復雜沖沙廊道內的高水頭閘門設計研究

賈愛軍，姚孟瑩，劉永勝

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，成都，610072)

1 工程概況

藏木水電站主要任務是發電，裝機6臺，總裝機容量為510MW。工程規模為大(2)型，工程采用混凝土重力壩型，最大壩高116m。電站樞紐建筑物主要由攔河大壩、泄洪消能防沖、排沙、發電廠房、魚道等建筑物組成[1]。2014年11月首臺機組投產發電。

藏木水電站水庫庫容小，沙量大，水庫泥沙淤積速度快，排沙問題非常突出。為滿足沖沙要求，在廠房擋水壩段布置左右兩個沖沙底孔和一個沖沙廊道。受工程布置所限，沖沙廊道設計為6個沖沙進口匯聚至單一廊道的復雜系統。沖沙廊道進口位于進水口下方，尺寸均為3m×3m，底板高程3249.00m。水工模型試驗表明，左右沖沙底孔和沖沙廊道聯合排沙，效果良好[2]。電站為壩后式廠房，沖沙廊道平面布置見圖1。

圖1 沖沙廊道平面布置

這種六匯一的布置型式，沖沙孔進口與廊道連接過渡段較短，各孔間水流會相互影響，各孔水流流量不均勻，水流流動較為復雜，流態變化急遽[3]。藏木水電站下游水位約為3249.00m，沖沙主廊道出口高程為3238.50m，為淹沒出流，廊道內處于半水淹狀態，水力學條件復雜多變，閘門的運行工況十分惡劣。

由此帶來閘門設計的難點問題：

(1)因運行水頭高，流速大，水流含沙量大，對閘門門槽及底板部分的抗磨、防空蝕提出較高的要求。

(2)六匯一的結構導致閘門前后流態復雜，不利的水動力作用強烈，對閘門結構的安全提出了很高的要求。

(3)多泥沙條件下運行，對閘門門槽、閘門面板、止水結構等具體設計均提出較高要求。

(4)相同上下游水位條件下，各孔閘門實際運行條件差別較大，對各孔閘門的合理運行調度有特殊要求。

(5)高原條件下，如何確定高水頭平板工作閘門的合理啟閉速度，無歷史經驗可供參考。

(6)高原氣候條件下，對啟閉機的設計有特殊要求。

2 沖沙廊道閘門設計

由于復雜的沖沙廊道的布置給閘門設計帶來巨大的挑戰，通過門型和啟閉機選擇、門槽設計、閘門結構布置、壓重箱和門葉整體布置、閘門止水專門研究、支承結構設計、通氣孔的設置等多方面的綜合技術保證閘門及啟閉機的安全運行。

2.1 門型選擇

高水頭泄水孔工作閘門一般設置在出口位置，并優先選用弧形閘門。藏木水電站沖沙廊道為六匯一結構，為便于廠房進水口排沙，工作閘門需設置在沖沙廊道進口位置，因進口段為有壓流，無法設置弧形閘門，故工作閘門采用平面閘門。為避免梁格內淤沙，面板及止水設置在上游側，支承為定輪，設在下游側。工作閘門每孔1扇，共6扇。

依據《水電工程鋼閘門設計規范》規定：“在泄水孔(洞)工作閘門的上游側應設置事故閘門”，在工作閘門前布置一套事故閘門，事故閘門6孔共用1扇門葉。事故閘門和工作閘門孔口尺寸相同，為設計、制造方便，事故閘門和工作閘門采用相同結構型式。

2.2 啟閉機選擇

事故閘門6孔共用1扇，采用門機通過抓梁操作，門機和進水口閘門共用。

工作閘門啟閉機有3種布置方式：一是采用液壓啟閉機，啟閉機設在壩頂，通過拉桿操作閘門；二是液壓啟閉機設置在洞內，采用高壓密封門槽，啟閉機直接操作閘門；三是采用高揚程固定卷揚式啟閉機直接操作閘門。

采用液壓啟閉機通過拉桿操作，拉桿節數多，操作和維修不便；采用液壓啟閉機結合高壓密封門槽，閘門啟閉時穩定性好，但工程造價增加很多，檢修不便；采用高揚程固定卷揚式啟閉機直接操作的布置方案更合理。

