張峰水庫泄洪洞弧形工作閘門運行問題與處理

李凱凱

（山西張峰水庫建設(shè)管理局，山西 晉城 048215）

1 工程概況

張峰水庫泄洪洞平面上呈直線布置，由壓力洞段、閘室段、挑流段等組成?？蓾M足下游河道20年一遇安全泄洪流量800 m3/s，最大泄洪流量1 159 m3/s。閘室段長27.7 m，寬11.6 m，底板高程703.0 m，液壓站工作平臺高程722.5 m，閘室豎井地面高程771.3 m。泄洪閘設(shè)平板事故檢修閘門和弧形工作門各一扇，事故檢修門孔口尺寸（寬×高）6.5 m×7.5 m，弧形工作門孔口尺寸（寬×高）6.5 m×6.5 m。

弧形工作閘門為直支臂圓柱鉸弧形鋼閘門，采用“P”型橡皮封水，四邊封水，門頂設(shè)置兩道封水，第一道封水距底檻高度6.65 m，第二道封水距門底檻高度7.2 m。閘門總寬6.5 m，高7.6 m總重122.4 t。閘門總水壓力27 765 kN，啟閉設(shè)備為QHSY液壓啟閉機，啟門容量2 500 kN，閉門容量400 kN。

2 主要問題及原因分析

2.1 通氣問題

工作閘門檢修完畢后，檢修閘門抬升過程中檢修閘與工作閘間充水時，工作閘門頂止水出現(xiàn)氣流響聲和射水現(xiàn)象；主要原因是未設(shè)置通氣孔，兩閘門之間充水時，產(chǎn)生高壓氣體將橡膠止水沖開，導(dǎo)致工作閘門頂止水出現(xiàn)氣流響聲和射水現(xiàn)象，造成橡膠止水過早損壞。工作閘門后設(shè)置有通氣孔，但是與啟閉機室未分開布置，泄洪時補氣易產(chǎn)生較大氣流，工作人員進入啟閉機室檢查時，易產(chǎn)生安全問題，造成人員傷亡。液壓站閥組件銹蝕嚴重，液壓站空氣濕度幾乎達到飽和狀態(tài)，導(dǎo)致閥組銹蝕，電氣元件損壞，系統(tǒng)維護檢修困難。

2.2 小流量開啟時震動問題

2007年泄洪洞工作閘門調(diào)試完成，至2017年汛期泄洪運行3次，最大泄流320 m3/s，閘門開啟高度2.0 m，泄洪過程中發(fā)生2次開度儀損壞，1次開度連接裝置斷裂；通過運行發(fā)現(xiàn)，工作閘門開啟至700～1 300 mm運行時振動較大，開度儀易損壞。

通過泄洪運行檢查，發(fā)現(xiàn)工作閘門上部固定的止水橡膠，在閘門開啟時脫離止水座，此時完全依賴下部門楣處止水橡皮止水；因充水時高壓氣體沖擊下部止水橡皮，使得橡膠止水過早損壞，部分止水控制精度超過4 mm（見閘門安裝質(zhì)量檢查表1）已經(jīng)失效，高壓水流沖出損壞段從門頂射出，此時門頂與門底同時過流，加劇閘門振動。

2.3 閘門底止水回彈及閘門上浮問題及原因分析

工作閘門關(guān)閉后，開度顯示會有少許回彈，分析底止水沒有預(yù)壓縮，底部出現(xiàn)射水現(xiàn)象，會對閘底板產(chǎn)生破壞；泄洪運行過程中閘門開至1 400 mm至1 720 mm時，開度儀數(shù)據(jù)跳動，閘門出現(xiàn)上浮現(xiàn)象。

分析原因主要是：油缸存在內(nèi)漏問題，當(dāng)油泵停止工作時，使得液壓缸壓力下降，止水橡皮產(chǎn)生回彈，當(dāng)?shù)字顾鹌]有預(yù)壓縮時，接觸面產(chǎn)生射水問題；閘門上浮與閘門振動有關(guān)，當(dāng)閘門處于震動狀態(tài)時，側(cè)封水橡膠與門槽埋件之間為動摩擦，其摩擦系數(shù)遠小于靜摩擦系數(shù)，因此，止水橡膠能提供的摩擦阻力距不足以抵消閘門上托力，最終閘門出現(xiàn)上浮現(xiàn)象。

