小浪底工程閘門(mén)充水方式運(yùn)用實(shí)踐和研究

唐紅海，劉 瑞

(1.黃河水利水電開(kāi)發(fā)集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450000；2.黃河小浪底水資源投資有限公司，河南 鄭州 450000)

小浪底工程是一座以防洪、防凌、減淤為主，兼顧灌溉、供水和發(fā)電，蓄清排渾，除害興利的多功能特大型水利樞紐工程，戰(zhàn)略地位重要，工程規(guī)模巨大、地質(zhì)條件復(fù)雜、泥沙問(wèn)題突出，運(yùn)用要求嚴(yán)格，是黃河水沙調(diào)控體系中的關(guān)鍵性控制工程，是世界上最復(fù)雜、最具挑戰(zhàn)性的水利樞紐工程之一。

小浪底工程設(shè)有3條排沙洞、3條孔板洞、3條明流洞、6條引水發(fā)電洞、1條灌溉洞和1條溢洪道，共有各類(lèi)閘門(mén)99扇，啟閉機(jī)55臺(tái)套。閘門(mén)具有種類(lèi)多、數(shù)量大、水頭高、技術(shù)復(fù)雜、型式多樣等特點(diǎn)[1- 2]。樞紐工程工作閘門(mén)一般為弧形閘門(mén)可以動(dòng)水啟閉，檢修閘門(mén)和事故閘門(mén)為平面閘門(mén)，事故閘門(mén)后設(shè)置補(bǔ)氣通道可以動(dòng)水閉門(mén)[2]，但這些平面閘門(mén)啟門(mén)前均需前后平壓，其主要的充水方式有旁管充水、充水閥充水、節(jié)間充水和小開(kāi)度提門(mén)充水等方式。工程經(jīng)過(guò)20余年運(yùn)行積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，尤其是2018—2020年經(jīng)歷了“低水位、大流量、高含沙和長(zhǎng)歷時(shí)”特殊運(yùn)行工況及2021年黃河秋汛高水位運(yùn)行考驗(yàn)。針對(duì)旁通管充水管道存在的電動(dòng)頭斷裂、管道震動(dòng)、管道滲漏和檢修困難等問(wèn)題，開(kāi)展多次優(yōu)化、加固和探索，開(kāi)展了事故閘門(mén)小開(kāi)度提門(mén)充水論證和防淤堵新型充水閥的探索性研究工作。

1 國(guó)內(nèi)常用充水方式優(yōu)缺點(diǎn)[3]

(1)門(mén)頂充水閥結(jié)構(gòu)形式多樣，應(yīng)用最為廣泛。充水閥受閘門(mén)止水型式、承壓水頭、充水時(shí)間和安裝位置及啟閉方式等限制，充水閥的結(jié)構(gòu)型式差別較大。后止水的閘門(mén)充水閥多為壓蓋式，在門(mén)頂開(kāi)孔；前止水的閘門(mén)充水閥需在閘門(mén)面板上開(kāi)孔，多為柱塞式或閥板式。

(2)小開(kāi)度提門(mén)充水的優(yōu)點(diǎn)是充水量大，充水時(shí)間短，但需提高啟閉機(jī)容量，且高速水流易誘發(fā)閘門(mén)振動(dòng)，主要應(yīng)用在小孔口閘門(mén)，小開(kāi)度一般為0.1～0.2m，操作水頭一般在50m以下。據(jù)了解廣西巖灘電站右沖沙孔事故門(mén)小開(kāi)度提門(mén)最高運(yùn)用水頭為53m。

(3)節(jié)間充水?dāng)嗝娲?，可縮短充水時(shí)間，但一般只用在可以分節(jié)止水的低水頭閘門(mén)上。

(4)旁通管充水技術(shù)相對(duì)復(fù)雜，建設(shè)成本和維護(hù)成本相對(duì)較高，一般應(yīng)用在80m以上水頭，應(yīng)用范圍相對(duì)較小。據(jù)了解，湖南五強(qiáng)溪、浙江天荒坪、云南漫灣、青海李家峽、貴州東風(fēng)電站、四川寶珠寺等電站部分閘門(mén)采用旁通管充水方式。