沖沙廊道事故閘門、工作閘門及啟閉機布置剖面圖見圖2。

2.3 門槽設計

在正常蓄水位，開啟沖沙廊道閘門時，進口最大流速為26m/s，為高速水流。平面閘門在高速水流作用下，由于門槽段邊界突變，將產生局部壓力降，形成空化現象，導致空蝕破壞[3]。為避免門槽空蝕破壞，事故閘門和工作閘門門槽均選用帶錯距的矩形斜坡式Ⅱ型門槽。門槽錯距比為0.06，斜坡比為1/10，圓角半徑50mm。

圖2 沖沙廊道事故閘門、工作閘門布置剖面

因水流含沙量大，為了減弱對流道和門槽的沖刷破壞，全流道增設了鋼板襯砌，擴大保護范圍，提高了門槽和流道的安全性。

閘門門槽布置見圖3。

圖3 閘門門槽布置

2.4 通氣孔設置

在閘門關閉過程中，當閘門持續下降，流道后的水流泄空，閘門后將產生負壓。因而，需在門后設置通氣孔，以便快速補氣，降低閘門后的負壓。高水頭工作閘門開啟時，高速水流將門后的空氣帶走，形成負壓區，如果補氣不及時，負壓嚴重時會引起門槽氣蝕，同時閘門會發生劇烈的震動，影響閘門安全。

藏木水電站位于高寒地區，空氣稀薄、含氧量低，為閘門設置足夠面積、位置適宜、通氣均勻、安全可靠的通氣孔尤為重要。沖沙廊道的工作閘門為動水啟閉，事故閘門為動水閉門，都有充分通氣的要求，通氣孔尺寸按相同規格設計。在具體設計上，通氣孔面積按規范的半理論半經驗公式計算之后作了適當放大。在水工結構設計時，采用多孔平行布置，沿寬度方向共設置3孔，單孔直徑為φ325mm。運行中如果1孔被水流封堵，另外2孔還能夠順利補氣，補氣的安全性優于單孔設計。

2.5 閘門止水設計

平板閘門常用的止水型式有預壓式和充壓伸縮式兩種。水頭為61m，采用預壓式止水可以滿足密封要求。但由于閘門運行是在含沙量高的水中，如何防止泥沙亂入伸縮縫內影響密封止水效果是一個比較關鍵的技術問題。閘門在全開運行期，由于門槽內強烈的紊流作用不會有沙子沉積下來，但在閘門逐漸關閉的過程中，卻有可能存在紊流挾沙從門槽內自下而上鉆入止水伸縮縫隙內，從而影響止水效果。選用上游止水防止閘門運行期、關閉期泥沙進入并淤積到門槽內。

相比下游封水，上游封水因對閘門制作精度和門槽安裝精度要求較高，封水效果通常要差一些。針對這個問題，在閘門制作和門槽安裝的圖紙中，均提出了比規范更嚴格的要求，力求保證止水效果。

上游止水的另一個問題是啟閉過程中的頂水封會射水，引發閘門振動，進而影響閘門的啟閉。在該閘門的設計中，采用了增高頂楣的方法來減少射水。通常頂楣高度在400mm～600mm之間，該頂楣的高度按孔口高度的一半1500mm設計，使得閘門在0.5開度之前頂水封和頂楣貼合運行，有效防止了閘門啟閉過程中的大量射水現象。

考慮到水封長期運行在高水頭、多泥沙環境中，對水封材料要求較高，結合藏木水電站其他閘門的水封設計，水封材料做了專門研究，選用了強度更高，彈性更好的材料。

2.6 支承結構

上游止水的工作和事故閘門，主支承宜設在下游側。相比滑道支承，定輪支承摩擦力較小，節約啟閉機容量，優點明顯。閘門下游側布置4套定輪。為保證閘門在高門槽中平穩行走，在閘門的邊梁和壓重箱頂梁外側共設置6套懸臂側輪作為限位支承。

2.7 閘門結構設計

根據計算，如果僅考慮常規擋水要求，閘門按雙主梁結構即可。但考慮到閘門在高水頭下動水操作的剛度和抗振要求，采用了全主梁結構設計，主梁最大間距不超過800mm，共布置4根主梁。在保證安全的基礎上考慮到經濟性，門葉結構主要材料采用Q235B。閘門整體制造、運輸。

因水頭高，尺寸小，閘門自重較小，閘門不能依靠自重閉門。卷揚式啟閉機不能提供下壓力，需為閘門增加配重。因門體內空間有限，常規的梁格內配重無法滿足要求，采用了門頂壓重箱的設計方式。為了檢修方便，壓重箱和閘門通過可拆卸的吊軸相連，同時，為了操作時的穩定性，壓重箱和閘門之間采用了限位板固定。閘門及壓重箱結構見圖4。

