夾巖放空洞高水頭平面工作閘門的設(shè)計(jì)分析

陶光慧,徐國楊,黃臣勇

(貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)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(fā)電綜合功能，并為區(qū)域生態(tài)環(huán)境的改善創(chuàng)造有利條件，為區(qū)域脫貧攻堅(jiān)提供堅(jiān)實(shí)保障。主要由水源工程、畢大供水工程、灌區(qū)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(fā)電系統(tǒng)取水建筑物組成。放空洞處于左岸最低位，主要承擔(dān)水庫泄洪洞底板以下部位檢修維護(hù)的放空任務(wù)，不參與泄洪。

2 放空洞及金屬結(jié)構(gòu)布置

《混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SL 228—2013規(guī)范修編后，對于大型項(xiàng)目及地震烈度影響較大的面板高壩，要求設(shè)置相應(yīng)的放空設(shè)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(chǔ)備，項(xiàng)目初設(shè)時(shí)根據(jù)規(guī)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(xiàn)開裂等情況，滿足放空水庫方便檢修操作的需要，根據(jù)可研審查意見“研究降低進(jìn)水口底檻高程的必要性”的要求。經(jīng)研究認(rèn)為夾巖水庫泥沙含沙量較高，泄洪洞進(jìn)口高程是按150年泥沙淤積設(shè)計(jì)的，其進(jìn)口底板高程為1265 m，閘門前運(yùn)行水頭已達(dá)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(chǔ)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(jìn)行控制，其運(yùn)行水頭為1265～1242 m，1265 m以上的放空仍然用泄洪洞進(jìn)行。

2.1 金屬結(jié)構(gòu)方案比選

金屬結(jié)構(gòu)主要從平門+平門方案及平門+弧門方案進(jìn)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(tài)不穩(wěn)定，水力學(xué)條件不好，需要對流道進(jìn)行防破壞處理。

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

因本部位為新增，同時(shí)設(shè)定其正常運(yùn)行條件為泄洪洞高程以下水庫放空，常態(tài)下運(yùn)行水頭不高，最終選定平門+平門方案。

2.2 閘門設(shè)置

豎井內(nèi)順?biāo)鞣较蚍謩e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(guān)。當(dāng)大壩需要檢修低部位時(shí)，由溢洪道及泄洪洞聯(lián)合放水至1265.00 m后方打開放空洞工作門進(jìn)行放空，開啟放水后，門后應(yīng)保持明流狀態(tài)。平時(shí)由放空洞工作閘門關(guān)閉擋水。該放空洞只考慮40年淤沙高程1240.91 m的影響。

根據(jù)放空洞布置形式，工作閘門采用平面滾動(dòng)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(guī)狀態(tài)下僅擋水，只有應(yīng)急情況下方打開放空。啟閉機(jī)采用固定卷揚(yáng)機(jī)，并配套拉桿與閘門相連接，當(dāng)放空時(shí)提起一節(jié)拉桿鎖定即可，完成放空任務(wù)后低水頭動(dòng)水下閘擋水。主要工作閘門實(shí)現(xiàn)高水頭擋水，低水頭放空的任務(wù)。

3 放空洞及金屬結(jié)構(gòu)方案論證

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

3.1 放空洞推薦方案動(dòng)水時(shí)均壓力測試

(1)放空洞工作門前為壓力流區(qū)間，底板和側(cè)墻時(shí)均動(dòng)水壓力大，且自進(jìn)口至工作門出口在閘門全開運(yùn)行時(shí)動(dòng)水壓力沿流程逐漸降低，至閘門出口達(dá)到最低，試驗(yàn)測得進(jìn)口底板及側(cè)墻時(shí)均動(dòng)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(dòng)水時(shí)均壓力較高，試驗(yàn)測得在庫水位為1271.0 m時(shí)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(cè)墻動(dòng)水壓力迅速降低，并逐步過渡至平穩(wěn)狀態(tài)，試驗(yàn)測得門后洞內(nèi)底板最低動(dòng)水壓力3.53×9.8 kPa(F16測點(diǎn))，而側(cè)墻最低動(dòng)水壓力-1.55×9.8 kPa(G16測點(diǎn))，隨后逐步回升至正常壓力水平但略低于洞內(nèi)水深。

(3)水流進(jìn)入反弧后，水流沿圓曲線邊界流動(dòng)，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(dá)到最大，閘門全開運(yùn)行最大底板壓力8.60×9.8 kPa，發(fā)生在反弧中后部F40測點(diǎn)，往后壓力逐漸減小，至鼻坎頂部減至最??；側(cè)墻時(shí)均動(dòng)水壓力變化特征與底板類似閘門全開運(yùn)行側(cè)墻最大動(dòng)水壓力時(shí)均壓力為5.63×9.8 kPa，發(fā)生在反弧中后部G40測點(diǎn)。

3.2 方案設(shè)計(jì)合理性分析

放空洞在校核水位下運(yùn)行、閘門敞開泄洪時(shí)閘前閘后洞身均為滿管壓力流，滿管流狀態(tài)一直持續(xù)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(zhuǎn)水流，但能量不大，試驗(yàn)測得泄洪放空洞挑射水舌內(nèi)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(qū)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(qū)域仍偏向河心，跌落本岸時(shí)則流量較小，沖擊壓力較弱，出口體型設(shè)計(jì)較為合理。