3 處理措施

3.1 增設(shè)通氣孔

為將閘門后側(cè)通氣孔與啟閉機室分離，保障泄洪期間運行管理人員安全和方便系統(tǒng)維護檢修，對原液壓站設(shè)備進行拆除，將722.5 m液壓站移至地面771.3 m高程，重新購置安裝一套液壓站，管路向下延伸接入液壓油缸。

表1 閘門安裝質(zhì)量檢查表

檢修閘門與工作閘門中間的“排氣孔”安裝在原門楣止水座后部的底板上，鉆孔布置3根內(nèi)徑100 mm排氣管，排氣管頂高程至765 m，管材采用無縫不銹鋼管，固定在胸墻下游側(cè)。

弧形工作閘門后側(cè)“補氣”問題，將原地面補氣孔封堵，利用舊液壓站拆除位置開孔，開孔面積約8 m2，采用有機玻璃鋼與啟閉機室進行分離，封堵至754 m高程形成塔筒，上側(cè)使用有機玻璃鋼通風(fēng)管道接至原設(shè)計通氣孔765.0 m高程。

通氣孔計算采用《水利水電工作鋼閘門設(shè)計規(guī)范》面積計算公式：

式中：Aa——通氣孔的斷面面積，m2；

Qa——通氣孔的充分通氣量，m3/s；

［Va］——通氣孔的允許風(fēng)速，m/s，采用40 m/s，對小型閘門可采用50 m/s；

Vw——閘門孔口的水流速度，m/s；

A——閘門后管道面積，m2。

3.2 小流量開啟震動問題

由于閘門與埋件安裝精度不能滿足設(shè)計要求，使閘門產(chǎn)生振動，導(dǎo)致止水橡膠損壞，高壓水流從門頂射出，門頂與門底同時過流，加劇了閘門振動。首先對閘門原安裝精度和止水安裝位置進行了現(xiàn)場測量，見表1、2，根據(jù)現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)繪制了止水結(jié)構(gòu)圖，按照實測數(shù)據(jù)計算偏差值，現(xiàn)場采用鋼板調(diào)平、橡膠調(diào)整厚度、面板修磨等方式進行處理，止水橡皮安裝嚴格按照《水利水電工程鋼閘門制造安裝及驗收規(guī)范》確保橡膠止水安裝質(zhì)量；并將工作閘門胸墻橡膠和閘門頂封水“P”型封水橡膠的橡膠材料改造為聚四氟乙烯復(fù)合“Ω”型60水封，壓板為翹頭形狀；并將其它側(cè)止水橡膠一并更換。

門楣一道止水改造方案：①面板止水位置平面度最高點12 mm，最低點15 mm，面板局部向上游3 mm，為有效止水，在門楣Ω60橡膠與δ18橡皮墊板間增設(shè)橡皮調(diào)整墊，厚度0～3 mm；②門楣止水位置平面度最高點12 mm，最低點15 mm，門楣止水凸向下游側(cè)3 mm，面板止水與門楣止水間增設(shè)調(diào)整墊0～6 mm，總調(diào)整墊厚度0～9 mm。調(diào)整墊調(diào)平調(diào)直，調(diào)整墊與原止水板焊接，焊接后貼焊一層10 mm×250 mm×6492 mm鋼止水座板，止水座板四周為10～18 mm角焊縫，止水座板與調(diào)整墊板采用塞焊法施焊，焊后對止水座進行修磨，使其光滑，焊接后止水座板平面度應(yīng)小于1.0 mm，門楣止水座至面板外緣面76±1，平行度小于1.0 mm。