圖4 沖沙廊道閘門及壓重箱結構

2.8 事故閘門充水方式

事故閘門的充水方式通常有三種方式：門頂充水閥充水、閘門整體小開度充水以及旁通閥充水。本工程由于孔口尺寸較小，門頂設置有加重箱，如果設置充水閥，閘門和加重箱不成整體，動水下門時容易晃動，不利于操作。因門槽高度高達60多米，采用旁通閥的話管路過長，檢修不便，經濟性不好。本工程雖然水頭高，但閘門寬度較小，壩頂門式啟閉機為變頻電機，低速提升閘門約100mm充水，充水時水流速度可控，可采用小開度充水的方式平壓。經綜合考慮，選用小開度充水的平壓方式較為合理。

2.9 啟閉機設計

藏木水電站地處西藏，海拔高、風沙大、日照強、晝夜溫差大，對啟閉機的設計和制造有更高的要求。為了啟閉機能夠連續、安全、穩定運行，電氣設備均選用了滿足海拔4000m的高原型。

工作閘門用1000kN固定卷揚式啟閉機操作，工作級別Q3-中，起升高度57m。考慮高原多風沙氣候條件，起升機構采用閉式傳動。滑輪組采用6倍率，鋼絲繩4層纏繞，采用折線繩槽卷筒和返回擋環技術。對于高水頭工作閘門，啟閉速度對閘門啟閉的穩定性相當重要，故電動機選用變頻調速電機，重載時在0.2m/min～2m/min范圍內運行，輕載或空載時可在4m/min以下運行。啟閉機設置在高程為3314.00m的壩頂平臺上，現地操作。

事故閘門用1600kN雙向門機主鉤配自動抓梁操作，工作級別Q3，總揚程79m。起升機構同樣采用閉式傳動。滑輪組采用6倍率，鋼絲繩4層纏繞，采用折線繩槽卷筒和返回擋環技術。電動機選用變頻調速電機，重載時在0.25m/min～2.5m/min范圍內運行，輕載或空載時可在5m/min以下運行。

3 沖沙廊道工作閘門動力學原型觀測

電站投產運行后，對沖沙廊道工作閘門進行了動力學原型觀測。通過原型觀測，取得了復雜沖沙廊道內工作閘門運行情況的基礎資料。經過分析資料數據，對該類閘門的運行情況有了新的認識，可為該類閘門的設計提供參考建議。

3.1 原型觀測的工作內容

沖沙廊道工作閘門的原型動力學觀測內容包括：在不同的啟閉速度(0.4m/min～2m/min)情況下，對閘門振動的加速度、動位移及其動應力、變形、啟閉力等物理參數進行測量和分析，同時對風速、噪音及壩體振動進行觀測。根據擬定的觀測工況，通過對閘門動力學及相關水工建筑物振動數據的采集和分析，捕捉各效應量的變化規律，分析其異常現象和可能危及建筑物安全的因素，評價水工建筑物和閘門的工作性態。

3.1.1 閘門結構應力測量

重點研究門葉面板、橫梁、縱梁及邊梁吊耳板等結構部位的應力情況，共布置9個單向應變計和7個二向應變計，確保各測點應力能反映閘門主要構件的控制應力。

3.1.2 閘門結構振動測量

在閘門結構上布置7個三向振動加速度傳感器，同時測試順水流向﹑橫向及豎向三個方向的振動量，以完整拾取閘門開啟運行過程中在水動力荷載作用下閘門不同部位﹑不同方向的振動量。布置6個振動位移測點，以取得閘門結構運行過程中的振動位移。

3.1.3 相關特性測量

在閘門啟閉過程中，對壩體振動、風速及噪音進行同步測試，分析閘門啟閉的相關特性。振動測點布置在壩頂啟閉機室及廠房內，門槽附近布置2個測點，6#機組發電機層和水輪機層各布置2個測點，共6個測點；風速測點布置在4#和5#閘門井內，共2個測點；噪音測點布置在門槽兩側，共2個測點。

以4#沖沙廊道工作閘門為觀測對象，庫水位從3306.40m到3309.20m變化，啟門速度0.4m/min、1.0m/min、1.5m/min及2.0m/min四檔變幅，組合觀測。

3.2 原型觀測的成果

3.2.1 閘門動應力

4#沖沙廊道工作閘門動水啟閉過程中門體動應力響應隨閘門開度的變化而變化，是一個非平穩隨機過程。為了得到工作閘門啟閉過程中各測點應力響應的統計特性，采用非平穩隨機過程的數據處理方法對工作閘門應力響應進行處理。