2 小浪底工程閘門(mén)充水方式設(shè)計(jì)[4]

考慮到黃河含沙量高、庫(kù)水變幅大和工程重要性等因素，充水平壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)了多種充水方式和不同進(jìn)水口高程互為備用。小浪底除排沙洞外全部檢修閘門(mén)門(mén)頂均設(shè)置了門(mén)頂充水閥作為主要充水方式，以旁通管充水作為備用。小浪底工程事故閘門(mén)考慮到黃河泥沙和污物的淤積、淤堵，易造成閥芯卡塞而無(wú)法充水，因此事故閘門(mén)未設(shè)置門(mén)頂充水閥，以旁通管充水作為主要充水方式，非常情況下以小開(kāi)度提門(mén)作為備用充水方式。電站尾水檢修閘門(mén)采用節(jié)間充水和機(jī)組尾水錐管方式充水。

3 小浪底事故閘門(mén)小開(kāi)度提門(mén)充水應(yīng)用與研究

3.1 事故閘門(mén)及充水情況

事故閘門(mén)是當(dāng)流道或泄洪設(shè)施設(shè)備故障，需緊急落門(mén)以防止事故擴(kuò)大的重要擋水設(shè)備。小浪底事故閘門(mén)均固定卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)啟閉操作，由于操作方便快捷，事故閘門(mén)常在流道檢修時(shí)用于擋水，靜水啟閉，正常操作均采用旁通管進(jìn)行充水平壓。2006年排沙洞事故閘門(mén)進(jìn)行小開(kāi)度提門(mén)充水試驗(yàn)，2008年充水平壓管道改造期間，排沙洞事故門(mén)也曾采用小開(kāi)度提門(mén)充水。

3.2 小開(kāi)度提門(mén)風(fēng)險(xiǎn)分析

小浪底工程泄洪洞事故門(mén)后都有龍?zhí)ь^段，且距進(jìn)水口較近。事故閘門(mén)小開(kāi)度初始階段，高速水流為自由出流，隨后洞內(nèi)水深沿程逐步壅高并產(chǎn)生水躍，隨著水深增加水躍上移，并轉(zhuǎn)變成明滿流狀態(tài)，繼而在龍?zhí)ь^轉(zhuǎn)彎段形成非完整水躍，水躍在龍?zhí)ь^段觸頂時(shí)將出現(xiàn)時(shí)而為無(wú)壓、時(shí)而為有壓的狀態(tài)，并伴隨著不穩(wěn)定的激流現(xiàn)象，雖然歷時(shí)短，但破壞性不可忽視。

不同流道、不同水位、不同開(kāi)度時(shí)，小開(kāi)度提門(mén)水力學(xué)特性各不相同，運(yùn)行條件復(fù)雜，風(fēng)險(xiǎn)程度也各不相同。小開(kāi)度因?yàn)槎磧?nèi)氣流變化還可能導(dǎo)致門(mén)井噴水、水錘沖擊閘門(mén)，或引發(fā)事故門(mén)振動(dòng)等事故。如我國(guó)鏡泊湖水電站引水隧洞、大伙房電站進(jìn)口、崗南泄洪發(fā)電隧洞、三門(mén)峽泄洪隧洞進(jìn)口事故門(mén)等在充水過(guò)程中，出現(xiàn)過(guò)進(jìn)口門(mén)井噴水現(xiàn)象，對(duì)設(shè)備、建筑物和操作人員安全構(gòu)成威脅，藏木水電站泄洪洞事故閘門(mén)操作中因閘門(mén)振動(dòng)導(dǎo)致鋼絲繩斷裂事故。

