/400kN，最大行程3.3 m，如果油溫有5°的變化，油缸行程變化3.3mm，已經不能保證閘門水封的密封性能，漏水就是必然的?！皽刈冃币鸬挠透仔谐谈淖儯请S油溫緩慢變化，通過液壓油的體積膨脹系數βt=6.5×10-4/℃和油缸油溫變化，可以計算出液壓油冷卻后油缸的空腔體積和行程變化量。當然，通過高精度的行程測量儀和油缸油溫檢測儀得到的最基本的數據更符合工程實際，了解和掌握每個工程油缸的這一數據，可預測油缸活塞桿的自然變位，評估其對閘門水封預壓量、下沉等因素的影響，并采取積極的應對和預防措施。

3 改善上浮因素的措施

通過布置和結構的細化，優化閘門止水設計，盡量減少閘門結構上的上托力，在設計中應優先考慮。常規設計把底水封設在閘門上，這樣設置的缺點是閘門面板和底水封處都有較大的上托力，而且止水橡皮頭高出面板底沿5mm～10mm，造成閘門開啟時高速過流面不齊平。如果將封水橡皮固定在底檻上，閘門面板下沿結構就可大大簡化。面板弧面前緣和底檻上橡皮相接觸，底檻上橡皮采用梯形斷面，用梯形壓板在下游側向固定在底檻上，壓板及固定螺栓采用不銹鋼材料。這種設計在日本宇奈月壩排沙底孔工作弧門中采用。為防止閘門面板底部沖蝕，門體下部約200mm采用304不銹鋼厚鋼板，這樣設計可以極大限度的降低來自閘門底部的上托力。如果門頂水封和門底水封預壓都設在豎向壓縮，一旦閘門上浮，頂水封、底水封預壓均不能滿足封水要求，而將頂水封的水封座板布置在和橡皮頭徑向垂直方向，即便是閘門出現上浮，頂水封的密封不會受到任何影響。

液壓啟閉機附加蓄能器，使液壓油缸上腔始終保持一定的壓力，通過油缸活塞桿壓緊閘門似乎也是一種解決方式。這種方式對沒有脈動水壓的壓力洞出口弧門是完全可以接受的；但對于有脈動水壓的壓力洞出口弧門，每次脈動水壓都是對液壓油缸系統的一次沖擊，長期使用對油缸安全不利，不建議采用。

采取在門頂設置機械鎖定的方式，即將閘門完全關閉后，用機械鎖定方式壓緊閘門頂部，是一種可以完全消除上浮因素的方式。對于已經建成的引水發電洞出口弧門，采取機械鎖定防止閘門上浮也是最簡單有效的解決方案。如果機械鎖定設計為機電一體化的形式，可以通過控制柜操作按鈕完成，使閘門遠程操作不受影響，是比較優的解決方案。

4 常規設計的替代方案

改變常規弧門布置方案，完全消除上托力因素，如在某國外工程，法國設計的引水洞出口小弧門設計是將弧門直接布置在引水洞圓管道出口，不采用圓變方的形式，將水封布置在埋件上，閘門關閉后，完全沒有上托力，也不需要設置防止閘門局部開啟時的防射水水封，類似于突擴門槽+埋件上布置常規水封的方式，對于50 m以下中、低水頭閘門，是比較優化的選擇。當水頭高于80 m～100m時，偏心鉸弧門和充壓水封弧門是防止上浮的有效選擇，但相應的閘門結構、水工結構復雜，采用流量調節閥（活塞閥）代替弧門進行水量和壓力調節，對于通徑DN2000以內的過流斷面，都有較多的生產商供選擇。活塞閥具有承壓高（壓力等級可達10 MPa），可以進行精確的流量調節，可以保持流量與開度在全行程的線性比例關系，無氣蝕和震動，在工程中應用越來越廣泛。比如磨盤山水庫供水工程采用3臺DN1600、2臺DN1400活塞閥，大伙房水庫共計采用活塞閥19臺，其中DN1600閥9臺。大隆水利樞紐工程、長沙引水工程也都采用DN1600活塞閥，山西引黃入晉北干線工程放水洞須消減134 m水頭到接近放空出流，放水流量在0.34m3/s～3.1m3/s，事故過閥流量6.5m3/s，采用DN1200，PN25活塞閥+補氣系統解決方案調節特性。活塞閥閘室結構和水工消能都比偏心鉸和充壓水封弧門簡單，操作方便，調節特性好，是解決中、小流量，中、高壓力出口流量調節的很好選擇。