超大型弧門動態(tài)調試過程及下泄流量計算分析

丁新，梁明華

（中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001）

1 概述

洪都拉斯帕圖卡Ⅲ水電站攔河壩為混凝土重力壩，大壩設有5個表孔并安裝5套露頂式弧形閘門，用于庫區(qū)水位控制。閘門本體由門葉、三叉支臂、支鉸座等組成，由布置在壩頂?shù)囊簤赫咎峁﹦恿︱寗右簤焊讕娱l門進行啟閉操作。閘門由國內制造并分成一定的運輸單元后運抵現(xiàn)場進行安裝，安裝過程中的最大吊裝單元重量約為26 t，數(shù)量約有115件；安裝完成后的總重量將達到550 t，高度為21 m，寬度為14 m。

安裝完畢后的首要任務就是進行閘門的靜態(tài)檢查、無水動態(tài)調試、有水動態(tài)調試等，以檢查閘門的制造、安裝質量是否合格。對于本項目，由于閘門的門體尺寸過大，其門葉剛性必然不及小尺寸閘門，那么在調試過程中就需要注意門體變形問題；并且需要通過調整左右側液壓缸的啟閉速度來保證門體變形對閘門封水質量及設備整體安全的影響降到最低。另外，閘門在動水開啟及關閉過程中下泄流量非常大，導致下游河道水位上漲速度加快。為了保證下游區(qū)域的安全及合理安排閘門的調試計劃，就需要精準的掌握單孔閘門在額定水位下動態(tài)開啟和關閉時下泄水量，以合理預估下游水位上漲程度和閘門調試完畢后蓄水至原水位所需要的時間。

2 調試過程分析

2.1 靜態(tài)檢查

對于閘門的靜態(tài)檢查主要目的就是檢查閘門在調試前的安裝工作及缺陷處理工作是否完畢，以及是否達到了閘門的動態(tài)調試條件。

其檢查內容主要包括3個方面，分別是：對液壓啟閉機部分的電氣及機械檢查、水工建筑物及閘門周圍環(huán)境條件的檢查、閘門門體部分的檢查。

對于啟閉機電氣部分的檢查，主要是檢查電氣線路連接、信號完整、相關傳感器功能、控制盤操作正常（現(xiàn)地及遠控）等，在進行檢查時需將液壓站出口閥門全部關閉，以防止誤操作。另外，還需注意液壓站油位是否合格，相關連接是否牢固、正確等。

對于水工建筑物及閘門周圍環(huán)境條件的檢查則主要是確認設備周圍已無異物，尤其是調試區(qū)域的環(huán)境整潔，閘門封水面及臨近區(qū)域已清理干凈。

對閘門門體的檢查主要是檢查各連接部位是否正常，連接鉸鏈部位是否加注潤滑介質，密封面及臨近位置是否有異物及凸點，應全部移除遺留在閘門背面格子板上及支臂隔板上的其他物品，保證閘門開啟或關閉時不會有異物掉下或者卡住閘門的運行路徑。

2.2 無水動態(tài)調試

在閘門靜態(tài)檢查合格后，無水動態(tài)調試即具備條件。在進行無水調試時首先應進行閘門的小開度動作實驗，如將閘門開啟100～200 mm以驗證電氣控制系統(tǒng)的正確性及可靠性。在小開度實驗無誤后，開始進行大開度開啟或關閉實驗時，需要嚴格監(jiān)測閘門門葉在各個部位時的狀態(tài)。由于閘門支鉸處采用的是球軸承（為了克服閘門安裝偏差過大帶來的閘門啟閉時卡阻問題），那么如果左右液壓缸存在不同步時必然會引起閘門的變形或者左右傾斜，這也是閘門無水動態(tài)調試的重點監(jiān)測項。

在設計初期，就考慮了這一問題，也就是說液壓控制系統(tǒng)配置有左右不同步的自動糾偏功能；但是這一功能有個缺點，即允許偏差設置過大時閘門存在過量變形而擠壓水封或者閘門卡阻問題，允許偏差設置過小則在閘門關閉或開啟時經常會遇到超差報警導致閘門停止運行；所以無水動態(tài)調試就是要在保證閘門達到設計開啟及關閉速度時測出最優(yōu)的超差報警限值，以優(yōu)化自控系統(tǒng)。

調試時首先根據(jù)設計文件去調整液壓系統(tǒng)中的節(jié)流閥，以保證閘門初步運行在設計動作速度；然后在閘門開啟或關閉時在閘門左右兩側安排專人對閘門狀態(tài)進行實時觀測。當閘門一側出現(xiàn)過量擠壓水封或者異響時應立即停止閘門操作，并手動進行糾偏；同時將允許不同步超差限值調低（根據(jù)現(xiàn)場實測經驗，每2 mm作為一個調整段）。再次啟動閘門繼續(xù)運行并進行調整，直至閘門在全行程上運行時自動糾偏系統(tǒng)不出現(xiàn)報警且閘門門體也不出現(xiàn)不允許的變形。

閘門控制系統(tǒng)校核完畢后，將閘門自動關閉至全關位置，對底水封做漏水試驗，對側水封做透光實驗均應達標；否則應對閘門水封進行調整。

2.3 有水動態(tài)調試

由于閘門的有水動態(tài)調試存在較多的危險點，閘門的有水動態(tài)調試應在設計方的指導下進行，對于調試的安全注意事項及安全措施這里不再贅述。

閘門的有水動態(tài)調試則是對閘門制造質量、安裝質量、無水調試質量的終極驗證。調試前應根據(jù)調試方案將庫前水位蓄至設計水位（蓄水過程中對閘門封水情況記性定期觀測，必要時利用檢修閘門配合對水封進行調整），調試時同樣應先進行小開度的泄水實驗，以考驗閘門控制系統(tǒng)及本身強度的可靠性。