門楣二道止水改造方案：①面板止水位置平面度最高點9.5 mm，最低點15 mm，面板局部凸向上游5.5 mm，為有效止水，將面板局部凸向上游處修磨，修磨后面板止水位置平面度小于2.0 mm；②門楣止水位置平面度最高點19 mm，最低點15 mm，門楣止水凸向上游側(cè)4 mm，為有效止水，門楣止水位置凹陷處補焊調(diào)整墊板，厚度0～4 mm，調(diào)整板與原止水座焊接后，貼焊一條8 mm×200 mm×6492 mm不繡鋼止水座，止水座為8～11 mm角焊縫，止水座與調(diào)整板間采用塞焊法施焊，焊后對止水座進行修磨，使其光滑，焊接后止水座板平面度應(yīng)小于1.0 mm，門楣止水座至面板外緣面81±1，平行度小于1.0 mm。

表2 閘門門楣平面至面板外緣尺寸

3.3 閘門底止水回彈及閘門上浮問題處理方案

閘門底止水之所以產(chǎn)生回彈，主要因為液壓啟閉機存在內(nèi)漏問題，并且小量的內(nèi)漏亦是啟閉機設(shè)計規(guī)范所允許的，也是很難避免的。為較好的解決閘門上浮方案，現(xiàn)場采用配重及保壓兩種方案并行的措施。

弧形閘門啟閉力計算采用《水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范》啟門力計算公式：

式中：Fw——閉門力，t；

R1——配重力臂，11 m；

nT——摩擦阻力安全系數(shù)，1.2；

Tzd——鉸軸摩阻力（摩擦系數(shù)f為0.15，閘門總水壓力P為2808.14 t），Tzd=f×P=421.22 t；

r0——鉸軸摩阻力臂（支鉸軸軸徑540mm），0.27m；

Tzs——止水摩阻力，Tzs=T側(cè)zs+T頂zs=49.047 5 t；

r1——止水摩阻力臂，13 m；

Pt——上托力，Pt=（0.06+0.029）×1.05×49×6.5=29.76 t；

r3——上托力力臂，13 m；

nG——閘門自重修正系數(shù)，0.95；

G——閘門自重，90 t；

r2——閘門自重力臂，9.3 m。

計算配重應(yīng)不小于45 t，新建液壓站設(shè)有保壓系統(tǒng)，因此配重設(shè)為40 t，配重全部使用鋼制配重，以便于固定在閘門上。

啟門力FQ計算公式：

式中：FQ——啟門力，t；

R2——啟門力臂，12 m；

nT——摩擦阻力安全系數(shù)，1.2；

Tzd——鉸軸摩阻力，421.22 t

r0——鉸軸摩阻力臂，0.27 m

Tzs——止水摩阻力，49.047 5 t；

r1——止水摩阻力臂，13 m；

Pt——上托力，29.76 t；

r3——上托力力臂，13 m；

n'G——閘門自重修正系數(shù)，1.05；

G——閘門自重，90 t；

r2——閘門自重力臂，9.3 m；

Gj——閘門配重，40 t；

R1——配重力臂，11 m；

Px——下吸力，0 t。

閘門無法依靠自重閉門，增加配重40 t后，啟門力1 850 kN，小于閘門啟閉機額定啟門力2 500 kN，啟閉機滿足要求。

首先在閘門下游兩根主橫梁上方增設(shè)配重塊，并用支架固定，配重40 t，其次，在新設(shè)液壓系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置保壓裝置?；⌒喂ぷ鏖l門門厚1.2 m，單純配重會使得閘門主橫梁雙腹板上下受力不均，降低閘門主梁的強度及穩(wěn)定性；單純使用保壓裝置，會使得保壓系統(tǒng)壓力過高，從而提高運行維護成本。本次采用配重加保壓方式。

4 結(jié)語

為提升水庫防洪科學(xué)化、靈活性調(diào)度，充分發(fā)揮興利調(diào)度效益，實現(xiàn)泄洪洞在800 m3/s（下游河道安全泄量）以下泄洪安全，解決泄洪洞工作閘門在小開度泄洪震動。通過增設(shè)通氣孔、止水橡膠改造、增加配重保壓裝置和新建液壓站的處理措施，極大地提高了閘門運行的穩(wěn)定性和調(diào)度的可靠性，止水橡膠改造解決閘門門頂與門底同時過流問題，是消除震動和不安全因素的關(guān)鍵，在閘門后期運行過程中應(yīng)加強檢查，發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)及時進行處理，保證閘門運行安全，確保水庫防洪調(diào)度安全。