高水頭放空底孔工作閘門剛性止水修復研究與應用

龍見穎，王 濤，王志輝

（雅礱江流域水電開發有限公司，四川 成都 610051）

0 引言

某大型水電站共設4個放空底孔，每孔進出口均設有1套工作閘門（3×5.5-120（80）m平板閘門）及1套事故檢修閘門（3×9.19-120（80）m平板閘門）。放空底孔主要用于大壩尚未建成而又需要蓄水發電期間泄洪及控制水庫初期水位，以及后期檢修大壩或有人防要求時降低水庫水位使用。

底孔工作閘門設計時基于充分滿足120 m超高水頭下閘門的止水效果和80 m水頭下動水啟閉可靠性的雙重要求，閘門常規止水方式已難以滿足要求。故最初設計時，充分結合了國內外高壓滑動平面閘門的實踐經驗，在國內首次選定剛性止水、窄門槽的滑動閘門型式[1]，該結構型式閘門具有結構緊湊、門葉剛度大、門槽尺寸小（窄門槽）、高速水流下門槽易空化空蝕、制造與安裝精度高、檢修難度大、止水難度大、啟門力大、閘門振動大等特點。

工作閘門頂、側止水與支承設計合二為一。門葉頂、側止水支承材料采用鋁青銅（ZCuAl10Fe3），門槽頂、側止水材料為不銹鋼（2Cr13）。門葉底止水材料為不銹鋼（2Cr13），門槽底坎止水材料為巴氏合金，止水面的接觸間隙設計要求在0.03 mm以內，對工藝要求十分嚴苛。

工作閘門在竣工投入使用后，歷經兩個汛期的泄洪，泄洪高速射流對門槽底坎止水面產生了嚴重沖刷，汽蝕也較為嚴重，已不能徹底的封水，隨即將底孔工作閘門置于關閉狀態，而使用檢修閘門用于擋水。

針對底孔工作閘門剛止水存在的問題，通過對比研究國內高水頭閘門各種止水型式及止水材料的選擇與應用，最終選定采用修復門槽底坎止水、研磨門槽止水面的止水修復方法，以及剛性止水與預壓式止水聯合使用的止水改進方法對底孔工作閘門剛止水進行修復。

1 工作閘門剛性止水運行狀況

1.1 門槽流道狀況

底孔工作閘門在電站投運初期作為水庫泄洪控流設備使用后，門槽底坎巴氏合金止水面出現了被高速水流嚴重沖刷和空蝕的情況，導致閘門密封面漏水量急劇增大。期間，實驗性地采用貝爾佐納復合抗磨涂料進行了修復填充和找平處理，處理完成后帶水試驗閘門漏水情況，較未處理前漏水情況略有改觀，但并不能徹底的封水，并在試驗期間，抗磨材料同樣因為高速水流沖刷，導致止水面被嚴重破壞。又經長時間放置，門槽底坎止水面原貝爾佐納復合抗磨涂料已出現了老化、脫空現象，止水面局部甚至出現爆口、鼓包、脫落及整體不光滑等現象，側止水面也出現局部銹蝕小坑。

圖1 門槽底坎磨損情況

1.2 工作閘門止水面狀況

由于前期現場施工條件限制，對1號、3號底孔工作閘門進行了抽檢。將工作閘門提至全開位置，對門槽止水面進行清掃，門槽及閘門底止水面清掃完畢后，將工作門落至全關，在工作閘門背后鋼襯2.8 m高位置處焊接支點，用千斤頂模仿水推力對閘門加壓，測量止水面配合間隙，測點間距為200 mm，根據設計要求，合格標準為閘門止水面配合間隙≤0.03 mm。使用300 mm塞尺對閘門止水面間隙進行測量，0.02 mm塞尺不能通過即認定間隙為0 mm。

測量數據結果為：1號工作閘門門槽頂止水與左側止水密封面有0.18 mm的高差，閘門頂止水、底止水間隙均認定為0 mm，但底止水有一段200 mm長透光，側止水最大間隙為0.50 mm；3號工作閘門底止水密封處有兩處0.02 mm、0.03 mm間隙，測量過程中還發現，流道內的水滲出到了工作閘門下游，左側止水有一處間隙為0.03 mm，右側止水有一段130 mm長間隙為0.02 mm，其余間隙均認定為0 mm。

