金属结构设备的设计在水电工程中有关问题的探讨

龙朝晖，刘天德

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

金属结构设备在电站工程设计各专业中是一个很小的部分，占工程投资造价比例也相当小，但是，金属设备的可靠运行，关系到施工人员、运行人员、沿河流两岸老百姓的生命安全，关系到水工建筑物的运行安全，关系到发电设备的运行安全。每一个电站蓄水发电前均须通过有关部门的蓄水安全鉴定，其中，金属结构设备是鉴定专家考核的重点。金属结构设备的重要性在电站建设后期和电站建成投产后，才慢慢突显出来。做为设计者，必须未雨绸缪，对各种情况充分考虑，以如履薄冰的态度开展工作。

近年来，为满足大型工程的枢纽布置要求，闸门的孔口尺寸与挡水(运行)水头的组合参数越来越高，闸门的运行工况越来越复杂，布置型式越来越多，其中不乏高难度、高风险、突破现有技术的案例。下面就几个方面谈一谈我们在设计中的心得体会。

2 关于高水头弧形闸门

我院目前参与的工程中，高坝枢纽较多，因此遇到的高水头弧形闸门比较多。比如：锦屏一级的放空底孔(5m×6m-131m)、深孔(5m×6m-91m)，官地的中孔(5m×8m-90m)，溪洛渡的深孔(6m×6.7m-104m)，瀑布沟的放空洞(6.5m×8m-126.28m)等等。

为实现高水头的挡水要求，该类闸门普遍采用带突扩门槽的伸缩水封的止水型式，门叶结构焊接并消除应力后，面板机加工以保证与主止水的配合间隙，门槽焊接并消除应力后数控加工以保证伸缩水封座板、压板的体型，对工厂制造设备及加工工艺水平的要求很高。因此编制招标文件时，对合格投标单位的资格等要求应更加严格，提出合理的设备、加工工艺、组装工艺等技术能力及制造业绩要求。

该类门叶结构多为主纵梁结构，按照左右两半制造，工地安装采用高强螺栓拼接成一体，每个安装起吊单元重量较大(一般在45t左右)。因此，对设计输入资料的要求(主要是孔口尺寸)就要综合工程的施工道路情况、工地现场安装的起吊设备条件等因素，与上游专业充分协商，尽量降低安装难度。

对高水头弧形闸门(挡水水头超过80m)，液(水)控伸缩止水和偏心铰压紧式止水是国内外普遍采用的止水型式，均有应用实例。偏心铰压紧式止水，对操作偏心铰油缸的行程检测与电气联锁、油路系统的蓄能保压要求较高，对偏心轴部分的材质、机械加工要求高，现场安装调试也有一定的要求。同时出口部分由于布置要求，水工结构需相应加长，投资相对较大，但是，偏心铰通过施加机械力，能适应各种工况下门叶与门槽主止水之间间隙的变化，止水可靠性有保证。操作机构均在启闭机机房内且布置紧凑，油压系统更易于实现自动控制，有利于检修维护，可实现闸门在非强振区的局部开启。液(水)控伸缩止水通过充水(建压)充气(卸压)系统对水封背压腔的压力进行控制，实现水封的外伸与回缩，该系统管路复杂，系统管路的埋设须贯穿若干坝段(一套系统控制多孔)，与土建的交涉面多，施工时应特别注意管路的埋设避免被杂物封堵，水封背压腔的工作压力值很难随库压的变化进行调节，因此水封材质、质量的要求极高。为保证成功卸压，通常采用空压机充气排水与真空泵吸气卸压相结合的措施，弧门局部开启时主止水禁止投入工作，主止水结构件的制造及安装要求高。但是，这种止水型式研究较多，水封材质目前也有几个厂家的产品能满足要求，充水充气系统也比较成熟，投资相对较低，若闸门操作方式仅全开全关，液控伸缩式止水还是一个不错的方案。

3 关于大孔口事故闸门、工作闸门

泄洪建筑物的设计中，特别是隧洞式泄洪建筑物的设计，上游专业往往主要考虑的是泄流能力、建筑物的基础地质条件、工程造价等主要因素，主要的矛盾解决后，难题就留给了金属结构专业。目前大孔口的工程还是比较多，比如：深溪沟泄洪洞进口15.5m×18.12m-44m事故闸门，锦屏一级泄洪洞12m×15m-50m事故闸门、13m×10.5m-55m弧形闸门，溪洛渡泄洪洞12m×15m-55m事故闸门、14m×12m-65m弧形闸门，长河坝开敞式泄洪洞17m×17m-16.5m弧形闸门，草街冲砂闸14.8m×25.5m-25m弧形闸门等等。深孔闸门承受的水压力均是上万吨的水平，平面滑动闸门的支承装置承载特别大，通常支承滑道沿门叶高度方向几乎布满，滑道的计算线压强超过5kN/mm；表孔闸门孔口高度均较高，为满足泄流曲线的要求，闸门的开度较大，为满足液压启闭机的行程、容量等组合参数，尚须综合考虑液压启闭机的制造安装技术水平，特别是流道底板为水平体型的结构时，布置较困难。大孔口带来的问题是一个量变到质变的严重问题，影响到闸门封水可靠性、闸门结构安全性、启闭机的制造安装技术性突破、启闭机及闸门操作运行的安全性等等一系列复杂的环节。