相同庫水位，不同啟閉機速度工況，閘門面板、定輪邊梁及下主橫梁中部翼緣的應力值較大，最大應力值都在100.0MPa以上，應力脈動最大幅值都在10.0MPa以上。

不同庫水位及啟閉速度條件下，工作閘門動水啟閉過程總體比較平穩，各測點應力曲線沒有出現大幅的跳躍波動。動應力及脈動最大值與測點位置密切相關，受閘門啟閉速度影響較小。庫水位由3306.4m升至3309.2m時，各測點最大應力值增幅約為10.0MPa，應力脈動最大幅值相差不大。

庫水位為3309.2m時，不同啟閉速度下工作閘門動應力響應的最大值及應力脈動最大值見表1。

表1 4#沖沙廊道工作閘門啟閉時門體應力值(MPa)

從表1中可以看出，工作閘門下主橫梁后翼緣板中部Ya5測點動應力最大值為147.1MPa，最大脈動幅值為19.8MPa；門葉面板Yb9測點動應力最大值為124.3MPa，最大脈動幅值為16.3MPa；靠近定輪邊梁腹板Yb4測點動應力最大值為114.0MPa，最大脈動幅值為8.1MPa。

以下主橫梁后翼緣板中部Ya5測點應力為例，板厚為25mm，材質為Q235B，許用應力為150MPa，設計理論計算值為108.3MPa。最大應力測值為：147.1-19.8=127.3MPa。測點應力分布和設計理論相符合，最大應力值滿足規范許用應力值。

以Ya5測點為例，動應力變化曲線圖及應力脈動變化曲線圖見圖5-圖8。

圖5 庫水位3309.2m、啟門速度0.4m/min時應力變化曲線

圖6 庫水位3309.2m、啟門速度0.4m/min時應力脈動變化曲線

圖7 庫水位3309.2m、啟門速度2.0m/min時應力變化曲線

圖8 庫水位3309.2m、啟門速度2.0m/min時應力脈動變化曲線

3.2.2 啟閉力

4#沖沙廊道工作閘門在庫水位3306.4m和3309.2m啟閉時，啟閉速度由0.4m/min變化到2.0m/min各工況下，啟閉力最大值見表2。

表2 4#沖沙廊道工作閘門各工況啟閉力最大值

庫水位為3306.4m時，啟閉速度由0.4m/min增至2.0m/min過程中，最大啟門力由803kN增至875kN，增幅約9.0%，最大閉門力由666kN增至754kN，增幅約13.2%；庫水位為3309.2m時，啟閉速度由0.4m/min增至2.0m/min過程中，最大啟門力由830kN增至1015kN，增幅約22.3%，最大閉門力由667kN增至796kN，增幅約19.3%。閘門在1.0m/min及以下速度啟閉過程中，啟閉力曲線較平穩，啟閉機容量有一定的安全裕度；閘門以2.0m/min速度啟閉時，啟閉力曲線的波動幅度明顯增大。

在庫水位3309.2m，啟閉速度0.4m/min和2.0m/min工況下，啟閉力變化過程曲線見圖9。

(a)啟閉速度0.4m/min

(b)閉門速度0.4m/min

(c)啟閉速度2.0m/min

(d)閉門速度2.0m/min

可以看出，相同庫水位時，啟閉速度越大，閘門的啟閉力越大，啟閉力變化的波動幅度也越大。在閘門設計規范啟閉力計算的章節中，沒有啟閉速度對啟閉力大小影響的說明，在以往水工鋼結構的文獻中，也未見相關內容。啟閉速度對啟閉力大小的影響，長期以來被業內專業人員忽視。本次原型觀測的數據，證明隨著啟閉速度的提高，啟閉力會增長，啟閉速度偏高的時候，啟閉力有可能會超過計算值。

在本工程中，設計水位為3310.00m，啟閉機容量為1000kN。在庫水位3309.2m，啟閉速度2.0m/min時，最大啟閉力達到1015kN，超過了設計值。從觀測結果來看，該閘門在1.0m/min以下啟閉，較為合適。