3.3 小開(kāi)度提門(mén)充水限制條件

在收集到的446個(gè)閘門(mén)充水案例中，小開(kāi)度提門(mén)充水只占9%，且均為低水頭、小孔口閘門(mén)[3，5]。通過(guò)咨詢(xún)相關(guān)設(shè)計(jì)單位，類(lèi)似小浪底工程事故閘門(mén)運(yùn)行條件閘門(mén)均未選用小開(kāi)度提門(mén)作為主要充水方式。目前采用小開(kāi)度提門(mén)充水平壓的閘門(mén)孔口面積要控制在20m2以下、操作水頭控制在50m以下。

3.4 小開(kāi)度閘門(mén)安全運(yùn)行條件

因閘門(mén)側(cè)止水損壞，造成兩側(cè)漏水、受力不均、整體失衡，容易誘發(fā)閘門(mén)振動(dòng)，因此要保證側(cè)止水的止水效果。胸墻增設(shè)防射水輔助止水，防止開(kāi)啟過(guò)程中門(mén)頂過(guò)水。小開(kāi)度提門(mén)時(shí)補(bǔ)氣量會(huì)明顯加大，要做好閘室設(shè)備和人員的安全防護(hù)措施。有條件可考慮設(shè)置整體門(mén)槽、門(mén)體反向增設(shè)彈性支撐和配置液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，以達(dá)增強(qiáng)剛性和抗震能力。

4 小浪底工程旁通管充水的設(shè)計(jì)與改造

4.1 旁通管充水平壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

小浪底旁通管充水平壓系統(tǒng)集中布置在進(jìn)水塔內(nèi)，主要包括明流洞、灌溉洞、孔板洞、發(fā)電洞和排沙洞的充水平壓。3條明流洞和1條灌溉洞均為獨(dú)立的充水平壓管道，孔板洞和發(fā)電排沙洞的充水平壓管道上下、左右相互連通，如圖1所示。[6- 7]

圖1 3#孔板洞和1#發(fā)電塔充水平壓旁通管布置

發(fā)電排沙系統(tǒng)的充水平壓管道原設(shè)計(jì)取水口布置在EL.200.5和EL.225，分別比水庫(kù)泥沙面高程EL.187高出13和38m，每個(gè)發(fā)電塔4個(gè)進(jìn)水口。當(dāng)庫(kù)水位較低時(shí)可以從下層引水。進(jìn)水管與庫(kù)水連通的第一道閥為電動(dòng)楔形閘閥，閥后管道呈十字形布置，兩側(cè)及后面閥門(mén)均為電動(dòng)蝶閥。孔板洞充水平壓受空間位置限制，每個(gè)孔板塔只在EL.200.5高程設(shè)置了一個(gè)取水口，如圖2所示。

圖2 孔板洞充水平壓管道系統(tǒng)示意圖

4.2 旁通管路存在問(wèn)題與改造

4.2.1運(yùn)行初期出現(xiàn)的問(wèn)題、原因分析和系統(tǒng)改造

小浪底旁通管充水平壓系統(tǒng)設(shè)施安裝在庫(kù)水位以下，1999年投入運(yùn)行的初期，因充水平壓廊道十分潮濕，鑄鐵閥門(mén)電動(dòng)頭大量銹蝕折斷、電氣元件故障頻繁。充水過(guò)流時(shí)管道震動(dòng)大，出現(xiàn)管道中間的伸縮節(jié)拉伸變形大且存在錯(cuò)位、伸縮節(jié)焊縫開(kāi)裂漏水、鋼結(jié)構(gòu)墩振裂松動(dòng)等突出問(wèn)題。如：2000—2006年期間，1#和3#孔板洞充水平壓的4#蝶閥、1#閘閥電動(dòng)裝置連接部分?jǐn)嗔眩?#排沙洞事故B門(mén)6#蝶閥和2#孔板洞5#、7#、8#蝶閥的伸縮節(jié)限位拉桿的耳板根部拉斷等。

