高橋水電廠升臥式平板閘門無法閉落原因分析與處理方案

胡 力

（國家電投集團(tuán)江西電力有限公司江口水電廠，江西 新余 338025）

升臥式平板閘門結(jié)合了直升式閘門和弧形閘門的優(yōu)點(diǎn)，使閘門在弧形軌道上作弧形運(yùn)動(dòng)，有利于提高抗震性能，減少工程投資，但因施工不當(dāng)?shù)脑颍趯?shí)際應(yīng)用中有可能出現(xiàn)在正常工況下無法完全閉落的問題。本文以高橋水電廠沖砂閘為案例，分析此類問題的原因并提出對(duì)應(yīng)的處理方案。

1 工程背景

高橋水電廠位于江西省永新縣高橋樓鄉(xiāng)龍江村附近，是一座IV 等小（1）型水利工程，正常蓄水位94.0 m，為日調(diào)節(jié)河床式水電站。主要水工建筑物由溢流壩、水力自控翻板壩、沖砂閘、發(fā)電廠房、升壓站等組成，其中沖砂閘為四孔向下游轉(zhuǎn)動(dòng)的升臥式平板鋼閘門，由QPQ-2×25T 卷揚(yáng)啟閉機(jī)進(jìn)行啟閉。閘門每扇門高7.2 m，門寬8.0 m，閘門底檻高程87.0 m，閘門支承跨度8.3 m，吊點(diǎn)中心距7.0 m，設(shè)計(jì)水頭8.058 m，設(shè)計(jì)總水壓力2520.0 kN，門體凈重15.5 t。

2 問題概況

高橋水電廠水庫防洪調(diào)度任務(wù)設(shè)計(jì)主要由15 孔水力自控翻板壩擔(dān)負(fù)，其特點(diǎn)為根據(jù)庫水位自動(dòng)啟閉，一旦啟動(dòng)即為15孔門葉全部開啟，無法根據(jù)下游情況對(duì)泄洪進(jìn)行有效控制，而四孔沖砂閘門在原設(shè)計(jì)主要任務(wù)為水庫沖淤，同時(shí)兼有配合水力自控翻板壩泄洪任務(wù)，在入庫洪水較小的情況下，提前利用沖砂閘調(diào)控庫水位更有利于保障下游安全。為此，水電廠自2006 年5 月1 日建成投運(yùn)以來，在遭遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以下入庫洪水時(shí)多啟動(dòng)沖砂閘進(jìn)行泄洪調(diào)控，因此沖砂閘啟閉較為頻繁。2010 年～2014 年，四孔閘門陸續(xù)出現(xiàn)在正常蓄水位94.0 m 工況下無法完全閉落至底坎的情況，必須將庫水位降低至92.0 m 以下才能完全閉落，致使閘門漏水嚴(yán)重，影響正常發(fā)電生產(chǎn)。更為嚴(yán)重的是，在2015 年～2016 年期間，由于閘門啟閉動(dòng)作不平衡，沖砂閘陸續(xù)出現(xiàn)閘門鋼絲繩斷裂問題，既威脅到閘室底板安全也對(duì)防洪度汛工作造成不利影響。為解決這個(gè)問題，根據(jù)歷年運(yùn)行情況變遷以及工程設(shè)計(jì)以及施工資料，對(duì)此問題進(jìn)行了跟蹤調(diào)查以及深入分析，力求查明原因，進(jìn)行有針對(duì)性的處理[1]。

3 原因分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)檢查

閘門在閉門狀態(tài)下，外觀檢測(cè)發(fā)現(xiàn)閘門側(cè)水封多處破損，且止水水封與導(dǎo)水板之間間隙較大，漏水較嚴(yán)重且容易卡塞樹枝竹竿等雜物，進(jìn)而加劇側(cè)止水的磨損速度導(dǎo)致水封破損，并且造成側(cè)止水摩阻力發(fā)生較大變化；閘門主導(dǎo)輪軸套在閘門漏水情況下有可能存在不同程度銹蝕問題；閘墩表面多有鑿除修補(bǔ)痕跡，有可能因?yàn)槭┕べ|(zhì)量問題導(dǎo)致閘墩表面局部尺寸不滿足閘門安裝尺寸要求，從而進(jìn)行鑿除修補(bǔ)；閘門門體目測(cè)整體存在扭曲變形。

閘門在啟門狀態(tài)下，外觀檢測(cè)發(fā)現(xiàn)閘門啟閉動(dòng)作時(shí)存在整體偏移、傾斜的情況；側(cè)水封及底水封止水座板等部件變形嚴(yán)重，說明水封受力有可能超過了原設(shè)計(jì)限值；啟吊鋼絲繩水下滑輪組銹蝕破損嚴(yán)重，繩孔有明顯摩擦切割痕跡。

