夾巖放空洞高水頭平面工作閘門的設計分析

陶光慧,徐國楊,黃臣勇

(貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550002)

1 工程概況

貴州省夾巖水利樞紐工程具有供水、灌溉及發電綜合功能，并為區域生態環境的改善創造有利條件，為區域脫貧攻堅提供堅實保障。主要由水源工程、畢大供水工程、灌區骨干輸水工程三部分組成[1]。水源壩址位于烏江流域六沖河中游河段上。按SL 252—2000，屬Ⅰ等大(1)型工程。樞紐建筑物主要由面板壩擋水建筑，左岸開敞式溢洪道、泄洪洞、放空洞泄水建筑物，右岸壩后引水發電系統取水建筑物組成。放空洞處于左岸最低位，主要承擔水庫泄洪洞底板以下部位檢修維護的放空任務，不參與泄洪。

2 放空洞及金屬結構布置

《混凝土面板堆石壩設計規范》SL 228—2013規范修編后，對于大型項目及地震烈度影響較大的面板高壩，要求設置相應的放空設施，以確保面板壩的低位檢修及擋水大壩重大事故處置安全儲備，項目初設時根據規范的要求增加了低位放空洞。為了方便低部位趾板、面板出現開裂等情況，滿足放空水庫方便檢修操作的需要，根據可研審查意見“研究降低進水口底檻高程的必要性”的要求。經研究認為夾巖水庫泥沙含沙量較高，泄洪洞進口高程是按150年泥沙淤積設計的，其進口底板高程為1265 m，閘門前運行水頭已達58 m，若再降低底檻，閘門的啟閉將非常困難，因此，在可研基礎上新增放空洞，其取水口高程按高于30年的水庫淤沙高程進行控制，其運行水頭為1265～1242 m，1265 m以上的放空仍然用泄洪洞進行。

2.1 金屬結構方案比選

金屬結構主要從平門+平門方案及平門+弧門方案進行方案比較。

采用平門+平門，井筒長度較短，可大大地縮短井筒工期，但平門門槽突變，在高速水流的條件下流態不穩定，水力學條件不好，需要對流道進行防破壞處理。

采用平門+弧門方案，井筒長度尺寸、體型會較大，工期會較長，弧形工作閘門門槽無突變，水力學條件較好，可適應高流速的影響。

因本部位為新增，同時設定其正常運行條件為泄洪洞高程以下水庫放空，常態下運行水頭不高，最終選定平門+平門方案。

2.2 閘門設置

豎井內順水流方向分別布置一扇平面事故閘門及一扇平面工作閘門，僅作水庫放空1265.00 m以下庫水位使用，不參與水庫的泄洪工作，操作情況為全開全關。當大壩需要檢修低部位時，由溢洪道及泄洪洞聯合放水至1265.00 m后方打開放空洞工作門進行放空，開啟放水后，門后應保持明流狀態。平時由放空洞工作閘門關閉擋水。該放空洞只考慮40年淤沙高程1240.91 m的影響。

根據放空洞布置形式，工作閘門采用平面滾動鋼閘門，主支承為簡支式定輪，采用下游面板及止水，本閘門常規狀態下僅擋水，只有應急情況下方打開放空。啟閉機采用固定卷揚機，并配套拉桿與閘門相連接，當放空時提起一節拉桿鎖定即可，完成放空任務后低水頭動水下閘擋水。主要工作閘門實現高水頭擋水，低水頭放空的任務。

3 放空洞及金屬結構方案論證

為驗證方案的可行性，進行了方案的水工模型試驗，通過低位放空隧洞推薦布置方案試驗取得了水流流態、挑射特征等項資料，論證了放空洞推薦布置方案的合理性及其優越性。

3.1 放空洞推薦方案動水時均壓力測試

(1)放空洞工作門前為壓力流區間，底板和側墻時均動水壓力大，且自進口至工作門出口在閘門全開運行時動水壓力沿流程逐漸降低，至閘門出口達到最低，試驗測得進口底板及側墻時均動水壓力最大值分別為29.583×9.8 kPa和22.98×9.8 kPa，而工作門前則降至7.07×9.8 kPa和1.54×9.8 kPa，事故門門槽和工作門門槽動水時均壓力較高，試驗測得在庫水位為1271.0 m時分別為7.23×9.8 kPa和6.88×9.8 kPa。