分析原因主要是進(jìn)水塔空間尺寸限制和各塔之間橫向連接要求，平壓管道三通和四通及90°彎頭較多，管道內(nèi)水流態(tài)復(fù)雜，管內(nèi)存在水流撞擊、氣爆現(xiàn)象。為安裝方便，在管道十字接頭處設(shè)置了伸縮節(jié)，但管道的自由度增大[8]。在管道接頭、轉(zhuǎn)彎等受力復(fù)雜的位置僅設(shè)置了支墩，沒(méi)有設(shè)鎮(zhèn)墩，普通鋼結(jié)構(gòu)支墩難以抵抗管道的震動(dòng)，同時(shí)由于管道內(nèi)存在負(fù)壓，彎頭內(nèi)靠下部位普通存在氣蝕坑點(diǎn)，部分管道蝕穿出現(xiàn)漏水等情況。

2006年4月，在發(fā)電塔、孔板塔EL.225和EL.200m高程充水平壓取水口各增設(shè)一道閘閥，并更換原來(lái)的舊閘閥。2008年對(duì)充水平壓系統(tǒng)進(jìn)行較為全面的更新改造，閥體和附件更新為不銹鋼材料，在與庫(kù)水聯(lián)通的第一道閘閥后面增設(shè)了一道刀閘閥，取消了塔與塔之間的聯(lián)通管路，減少不必要的分支、T型接頭和彎管，并在保留的彎管處增設(shè)了鋼筋混凝土鎮(zhèn)墩。優(yōu)化后充水管道運(yùn)行更為簡(jiǎn)單可靠，管道振動(dòng)明顯減小，但部分彎管氣蝕坑點(diǎn)造成管道局部滲水的問(wèn)題近期仍有出現(xiàn)，預(yù)埋在混凝土內(nèi)的管道沒(méi)有檢修條件，仍存在水淹進(jìn)水塔的安全隱患[9]。

4.2.2目前運(yùn)行中仍存在的問(wèn)題

自2008年改造至今，總體運(yùn)行穩(wěn)定，但由于運(yùn)行條件復(fù)雜多變，管道仍存在不同程度的銹蝕，仍存在多個(gè)充水平壓管道漏水，閥門(mén)銹蝕、發(fā)卡、竄水，以及現(xiàn)地電氣控制盤(pán)柜老化問(wèn)題。

2013年11月，2號(hào)發(fā)電塔EL.200.5m充水平壓閘室10#蝶閥前的混凝土鎮(zhèn)墩處發(fā)生滲水，鑿開(kāi)混凝土鎮(zhèn)墩后發(fā)現(xiàn)管道焊縫處有射流。2015年5月，在排空1#孔板洞事故閘門(mén)后流道時(shí)，由于管道產(chǎn)生負(fù)壓導(dǎo)致3#蝶閥后的伸縮節(jié)嚴(yán)重變形。2017年3月，在對(duì)1#排沙洞事故閘門(mén)充水時(shí)，發(fā)現(xiàn)EL.189廊道內(nèi)12#蝶閥前混凝土振墩內(nèi)管道滲水，鑿開(kāi)鎮(zhèn)墩發(fā)現(xiàn)管道已經(jīng)出現(xiàn)銹穿小孔，管道內(nèi)壁多處銹坑。2017年6月，在對(duì)2#孔板洞事故閘門(mén)后流道排水時(shí)，2#孔板洞充水平壓系統(tǒng)蝶閥后伸縮節(jié)變形嚴(yán)重。

2018年1月，對(duì)孔板洞EL200充水平壓管道增設(shè)3套補(bǔ)氣閥。2018年4—12月，在孔板塔EL.200m高程位置對(duì)2008年充水平壓改造并分離的充水平壓管道采取了回填了混凝土并灌漿的永久封堵措施。2021年1月，小浪底1號(hào)排沙洞事故門(mén)后位于195m高程通往檢修門(mén)的充水平壓彎管位置處出現(xiàn)漏水并及時(shí)處理。2021年5月，2#發(fā)電塔充水平壓管道6#蝶閥位置混凝土鎮(zhèn)墩滲水并及時(shí)處理。2021年6月，在充水試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)充水平壓系統(tǒng)02閥內(nèi)漏嚴(yán)重，準(zhǔn)備在充水平壓管道末端增加檢修閥門(mén)。