3.2 初步分析

分析閘門無法正常閉落的原因，需結(jié)合升臥式平板閘門的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及外觀檢測(cè)實(shí)際情況進(jìn)行，原因主要有：閘門自重?zé)o法克服摩阻力導(dǎo)致無法閉落；門槽的弧軌段起點(diǎn)太低或半徑太小，導(dǎo)致高水頭工況閉門時(shí)閘門主輪停滯于弧軌段無法閉落。由于電站投運(yùn)初期閘門工作正常，因此可以排除第二種情況，僅需分析閘門自重與摩阻力的問題。

升臥式平板閘門的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：門葉不進(jìn)入左右兩門槽內(nèi)，即門葉寬度略小于閘孔凈寬，每側(cè)與閘墩之間存在3 cm～4 cm的間隙；門葉側(cè)止水裝在面板兩側(cè)與閘墩表面的導(dǎo)軌嚴(yán)密接觸達(dá)到封水目的；向下游轉(zhuǎn)動(dòng)升臥式閘門啟吊鋼絲繩浸在水中容易銹蝕從而縮短壽命；閘門在啟閉過程中側(cè)水封水下部分會(huì)超出閘墩上的封水導(dǎo)板，若閘墩混凝土表面高于封水導(dǎo)板，有可能會(huì)導(dǎo)致側(cè)水封磨損，對(duì)閘墩混凝土澆筑要求較高。

1）根據(jù)高橋沖砂閘施工設(shè)計(jì)圖，每扇閘門除了4 個(gè)懸臂式主輪外，還在門體邊梁上設(shè)計(jì)了4 個(gè)側(cè)導(dǎo)輪以及相應(yīng)門槽內(nèi)側(cè)軌，但從現(xiàn)場(chǎng)情況核實(shí)，實(shí)際上施工中閘門未按設(shè)計(jì)裝設(shè)側(cè)導(dǎo)輪以及相應(yīng)側(cè)軌，門體在啟閉動(dòng)作過程中缺乏橫向約束。在這種情況下，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)外觀檢測(cè)，閘門有可能因兩側(cè)主導(dǎo)輪摩阻力、側(cè)止水摩阻力不一致等因素導(dǎo)致動(dòng)作不平衡，進(jìn)而致使門體發(fā)生橫向水平偏移以及傾斜。

2）在閘門閉門過程中，受動(dòng)水壓力的作用，隨著閘門工作水頭不斷增加，兩側(cè)主導(dǎo)輪摩阻力、側(cè)止水摩阻力也進(jìn)一步加大，當(dāng)閘門摩阻力超過閘門自重時(shí)，閘門將無法克服摩阻力從而導(dǎo)致閘門無法正常閉落。分析摩阻力的構(gòu)成，主要涉及到支承部件主導(dǎo)輪軸套以及輪軸的滑動(dòng)摩擦阻力，以及止水與止水導(dǎo)板之間的滑動(dòng)摩擦阻力，需進(jìn)行閉門力校核計(jì)算。

3）由于閘門為向下游轉(zhuǎn)動(dòng)，因此閘門啟吊鋼絲繩以及滑輪組浸于水中，存在較為嚴(yán)重的銹蝕問題，特別是滑輪組由于材質(zhì)以及鋼絲繩摩擦原因，與鋼絲繩互相切割摩擦，容易造成鋼絲繩斷股導(dǎo)致其安全系數(shù)減小。同時(shí)由于閘門兩側(cè)摩阻力不一致的原因，在閘門開啟時(shí)兩側(cè)鋼絲繩受力不均，當(dāng)某一側(cè)受力超過鋼絲繩極限時(shí)即會(huì)造成斷裂的問題。

結(jié)合高橋沖砂閘實(shí)際運(yùn)用情況的歷史變化，證明了以上分析。

3.3 閉門力校核計(jì)算

1）閉門力計(jì)算采用公式為：

式（1）中：FW表示閉門力，t；NT表示摩擦阻力的安全系數(shù)，一般取 1.2；Tzd表示支承摩擦阻力，t；Tzs表示止水摩擦阻力，t；NG表示計(jì)算閉門力的門重修正系數(shù)，取1.0；G 表示閘門活動(dòng)部分的自重，t；PT表示上浮力，對(duì)于露頂式閘門可忽略不計(jì)。

2）支承摩擦阻力（滑動(dòng)支承）計(jì)算公式為

式（2）中：P 表示作用在閘門上總水壓力，t；R 表示滾輪半徑，cm；r 表示輪軸的半徑，cm；f1表示輪軸滑動(dòng)摩擦系數(shù)，取0.3 cm；f2表示滾輪的摩擦力臂，取0.1 cm。

3）止水摩擦阻力計(jì)算公式為

式（3）中：f3表示止水與止水座的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，橡膠對(duì)鋼板為0.65；Pzs表示作用在止水上的水壓力，t。