2 工作閘門輔助止水修復

2.1 工作閘門頂止水修復

將原頂止水方式改進為預壓式橡膠與剛止水相結合的止水方式。預壓式橡膠止水為輔助止水，水封形式為實心P型圓頭橡膠，保留原鋁青銅剛止水結構。在門楣鋁青銅支撐止水面上部閘門不銹鋼門葉本體上，加工切削出安裝預壓式橡膠止水安裝位置。

頂水封裝置由墊板、水封和壓板組成。其中墊板厚5 mm，水封厚12 mm，壓板厚10 mm，采用沉頭螺釘固定。墊板和壓板的材質為1Cr18Ni9Ti。水封材質為LD19，密度1.2~1.5 g/cm3，含（新）膠量≥60%，拉伸強度達到22 MPa，邵氏硬度≥70±5，延伸率≥400%。沉頭螺釘采用M12不銹鋼螺釘，材質為0Cr18Ni9，螺栓間距為60 mm。

2.2 工作閘門側水封修復

側止水同樣采取預壓式橡膠與剛止水相結合的止水方式，水封形式為實心P型圓頭橡膠。側輔助止水裝置采用與頂水封同樣材質的墊板、水封和壓板組成，因原門葉側止水寬度僅為100 mm，加之原側止水平面鋁青銅剛止水位置限制，無法在閘門背水密封平面上安裝預壓式橡膠止水，故在閘門背水密封面側面安裝輔助橡膠止水密封固定壓板。

在閘門背水密封面鋁青銅剛止水靠側面位置閘門頂部至底部車削出側輔助水封安裝位置，水封安裝螺栓孔布置在閘門側面，水封壓板、螺栓孔現場配鉆安裝，螺栓安裝位置避開鋁青銅剛止部分結構，完全保留原鋁青銅剛止水部分。

頂、側水封安裝結構相同，如圖2所示。頂、側輔助橡膠水封轉角處采用轉角水封，轉角水封尺寸為200 mm×200 mm，現場用冷粘劑將頂、側水封、轉角水封粘接，把頂部、側面輔助橡膠水封連接成整體。

圖2 閘門頂水封改造圖

圖3 閘門頂水封改造前后對比詳圖

圖4 閘門側水封改造圖

圖5 閘門側水封改造前后對比詳圖

圖6 閘門頂、側輔助水封安裝詳圖

圖7 門槽頂密封座板改造前后對比詳圖

圖8 門槽側水封密封座板改造圖

圖9 門槽側密封座板改造前后對比詳圖

圖10 閘門底水封改造圖

圖11 閘門底水封改造前后對比詳圖

圖12 門槽原底坎密封截面圖

圖13 門槽底坎密封截面改造后

2.3 頂、側輔助水封對應門槽止水座板

原門槽頂止水面有效寬度僅為70 mm，與頂止水面上部相連處有一段寬度50 mm的斜面，此段斜面無法作為預壓式止水的止水面，故特殊加工了一處高度19 mm、寬度約70 mm、閘門面板長度方向長度3 226 mm的止水密封座板與頂部橡膠輔助止水相配合。頂輔助水封安裝時超出軌道面3 mm，與增設止水座板后的門槽配合形成2 mm預壓縮量。

原門槽側止水及支撐滑道主軌的止水面寬度僅為70 mm，不能作為預壓式輔助止水的止水面，故在主軌側面新增加一段寬度為45 mm、厚度為15 mm的不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)止水面，與閘門預壓式橡膠止水配合使用。

2.4 工作閘門底水封修復

閘門底水封原止水材料為不銹鋼材質（2Cr13），底水封修復后，在底水封處加裝輔助橡膠止水水封，橡膠止水與鋼制止水互為補充，共同作用。輔助橡膠水封形式為條形水封，止水橡膠厚12 mm，水封壓板厚10 mm，壓板材質為1Cr18Ni9Ti不銹鋼，水封及水封壓板采用沉頭螺釘固定?？刂崎l門底水封安裝尺寸結構，保證閘門落至底坎位置時橡膠止水2 mm壓縮量。

為避免閘門啟閉過程新增的底輔助止水與門槽磨碰，新增輔助水封及壓板整體寬度尺寸控制在22 mm。底水封與側水封在現場使用冷粘劑粘接。側、頂、底預壓式止水通過門葉上的溝槽連成一個整體，最大程度保證止水線的完整性。