5 小浪底工程防泥沙淤堵充水閥研究

根據(jù)小浪底工程進(jìn)行水塔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和泄洪排沙運(yùn)用條件，研究適應(yīng)高水頭、高含沙條件，且具有防淤堵、耐久性好和可靠性高的充水方式，提出了在閘門(mén)上開(kāi)孔增設(shè)新型門(mén)頂充水閥的結(jié)構(gòu)型式。

5.1 事故閘門(mén)開(kāi)充水閥試驗(yàn)

2009年4月，在3#排沙洞事故門(mén)B門(mén)上增設(shè)2孔250mm的門(mén)頂常規(guī)閘閥式充水閥，改造后的門(mén)頂充水閥存在發(fā)卡、封水不嚴(yán)等問(wèn)題，運(yùn)行次數(shù)不多，效果不夠理想。2010年在9月，在6號(hào)發(fā)電洞事故門(mén)上增設(shè)1孔300mm的門(mén)頂充水閥，安裝初期作為充水平壓的主要方式發(fā)揮了一定的作用。3#排沙洞事故門(mén)和6#發(fā)電洞事故門(mén)經(jīng)過(guò)8a運(yùn)行，充水閥設(shè)備出現(xiàn)腐蝕和水生物附著，卡阻嚴(yán)重，閘門(mén)下落至全關(guān)位后拉桿曾出現(xiàn)壓彎現(xiàn)象，存在嚴(yán)重安全隱患，已經(jīng)無(wú)法安全可靠運(yùn)行，2017年已對(duì)閘門(mén)上加裝的充水閥進(jìn)行封堵。研究耐久性好、可靠性高、能夠防淤堵防卡阻的閘門(mén)充水閥就顯得十分必要。

5.2 創(chuàng)新閘門(mén)充水閥的結(jié)構(gòu)型式

創(chuàng)新閘門(mén)充水閥的結(jié)構(gòu)型式如圖3—4所示。

圖3 平板式和定滑輪傳動(dòng)式充水閥

圖4 后置拍門(mén)和四向弧門(mén)充水閥

(1)一種利用水庫(kù)壓力膨脹止水的平板式充水閥[10]。充水閥安裝在閘門(mén)頂梁格內(nèi)，包括進(jìn)水管、水封座板、環(huán)形水封、閥板、導(dǎo)向支承滑塊和出水管。環(huán)形水封是外形呈環(huán)形、中間開(kāi)有圓形槽，橫斷面為“山”字形結(jié)構(gòu)的臺(tái)階狀橡膠密封體，山字形頂部與平板面留有2～3mm預(yù)壓縮量，充水閥靠庫(kù)水壓力膨脹橡膠密封體止水。出水管四周安裝導(dǎo)向支承滑塊，閥板頂端固接拉桿，拉桿與閘門(mén)吊耳板上腰形孔中運(yùn)動(dòng)的吊軸聯(lián)接，閘板底端通過(guò)吊繩連接配重塊。

(2)一種利用定滑輪傳動(dòng)的機(jī)械壓緊式拍門(mén)充水閥[11]。充水閥包括弧形充水管、環(huán)形山字形水封及座板、拍門(mén)及鉸座、定滑輪、彈簧裝置、拉繩和配重塊等。所述弧形充水管前端面與閘門(mén)面板焊接，后端焊接弧形止水座，止水座上固定環(huán)形水封，拍門(mén)安裝在環(huán)形水封的后端面，閘門(mén)頂板及后翼緣板上安裝定滑輪，拍門(mén)通過(guò)拉繩在閘門(mén)啟閉力和配重塊的作用下實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟和關(guān)閉。