(2)水流出工作閘門后底板及側墻動水壓力迅速降低，并逐步過渡至平穩狀態，試驗測得門后洞內底板最低動水壓力3.53×9.8 kPa(F16測點)，而側墻最低動水壓力-1.55×9.8 kPa(G16測點)，隨后逐步回升至正常壓力水平但略低于洞內水深。

(3)水流進入反弧后，水流沿圓曲線邊界流動，水流法向加速度使底板壓力增大，在反弧后半部位由于受到離心力影響，底板壓力達到最大，閘門全開運行最大底板壓力8.60×9.8 kPa，發生在反弧中后部F40測點，往后壓力逐漸減小，至鼻坎頂部減至最小；側墻時均動水壓力變化特征與底板類似閘門全開運行側墻最大動水壓力時均壓力為5.63×9.8 kPa，發生在反弧中后部G40測點。

3.2 方案設計合理性分析

放空洞在校核水位下運行、閘門敞開泄洪時閘前閘后洞身均為滿管壓力流，滿管流狀態一直持續到洞尾出口，洞尾檢修門井水深約為5.95～6.30 m，門槽自底板上方2.45 m以上存在立軸旋轉水流，但能量不大，試驗測得泄洪放空洞挑射水舌內緣挑距約為45.50～47.25 m，外緣挑距約為57.75～61.25 m，沖砸河床寬度約為14.00～15.75 m，出口挑射流速約為18.28 m/s,拋射水舌沖砸區域基本位于河心位置，隨著庫水位降低，水舌挑距逐漸縮短，但水舌沖砸區域仍偏向河心，跌落本岸時則流量較小，沖擊壓力較弱，出口體型設計較為合理。

從試驗的反饋來看，與設計設想基本吻合，設計方案合理可行。

4 放空洞工作閘門設計

4.1 設計分析

當閘門在動水啟閉過程中，閘門底緣的形式及閘門的相對開度等直接影響閘門底緣上的動水壓力分布，若底緣形狀恰為自由流線時，底緣上的壓力分布為零值，此狀態較為理想。若底緣上游傾角設計值小于底緣的臨界角度，則底緣上游傾斜面承受負壓，對運行不利，從眾多實驗來看，當角度α=45°～60°時，在閘下自流出流及底流水流不出現分離現象的條件下，βt=0.7～1.0[2]。對于有動水啟閉運行要求的平面閘門，對閘門底緣的布置要求比較高，下游傾角應不小于30°，對于部分利于水柱的平面閘門，其上游傾角不應小于45°，宜采用60°[3]。

從規范的角度來看，工作閘門上游角度不宜過小。因此底主梁位置距底緣較高，荷載較大增加底主梁的形體尺寸，同時對支承滾輪的布置影響較極大，極大地增加了下主輪的荷載，對支承的選材、加工等造成了較大困難。同時造成主輪及主梁受力荷載嚴重不均，因此梁格布置難度大。若采用平面滑動則為增大啟閉機容量，同時啟閉機排架荷載較重，設計難度增大，因本工程為放空洞，采用溢洪道及泄洪道聯合泄放庫水位至1265 m時方開啟工作閘門，因此其正常運行的水頭不高，但其擋水水頭較高，同時要求非常情況下需要全水頭下亦可打開，啟閉機容量需要滿足全水頭啟門的運行要求。

4.2 設計成果

在進口事故閘門的下游處設置有1扇平面工作閘門，作水庫放空1265.00 m以下庫水位使用。工作閘門底板高程為1242.00 m，閘門檢修高程為1329.00 m。當工作閘門需要維護檢修時，關閉上游的事故閘門即可進行操作[4]。