3 門槽及閘門剛止水修復

3.1 門槽底坎改進修復

門槽底坎原密封截面結構為“T”字形，材質為巴氏合金，是一種具有減摩特性的錫基和鉛基軸承合金，巴氏合金軟基體上分布著硬顆粒相的低熔點軸承合金，特點是在軟相基體上均勻分布有硬相質點，軟相基體使合金具有非常好的嵌藏性、順應性和抗咬合性，并在磨合后，軟基體內凹，硬質點外凸[2-5]，上凸的硬質點起支承作用。因重載閘門坐落在巴氏合金上就會使其軟基體內凹，一旦過流就容易使其表面產生汽蝕，待閘門再關閉后汽蝕處就容易形成高壓縫隙流，極易使止水面被嚴重破壞，故將門槽底坎止水更換為不銹鋼2Cr13材質，2Cr13為馬氏體不銹鋼，具有優良的耐磨、耐蝕性。

具體工藝流程為：將原門槽底坎密封面巴氏合金扣出，制作“T”形2Cr13條塊進行嵌裝，嵌塊寬120 mm，總長3.46 m，分3段，現場拼焊成整體，拼裝時保證節間錯牙不超過0.5 mm、高差小于1 mm。安裝完成后整體灌漿，以保證“T”形塊與底坎基座充分接觸，確保整體強度。在將新制作“T”形塊放入密封槽前先將兩段的端頭進行單邊15°的倒角處理，坡口深度8~10 mm，將不銹鋼緊貼在槽內后點焊，每段點焊長度控制在20~30 mm以保證焊接變形量。

3.2 剛止水研磨修復

采用研磨門槽、閘門剛止水的方法處理門槽、閘門高點及相互配合間隙，用0.03 mm塞尺每隔100 mm做一個測點，測量點不得貫穿，以保證改造后的閘門與門槽剛性止水面密封性符合設計要求。具體施工流程為：在清洗干凈的剛止水表面涂抹紅丹粉,將閘門下落離門槽底坎約5 mm停止，利用千斤頂從上游門葉左右兩側施加20 t的荷載，強迫門葉剛止水表面緊靠門槽的水封面，減少千斤頂荷載，使門葉繼續降至底坎。記錄并測量過程中門槽及門葉配合高點及配合間隙，研磨處理上述過程中不合格的位置，并重復以上過程，最終達到閘門門葉與門槽在止水配合面每100 mm范圍內間隙小于0.03 mm的合格標準。研磨過程中采用分多層多道方式進行，同時為避免研磨過量，預留0.05~0.08 mm不打磨，改用細砂紙研磨直至合格，采用塞尺、透光性來檢查配合間隙。

4 剛止水修復效果評估

閘門及門槽剛止水修復完成后，尚未安裝輔助水封前，進行剛止水靜水密閉試驗，驗證剛止水修復效果。在充水高程大于原設定高程狀態下，測量1號、2號、3號、4號底孔工作閘門剛止水閘門漏水量，每次測量3次取平均值，最終閘門漏水量見表1。按照NB/T 35045-2014《水電工程鋼閘門制造安裝及驗收規范》要求，閘門在承受設計水頭壓力下，通過任意1 m長止水范圍內漏水量不應超過100 ml/s[6]，由表1可以看出，經修復過的1號~4號底孔工作閘門剛止水密封性遠高于標準要求。

5 結語

本文介紹了行業內首例對高水頭鋼閘門剛止水的改造修復研究與應用，通過研究分析剛性止水型式閘門的門槽與門葉的特殊幾何形狀，剛止水形式水流出流不平順性、高水頭閘門水密封水力學設計復雜性的特點，同時也考慮在窄門槽內安裝和修復止水密封、更換滑道的可行性，結合底孔工作閘門現場實際情況，研究后提出了修復門槽底坎止水、研磨門槽止水面的止水修復方法，以及剛性止水與預壓式止水聯合使用的止水改進方法。通過閘門修復后的試驗數據，證明國內首次實施高水頭窄門槽剛性止水改造修復設計和實踐探索是成功的, 這一成功經驗為同類型閘門的設計及運行修復都提供了很好的借鑒經驗。