(3)一種利用齒輪傳動(dòng)的后置式拍門(mén)充水閥[12]。充水閥安裝在閘門(mén)頂梁格內(nèi)，每個(gè)閘門(mén)水平對(duì)稱(chēng)安裝2個(gè)拍門(mén)式充水閥，主要包括充水管、環(huán)形水封和水封座板、拍門(mén)、帶齒輪支鉸和齒桿等，充水管前端面與閘門(mén)面板焊接，后端面焊接水封座板，水封座板四周與閘門(mén)隔板焊接；“山”字形環(huán)形水封通過(guò)螺栓固定在水封座板上；“山”字形水封中間設(shè)矩形槽，利用環(huán)形水封預(yù)留壓縮量和庫(kù)水作用膨脹，使環(huán)形水封頂端面與拍門(mén)工作面緊貼止水；每個(gè)拍門(mén)頂部設(shè)2個(gè)支鉸，2個(gè)支鉸與轉(zhuǎn)軸通過(guò)鍵連接，二齒輪中間設(shè)置齒桿，通過(guò)嚙合傳動(dòng)，齒桿與閘門(mén)吊軸連接，底端通過(guò)拉桿連接配重塊。

(4)一種四向運(yùn)行的弧門(mén)充水閥[13]。充水閥設(shè)置在閘門(mén)吊軸下方，主要包括充水管、山字形水封及底座、四向弧門(mén)、定滑輪、拉繩、拉桿和配重塊，充水管橫斷面為矩形，充水管前端面與閘門(mén)面板焊接，后端面焊接水封底座，水封底座上安裝山字形水封，四向弧門(mén)布置在充水管的末端；四向弧門(mén)由固定支臂、活動(dòng)支臂、鉸鏈、固定支鉸和弧門(mén)面板組成，弧門(mén)支鉸安裝在閘門(mén)后側(cè)筋板上，固定支臂上端與弧門(mén)面板頂端通過(guò)鉸鏈連接，活動(dòng)支臂一端與弧門(mén)面板固定，另一端通過(guò)銷(xiāo)軸在固定支臂下部運(yùn)動(dòng)槽內(nèi)滑動(dòng)，銷(xiāo)軸是通過(guò)定滑輪一端與閘門(mén)吊軸連接，另一端與配重塊連接，實(shí)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)槽內(nèi)滑動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)弧門(mén)面板在一定范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，使弧門(mén)面板與山字形水封的壓緊與脫離。面板壓緊水封時(shí)前移止水，面板后撤時(shí)脫離水封，四向弧門(mén)主要通過(guò)鉸鏈來(lái)實(shí)現(xiàn)四向弧門(mén)充水閥的開(kāi)啟。

6 結(jié)語(yǔ)

小浪底工程由于泥沙問(wèn)題突出、調(diào)度運(yùn)用嚴(yán)格，在閘室縱橫且復(fù)雜的空腔薄壁結(jié)構(gòu)的進(jìn)水塔內(nèi)布置了十分復(fù)雜的充水平壓和高壓沖沙系統(tǒng)，總結(jié)到旁通管充水問(wèn)題多的主要原因有：環(huán)境潮濕造成銹蝕嚴(yán)重；丁字頭、彎頭多、路徑長(zhǎng)，沿程水力損失大，易產(chǎn)生管壁氣蝕和蝕穿現(xiàn)象；閥門(mén)和伸縮節(jié)、排氣閥及震墩的型式的選擇十分重要。目前小浪底工程旁通管相對(duì)小開(kāi)度提門(mén)仍然是主要的、更為可靠的充水方式，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)安全運(yùn)行看，仍需進(jìn)一步優(yōu)化改造，建議在管道進(jìn)口檢修閥后設(shè)置減壓閥[14- 15]，在管道出口設(shè)置節(jié)流環(huán)或調(diào)流閥，進(jìn)一步研究高強(qiáng)度、耐腐蝕的替代材料，盡快研究替代旁通管充水的新思路、新方案，對(duì)文中提出的創(chuàng)新防淤堵充水閥進(jìn)行模型和原型試驗(yàn)，以更好地解決泄洪系統(tǒng)閘門(mén)的充水問(wèn)題。小浪底工程充水平壓系統(tǒng)運(yùn)行、改造及探索經(jīng)驗(yàn)，對(duì)高水頭閘門(mén)的設(shè)計(jì)和其它電站的運(yùn)行具有很好的借鑒意義。