虽然，金属结构在工程可研、建设阶段对于枢纽总体而言毕竟是微不足道的，往往只能硬着头皮、冒着技术风险，配合工程设计。但是，工程建成投产后，枢纽的运行安全重担实实在在的落到了金属结构专业头上，无论是发生天灾(例如大地震、超规模洪水、水工建筑物险情等)的工况、还是水库正常运行的水位流量调节(泄洪、引水发电、机组保护检修)的工况，金属结构设备的安全可靠运行都是人员、枢纽、设备安全的有效保证，重要性可见一斑。

因此，必要的时候，综合考虑设计、制造、安装、运输、运行等因素，在工程设计的前期就要从技术上否定大孔口的布置方案，降低金属结构的技术难度，科学的、合理的优化设计方案，避免舍质量、冒大风险、保投资的功利行为。

4 关于闸门水力学及流激振动模型试验工作的开展

工程枢纽的设计，包括各个重要水工建筑物的设计，水力学、水流消能及流激振动等问题，尚不是通过理论计算就能认识清楚的，往往需要进行各种方案的模型试验进行比较验证，有的甚至只有通过模型试验才能认识到设计方案的问题所在。水利枢纽无论大小，均须进行泄流能力、泄洪消能、流态观测等内容的模型试验，工程的重要泄洪建筑物、高水头大流量引水调压保压建筑物等等尚需进行单体模型试验研究。金属结构所研究的问题与水工建筑物是相似的，仅研究对象有混凝土结构和钢结构的差别，因此对于重要部位的金属结构应该通过模型试验进行验证和科学认知。例如：利用水柱闭门的事故闸门动水闭门过程中闸门各方位的时均压力值(计算持住力的依据)、高速水流门槽体型的试验验证、高水头动水启闭(甚至有局开工况)的工作闸门流激振动危害性的认知、新型设备布置条件下的设备工作情况认知等等。

但是，重要建筑物的单体模型试验研究重点是进行整体的水力学相关研究，为满足模型试验设备、场地等条件的要求，通常模型比尺较小(大多是1∶60以下)，由于金属结构设备规模相对于水工建筑物单体的规模较小，如果将闸门、启闭机考虑在这样的模型中，是不可能模拟出闸门结构的真实体型的，也不可能在微小的闸门模型上装设试验检测设备。因此，必须根据试验设备及试验人员技术能力、场地等情况进行较大比尺(通常在1∶30以上)的细部模型试验，充分认知金属结构在不同运行工况下的各种规律。同时，有条件时还应尽量增加模型的比尺，降低模型试验的比尺效应。

5 关于有施工期挡水要求的闸门

水电工程建设周期较长，短的三五年，长的十来年，原则上考虑制造安装技术能力及便于灵活调度，发电机组都是多台布置。随着工程的建设进度，水工建筑物达到一定规模并满足机组发电死水位的蓄水面貌时，均存在首台机发电其余机组继续安装调试的工况特点，此时，继续安装调试的机组的进(尾)水口流道往往需要采用已经安装调试后的金属结构设备进行挡水。与首台机组相关的设备受到重点关注，安装调试的质量比较让人放心，但是，由于诸如抢工期等种种原因，其余需要挡水的金属结构设备往往没有进行很好的安装和调试，有的甚至连启闭设备都没有安装，闸门均是通过其它设备(如坝顶门机、施工起吊设备等)放入孔口，闸门没有进行无水试运行试验，水封与门槽的配合没有得到验证，带来的后果是初期蓄水时闸门漏水量偏大，危急到下游流道的施工及后续发电机组的正常安装。

例如：深溪沟电站设4台机组，每台机组进口设有3扇事故闸门(6.2m×16.229m-56.071m)，1号机组发电时，其余3台机组还处于不同的安装工序中，此时利用进水口事故闸门挡水，底水封封水效果较差。分析原因后认为，闸门底坎成1∶2的斜坡即闸门底水封与底坎座板成63.43°的较大角度，底坎的安装精度并没有可靠保证；闸门落到底坎上时，水封橡皮沿底坎表面压缩极不均匀，导致挡水后局部底水封漏水量较大，有点地方甚至成射水状态；射水工况持续的时间越长，缝隙水流对水封橡皮的破坏就越大，如此恶性循环，将导致底水封完全破坏，失去止水作用，严重影响机组的安装施工，并威胁着施工人员的安全。我们经过现场处理，针对闸门底水封和底坎的安装现状对水封橡皮进行了处理，有效地解决了射水问题。

总结此案例，我们认为，综合考虑制造安装的技术水平，机组引用流道的体型特别是底坎的体型不宜倾斜太多，且最好是水平布置，从理论上避免底水封不能有效压缩的情况；现场安装调试必须对每扇闸门进行无约束的无水调试试验，检测封水面的配合情况，防止因安装误差引起水封压缩不均匀。