4.2.1 閘門結構設計

放空洞底板高程1242.00 m，工作閘門孔口尺寸4 m×5 m，最高擋水水頭84 m，正常條件下啟閉水頭29 m，總水壓力21 771 kN(1.2的動水系數)。選定為潛孔式平面定輪鋼閘門型式，主支承采用偏心定輪裝置，軸承形式為自潤滑滑動軸承，門體上邊梁左右對稱各設置4套主輪，側支承為側輪(Φ240H225)，反支承為Φ300鉸式反輪，為利用水柱，閘門面板及止水設置在下游側，門體兩側及頂部三邊采用實心頭P60-A橡塑無節型整體門型水封，底部水封采用I130-20型。自重閉門不夠部分由水柱加重實現閉門。工作閘門主梁采用多主梁型式，閘門橫向區分7格，縱向區分5格，梁格長邊方向與主橫梁軸線方向平行，以增強門體剛度和整體性，采用實腹式齊平連接[5]。共布置6根主梁，底主梁為箱形體，其余主梁為工字形，梁高1 m，箱形主梁腹板及后翼緣板開設有工藝孔。門葉體形為1000 mm×5700 mm×6275 mm(厚×寬×高)，為滿足水力學條件，門底設有上游45°傾角，同時設有底封板同時面板加強板并設有鉚焊孔。門體主材選用Q345B低合金結構鋼，更好地滿足強度及防腐要求，門體含拉桿共重50 t。緊接門后隧洞孔部設有1000 mm×4000 mm通氣孔，閘門檢修高程為1329.20 m。采用Ⅱ型門槽，埋件工作主軌主材選用ZG35Cr1Mo合金鑄鋼，調質處理，為了滿足門槽的防護，采用整體門槽型式，設置一、二期鋼襯護面，埋件重102.5t (含一期鋼襯)。

4.2.2 機電工程設計

本工作閘門的設計運行條件為設計全水頭擋水，正常運行情況下為低水頭動水啟閉，利用閘門自重閉門，緊急情況下可全水頭動水提門泄水。啟閉機配置1套型號為QP4000 kN-15 m的單吊點固定卷揚機。啟門力為4000 kN，主起升揚程為15 m。整機工作級別為Q3中型，單機架布置，單電機驅動模式。滑輪組采用8倍率。電動機YZR 400L1-10 FC=40% 電機功率160 kW。啟閉機的動力電源采用交流380V，50 Hz，控制電源采用交流220 V，50 Hz。啟閉機安裝高程為1329.20 m。為方便輔助上游的事故閘門和該工作閘門的啟閉機等零部件的安裝、維護檢修等的操作，低位放空洞啟閉機室內啟閉機上方設置輔助檢修用單梁橋吊，單梁橋吊的容量為160 kN，揚程為15 m。

4.2.3 監控與應急系統設計

本閘門設置有水位監控及開度監控系統各1套，便于監控閘門的運行等情況，確保金屬結構設備安全運行。作為大(1)型項目泄水系統工作閘門，其啟閉機設置配置1套失電液控應急操作器及動力單元，其功能主要在完全失電的極端情況下，仍可向啟閉機輸出動力，實現閘門的泄放功能[6-7]。

5 結 語

隨著主支承新材料如鋼基銅基復合板、鑄造油尼龍、填充聚四氟乙烯板等成功研用，平面滑動鋼閘門應用已往高水頭方向延伸。復合材料滑道具有較高的承載力，較小的摩擦系數，解決了因為滑塊摩擦系數較大帶來啟閉設備容量較大的難題。而國內眾多的成熟廠家，從質量與工期上均可以加以保證。加上主滑塊設置對不同的門葉結構布置形式均有較強的適應性，使得平面滑動鋼閘門在高水頭運用中存在了可能。但隨著水頭的增加，主滑塊荷載增大，對復合材料滑塊來說依然存在較大挑戰，尤其是重載作用下的動力效果很難保證。作為一個不常用的泄水系統方案是可行的，但是作為一個常用特高水頭泄水系統，整體方案還有優化的需要。