對于高水頭定輪工作閘門，啟閉機選用變頻電機，便于在實際操作中調整啟閉速度，是非常必要的。

3.2.3 閘門振動加速度

4#沖沙廊道工作閘門連續啟閉過程中受到的水流動荷載隨閘門開度變化，因而工作閘門在連續啟閉過程中的振動加速度響應是一個非平穩隨機的過程。工作閘門以不同速度啟閉過程中，門體三個方向的振動加速度響應值以橫向振動加速度較大，豎向及順水流向略小。門體橫向加速度較大值主要出現在閘門開度1.0m～2.0m范圍，最大加速度為14.9m/s2；門體豎向及順水流向加速度較大值主要出現在閘門開度2.5m附近，門體豎向最大加速度為8.8m/s2，順水流向最大加速度為12.1m/s2。總體而言，工作閘門啟閉過程中，啟閉速度對門體加速度響應值影響不大，門體各方向加速度響應曲線較平穩，加速度響應值在大多數運行時段內均小于5m/s2，工作閘門的振動加速度屬于較小范圍。庫水位3306.4m時，4#沖沙廊道工作閘門啟閉時門體振動加速度最大值見表3。

表3 4#沖沙廊道工作閘門啟閉時門體振動加速度最大值(m/s2)

3.2.4 閘門振動位移

4#沖沙廊道工作閘門連續啟閉過程中振動位移響應與加速度響應相同，也是一個非平穩隨機過程。工作閘門以不同速度啟閉過程中，門體三個方向的振動位移響應值以豎向振動位移較大，順水流向及橫向振動位移較小，符合工作閘門豎向約束最弱振動位移較大、順水流向和橫向約束較強振動位移較小的特點。門體振動位移響應較大值主要出現在閘門開度2.0m～3.0m范圍，其中門體豎向振動位移最大響應值為8.5mm，順水流向最大位移響應值為4.0mm，橫向最大位移響應值為4.2mm。總體而言，工作閘門啟閉過程中，啟閉速度對工作閘門振動位移影響也較小，門體各方向振動位移響應曲線較平穩，振動位移響應值在大多數運行時段內均小于1.0mm，工作閘門運行總體比較平穩。閘門振動主頻小于2Hz，屬于低頻振動。庫水位3306.4m時，4#沖沙廊道工作閘門啟閉時門體振動位移最大值見表4。

表4 4#沖沙廊道工作閘門啟閉時門體振動位移最大值(mm)

3.2.5 閘門井風速

4#沖沙廊道工作閘門啟閉過程中，4#閘門井風速較小，實測風速未超過5m/s，屬于微風級別。啟閉速度0.4m/min、開度0～2m時，5#閘門井風速未超過5m/s；當開度大于2m后，5#閘門井風速明顯增大，啟門和閉門過程實測最大風速分別為16.0m/s和18.8m/s，大部分風速值未超過10m/s。5#閘門井風速隨啟閉速度增加略有增大，啟閉速度2.0m/min時，啟門過程中最大風速為18.1m/s，閉門過程中瞬時最大風速達26.6m/s，大部分風速值未超過15m/s。4#沖沙廊道工作閘門全開后，4#閘門井風速仍然較小，5#閘門井實測最大風速為21.7m/s，大部分風速值未超過15m/s，屬于強風級別。

經分析：4#沖沙廊道工作閘門啟閉時，4#閘門井及右側1#-3#閘門井的水位高于廊道洞頂，沒有補氣需求，因此進氣量和風速較小；左側5#和6#閘門井的水位低于廊道洞頂，閘門井起到了補氣作用，因此進氣量和風速較大，5#閘門井風速大于6#閘門井。因此，當沖沙廊道某一孔運行前，應將左側各孔的啟閉機室大門打開，以便閘門井進氣順暢。

4 結語

復雜沖沙廊道的水力特性復雜，閘門運行工況復雜。通過藏木水電站沖沙廊道閘門的設計及原型觀測，得出如下結論：

(1)高原條件下，高水頭閘門的工作條件惡劣，閘門設計時應對門槽、門葉結構、止水、支承方式、啟閉機等作專門研究。

(2)復雜沖沙廊道閘門各孔閘門運行時工況不同，閘門調度方式應做專門研究。可在試運行階段對各閘門進行啟閉方式的原型觀測，依據現場情況制定合理的調度方案。

(3)高原條件下，高水頭沖沙孔閘門通氣孔的設置非常重要，應做專門研究。多匯一的復雜沖沙系統，因啟閉時相鄰門槽有補氣功能，應對閘門的啟閉順序重點研究。

(4)啟閉速度對閘門的啟閉力有重大影響，高水頭定輪閘門啟閉機宜采用變頻調速電機，以便現場調節啟閉速度。

(5)高水頭事故閘門如采用小開度充水的平壓方式，閘門開啟時啟閉機必須低速運行，最好采用點動方式。啟門速度過快容易引起閘門振動。