6 关于下放生态流量的闸门

对于长引水隧洞式水电站，坝与厂房之间的距离较远，长达几公里到数十公里，电站枯水期运行时，区间几乎没有流量，这种工况对区间河床的生态影响是巨大的。从环境保护的角度，必须有可靠的措施实现区间生态流量的控泄。为保证泄放生态流量相对稳定，综合考虑坝前水位的正常变幅，下泄流道的断面必须具有随水位变化的调节功能。

对于新建工程，考虑到闸门局开时产生的振动是一个复杂的过程，与闸门结构型式、流道体型、水流状态、启闭机型式等等因素均有密切关系。这里面有水力学、弹塑性力学、振动力学等问题，未能认知的东西太多，风险较大，应该尽量避免采用闸门局开控泄，应优先考虑埋设单独的生态供水管道，并在出口设锥型阀进行调控及消能，这种措施相对安全可靠。

对于已建工程，枢纽布置格局已定，迫不得已采用工作闸门控泄生态流量时，应请电站运行单位进行充分的、各种水位对应开度的闸门运行原型观测试验，形成闸门局开工况是否有危害性振动的明确结论，并以此为闸门可靠安全运行的依据，结合不同水位控泄生态流量的计算开度值，确定控泄生态流量的闸门开启方案。

7 关于长引水隧洞调压井设快速闸门的担忧

发电机组以及厂房安全的保护，在水电站布置设计中是很重要的，相关规范对机组的保护也有比较明确的要求。对于长引水隧洞，且机组引用流量较大、水头较高时，往往现阶段水机专业涉及的设备的动水保护作用不可靠(如筒阀)或因引用流量大现有设备不能满足尺寸规模(如蝶阀)，机组的保护重担又落到了金属结构设备上。

一般这种引水型式均设有上游调压井，并在压力钢管的前端设事故闸门，若采用事故闸门保护机组，必然要有快速关闭的时间要求。目前水机专业通常提出的关闭时间要求很短(大多是2min)，考虑到启闭设备的运行速度，快速闸门平时一般要停放在孔口上方1～2m的位置，并依赖启闭设备持住。由于这类布置型式的机组引用流量大、水头高，甩负荷产生的涌浪较高，而且涌浪的流态与调压井的结构型式、阻抗孔的细部结构、门槽的细部结构、涌浪发生时对应的水头和流量、机组导叶的有效关闭情况等因素均有密切关系，很复杂，难以认知。通常启闭设备的布置高程需要高于调压井的最高涌浪水位并满足闸门安装、检修条件，启闭设备与闸门之间有相当远的距离，需要通过一定的设备进行连接。有快速关闭要求的事故闸门停放在孔口上方时，涌浪对其的影响难以判断。但可以判断，涌浪对闸门产生的浮力和横向的扰动是较大的，涌浪威胁着闸门及启闭设备、连接设备的运行安全，后果难以估计。后果严重则导致连接设备破坏、闸门失去持住、启闭机发生破坏，进而失去对机组的保护作用；后果较轻则导致设备发生移位或变形，失去正常的配合关系，从而影响设备以后的正常运行。

目前已有一些工程采用这样的模式进行设计，如：泸定调压井快速事故闸门(8.5m×9m-50.6m)、黄金坪调压井快速事故闸门(8.6m×9.6m-47.64m)，均采用液压启闭机通过较长的拉杆装置操作闸门。是否可靠安全尚未经极端工况下的运行检验。

楞古电站目前正在搞预可研设计，其调压井快速事故闸门(6.8m×8.8m-120m)，水头参数很高，鉴于认知水平及上述担忧，拟采用在调压井后另设闸室的布置方案，液压启闭机布置在较底的高程，满足闸门的正常开度即可，启闭机机架与门槽埋件的上端部采用可靠的密封措施。这种布置使闸门与启闭机之间的距离较短，且流道反向水击快速扩散到闸门上游的调压井内，可以判断对金属结构设备的不利影响会大大减小。但是，土建结构需要增加建筑物的设置(如：启闭机洞室的布置、交通洞的布置等)，工程造价也会增加不少。当然这样的增加换来的是设备的安全可靠运行，还是值得的。

为合理设计机组的保护设备，水机专业首先应明确合理的闸门快速关闭的时间要求；蝶阀的动水保护作用经实践证明是可靠的，随着制造技术的进步，其尺寸规模是否可以上升一个台阶，这样的话，既能保证机组保护的需要，又可降低土建规模，有效控制投资。

8 结 语

天降大任于斯人，我辈同仁风华正茂，赶上了国家水电开发的高峰期，在火热地投入这场轰轰烈烈的建设中时，必须保持冷静的思维，努力学习认知、善于总结经验、主动戒除浮躁、克服不理智的冒进行为，以科学的方法开展工作。针对金属结构设备的设计，要追求设备简单实用、低风险、高可靠性，在确保技术合理的前提下，尽量节省工程投资。