當(dāng)FW計(jì)算為負(fù)值時(shí)，表示閘門可依靠自重閉落。

4）閉門力計(jì)算

①閘門自重G 計(jì)算：根據(jù)閘門裝配竣工圖，考慮鋼板厚度負(fù)偏差及省略了側(cè)輪等原因，推算G 為15.5 t。

②閘門水壓力 P 計(jì)算：按水壓力計(jì)算公式 P=Sρg（h1-h2）/2，其中ρ 為水密度，g 為重力加速度，S 為閘門擋水面積，h1為庫水位，h2為閘門底坎高程。當(dāng)庫水位h1=94.0 m 時(shí)，閘門擋水面積S=7×8=56 m2,此時(shí)閘門承受水壓力計(jì)算為1920.8 kN,換算為196 t；當(dāng)庫水位h1=92.0 m 時(shí)，閘門擋水面積S=5×8=40 m2,此時(shí)閘門承受水壓力計(jì)算為980 kN，換算為100 t。

③閘門滾動(dòng)摩擦阻力Tzd計(jì)算：根據(jù)式（2），當(dāng)庫水位94.00 m時(shí)，門葉滾動(dòng)摩擦阻力約12.6 t；當(dāng)庫水位92.00 m 時(shí)，門葉滾動(dòng)摩擦阻力約6.4 t；

④止水摩擦阻力Tzs計(jì)算：根據(jù)式（3），當(dāng)庫水位94.00 m時(shí)側(cè)水封由水壓引起的摩擦阻力約1.1 t；當(dāng)庫水位92.00 m時(shí)，側(cè)水封由水壓引起的摩擦阻力約0.6 t。

⑤根據(jù)公式（1）以及Tzd、Tzs以及閘門自重等參數(shù)，可計(jì)算出：當(dāng)庫水位94.00 m 時(shí)閉門力為-0.39 t，當(dāng)庫水位92.00 m時(shí)閉門力為-7.79 t。

從以上理論計(jì)算結(jié)果表明，閘門在94.00 m 工況時(shí)閉門力沒有富余，若考慮閘門未裝設(shè)側(cè)導(dǎo)輪導(dǎo)致動(dòng)作不平衡等不利因素，閘門閉門力即無法滿足要求，導(dǎo)致閘門在94.00m 工況下無法正常閉落。

4 改造方案

根據(jù)以上分析，解決問題的方案核心是按設(shè)計(jì)增加側(cè)導(dǎo)輪以及側(cè)軌，以達(dá)到對(duì)閘門啟閉動(dòng)作施加橫向約束，在控制閘門止水與止水座滑動(dòng)摩阻力的同時(shí)，達(dá)到保證兩側(cè)摩阻力的均衡以及閘門動(dòng)作平穩(wěn)的目的。要點(diǎn)是必須根據(jù)側(cè)導(dǎo)輪安裝位置進(jìn)行閘門啟閉動(dòng)作軌跡線計(jì)算，并保證側(cè)軌的水平度，確保側(cè)導(dǎo)輪與側(cè)軌的配合，減少側(cè)導(dǎo)輪摩阻力，防止側(cè)導(dǎo)輪損壞閘墩。同時(shí)從改善滾輪摩阻力及止水摩阻力著手：①對(duì)主導(dǎo)輪輪軸進(jìn)行拆解保養(yǎng)，對(duì)銹蝕輪軸以及軸套進(jìn)行更換，進(jìn)一步減少輪軸摩擦系數(shù)；②重新制作并更換因超載變形的止水壓板，并對(duì)側(cè)水封安裝預(yù)壓縮量進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)整，減少側(cè)水封摩擦系數(shù)，盡量降低閘門閉落時(shí)的摩阻力，確保閉門力滿足正常閉落要求。

根據(jù)以上方案，高橋水電廠于2018 年8 月～12 月期間對(duì)沖砂閘進(jìn)行了技術(shù)改造，并取得了預(yù)期成效。

5 結(jié)語

升臥式平板閘門在中小型水利工程具有較為廣發(fā)的應(yīng)用，為保證閘門動(dòng)作平穩(wěn)，安全工作，切實(shí)保障防洪度汛以及水工建筑物安全，在施工和運(yùn)用中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：注重側(cè)導(dǎo)輪對(duì)保持升臥式閘門動(dòng)作平穩(wěn)的重要作用，在施工中要綜合考慮，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求實(shí)施，不得遺漏；在施工中關(guān)注閘墩混凝土立模以及澆筑質(zhì)量，從嚴(yán)控制閘墩混凝土表面尺寸以及平整度，確保不超過導(dǎo)水板以免導(dǎo)致側(cè)水封磨損；在側(cè)水封安裝施工中還應(yīng)注意按設(shè)計(jì)要求調(diào)整好側(cè)止水的預(yù)壓縮量，過大會(huì)導(dǎo)致側(cè)止水摩阻力增大，過小也會(huì)導(dǎo)致門側(cè)漏水；在實(shí)際運(yùn)用中還應(yīng)注意主導(dǎo)輪軸套的定期維護(hù)保養(yǎng)，防止軸套及軸承銹蝕加大摩阻力。