從試驗(yàn)的反饋來看，與設(shè)計(jì)設(shè)想基本吻合，設(shè)計(jì)方案合理可行。

4 放空洞工作閘門設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)分析

當(dāng)閘門在動(dòng)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(dòng)水壓力分布，若底緣形狀恰為自由流線時(shí)，底緣上的壓力分布為零值，此狀態(tài)較為理想。若底緣上游傾角設(shè)計(jì)值小于底緣的臨界角度，則底緣上游傾斜面承受負(fù)壓，對運(yùn)行不利，從眾多實(shí)驗(yàn)來看，當(dāng)角度α=45°～60°時(shí)，在閘下自流出流及底流水流不出現(xiàn)分離現(xiàn)象的條件下，βt=0.7～1.0[2]。對于有動(dòng)水啟閉運(yùn)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(yīng)不小于30°，對于部分利于水柱的平面閘門，其上游傾角不應(yīng)小于45°，宜采用60°[3]。

從規(guī)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(shí)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(shí)造成主輪及主梁受力荷載嚴(yán)重不均，因此梁格布置難度大。若采用平面滑動(dòng)則為增大啟閉機(jī)容量，同時(shí)啟閉機(jī)排架荷載較重，設(shè)計(jì)難度增大，因本工程為放空洞，采用溢洪道及泄洪道聯(lián)合泄放庫水位至1265 m時(shí)方開啟工作閘門，因此其正常運(yùn)行的水頭不高，但其擋水水頭較高，同時(shí)要求非常情況下需要全水頭下亦可打開，啟閉機(jī)容量需要滿足全水頭啟門的運(yùn)行要求。

4.2 設(shè)計(jì)成果

在進(jìn)口事故閘門的下游處設(shè)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(dāng)工作閘門需要維護(hù)檢修時(shí)，關(guān)閉上游的事故閘門即可進(jìn)行操作[4]。

4.2.1 閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(dòng)水系數(shù))。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(dòng)軸承，門體上邊梁左右對稱各設(shè)置4套主輪，側(cè)支承為側(cè)輪(Φ240H225)，反支承為Φ300鉸式反輪，為利用水柱，閘門面板及止水設(shè)置在下游側(cè)，門體兩側(cè)及頂部三邊采用實(shí)心頭P60-A橡塑無節(jié)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(shí)現(xiàn)閉門。工作閘門主梁采用多主梁型式，閘門橫向區(qū)分7格，縱向區(qū)分5格，梁格長邊方向與主橫梁軸線方向平行，以增強(qiáng)門體剛度和整體性，采用實(shí)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(shè)有工藝孔。門葉體形為1000 mm×5700 mm×6275 mm(厚×寬×高)，為滿足水力學(xué)條件，門底設(shè)有上游45°傾角，同時(shí)設(shè)有底封板同時(shí)面板加強(qiáng)板并設(shè)有鉚焊孔。門體主材選用Q345B低合金結(jié)構(gòu)鋼，更好地滿足強(qiáng)度及防腐要求，門體含拉桿共重50 t。緊接門后隧洞孔部設(shè)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(diào)質(zhì)處理，為了滿足門槽的防護(hù)，采用整體門槽型式，設(shè)置一、二期鋼襯護(hù)面，埋件重102.5t (含一期鋼襯)。

4.2.2 機(jī)電工程設(shè)計(jì)

本工作閘門的設(shè)計(jì)運(yùn)行條件為設(shè)計(jì)全水頭擋水，正常運(yùn)行情況下為低水頭動(dòng)水啟閉，利用閘門自重閉門，緊急情況下可全水頭動(dòng)水提門泄水。啟閉機(jī)配置1套型號為QP4000 kN-15 m的單吊點(diǎn)固定卷揚(yáng)機(jī)。啟門力為4000 kN，主起升揚(yáng)程為15 m。整機(jī)工作級別為Q3中型，單機(jī)架布置，單電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式?；喗M采用8倍率。電動(dòng)機(jī)YZR 400L1-10 FC=40% 電機(jī)功率160 kW。啟閉機(jī)的動(dòng)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(jī)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(jī)等零部件的安裝、維護(hù)檢修等的操作，低位放空洞啟閉機(jī)室內(nèi)啟閉機(jī)上方設(shè)置輔助檢修用單梁橋吊，單梁橋吊的容量為160 kN，揚(yáng)程為15 m。

4.2.3 監(jiān)控與應(yīng)急系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本閘門設(shè)置有水位監(jiān)控及開度監(jiān)控系統(tǒng)各1套，便于監(jiān)控閘門的運(yùn)行等情況，確保金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備安全運(yùn)行。作為大(1)型項(xiàng)目泄水系統(tǒng)工作閘門，其啟閉機(jī)設(shè)置配置1套失電液控應(yīng)急操作器及動(dòng)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(jī)輸出動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)閘門的泄放功能[6-7]。

5 結(jié) 語

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