在進行全開度開啟或關閉時，測定閘門的啟閉時間，如果超過設計允許值，則進行修正調整。在調試過程中應嚴密監(jiān)視閘門門體、水工建筑物的情況，在動水關閉時必然存在設備及建筑物振動情況；如果超過了可接受范圍應立即關閉閘門停止試驗，分析原因并采取措施后再次啟動試驗。

根據(jù)現(xiàn)場試驗情況，閘門在動水開啟至0～25%開度時會出現(xiàn)閘門微弱振動，同時伴隨著刺耳的射流聲；當然，這屬于正常情況。閘門開度在30%～60%時閘門運行穩(wěn)定并且振動減弱，閘門開度在65%～100%之間時由于閘門開度較大，下泄的水流對閘門有向上的水推力，導致閘門整體結構的穩(wěn)定性減弱，閘門振動趨勢增強。

3 有水開啟及關閉時的下泄流量計算分析

本項目弧形閘門為敞口式，弧形閘門在開啟或者關閉過程中水流下泄時為自由流出狀態(tài)，不受下游水位高低影響。在這里考慮影響水流量的因素有：弧門上游側水壓H，閘門開啟高度e，閘門開口角度θ（見圖1，圖中黑色粗線條表示閘門全關位置，虛線表示閘門任意位置）。

圖1 閘門計算分析示意圖

3.1 各參數(shù)含義

圖1中，θ為閘門在任意時刻的開啟角度；e為閘門開啟的高度；β為閘門底部的開口傾角，根據(jù)幾何關系可知β=cos（59+θ）。

因此，任意特定開度下流量計算公式：

式中，Q1為閘門下泄流量（m3/s）；σ為淹沒系數(shù)（反應下游水位對流量的影響，在這里下游水位可假定為0，即水為自由流出狀態(tài)，取σ=1）；μ為流量影響系數(shù)，在這里為閘門孔口寬度，設計值為b=14 m；e為閘門開啟θ角度時閘門底部距底坎的高度，根據(jù)圖中幾何關系可知，·R·cos（31-θ）；g為當?shù)氐闹亓铀俣?，取g=9.8 m/s2；H為閘門上游側閘門底部受到的凈水頭，根據(jù)目前實際水位，取H=21 m。

由于閘門在開啟或者關閉過程中基本為勻速運動，那么根據(jù)數(shù)學原理可知θ=ω*t（ω為角速度，t為時間）。

ω根據(jù)現(xiàn)場驗收時實驗數(shù)據(jù)可知，全開所需時間為2 340 s，全關所需時間為1 380 s，而閘門門頁由全關到全開需要走過47°，則整個過程角速度ω開=47/2 340=0.021°/s，ω關=47/1 380=0.034°/s；則閘門在任意時刻t開度下的下泄流量為：

其中：

3.2 計算分析

根據(jù)前面的輔助計算及定義：

其中：θ=ω*t，即閘門開啟角度是關于時間t的一元一次函數(shù)，為了計算過程更精確，這里采用微積分的方法計算整個開啟或者關閉過程中的流量，即整個開啟過程的下泄流量為：

整個關閉過程的下泄流量為：

因此，上式為流量關于時間的一次積分函數(shù)，所以閘門的開關時間確定后，借助計算機可快速得出下泄流量。上式中的數(shù)值是現(xiàn)場實測后利用計算機計算得出的流量值。

所以對于本項目來說，單孔弧門全開啟及全關閉整個過程的下泄流量為：

Q總=Q總1+Q總2=6 556 104+2 325 150=8 881 254 m3

由于閘門在開啟及關閉過程中上游仍在不斷來水，則對于庫區(qū)來說，實際的凈失水量應減掉上游來水總量。對于本項目所在地區(qū)歷年來各月平均來水流量情況如下：

根據(jù)下閘蓄水報告中，洪都拉斯帕圖卡Ⅲ水庫初期蓄水設計來水頻率采用75%和50%分別進行計算。對帕圖卡Ⅲ水電站1973—2009年10—12月總徑流資料排序，75%和50%頻率10—12月入庫流量代表年分別為2004年和1986年，2004年10月、11月、12月平均流量分別為139.9、89.8、57.5 m3/s，1986年10月、11月、12月平均流量為284、164、114.9 m3/s，作為帕圖卡Ⅲ水電站的設計下閘蓄水計算流量。

考慮弧門試驗將在10月份進行，并且在降雨量較小的情況下，如果有保證率達到75%的來水，那么單孔弧門在試驗過程中上游總來水量為：

因此單孔弧門試驗過程中，上游庫區(qū)凈下泄水流量為：

△Q=Q總-520 428=8 881 254-520 428=8 360 826 m3

所以單孔弧門實驗完畢后，水位恢復原水平需要的時間為：

T=△Q/139.9 m3/s=8 360 826/139.9=59 762 s（即為16.6 h）

4 結語

本項目的弧形閘門調試過程中遇到的問題較多，但總結后發(fā)現(xiàn)其主要問題仍然圍繞著前文提到的內容。同時，對于下泄流量的計算過程，現(xiàn)場也經過實測（單臺閘門試驗后的蓄水時間），實際耗用的水位恢復時間為17.5 h，與計算過程存在較小偏差；分析其原因可能是實際的上游來水量偏差等因素造成的，因此筆者認為，上述的下泄水量計算過程有一定的參考意義。