高压弧门上浮问题的探讨

刘进步 王 鹏

（陕西省水利电力勘测设计研究院 陕西 西安 710001）

1 高压弧门上浮问题

压力洞出口高压弧形闸门运行中常出现的一个问题是闸门在完全关闭后，水封封水良好，关闭一段时间后，闸门底部、顶水封处就开始漏水，在漏水量达到一定程度后基本不在增加（除非闸前水位出现较大变化），这一现象，称其为“上浮”，这里的上浮是指由于闸门上浮力矩推动闸门向上移动，一旦闸门向上移动，闸门顶、底水封密封压力不足，造成闸门漏水的现象。该现象最先在二郎坝天生桥水库引水发电洞出口3 m×3m-135m弧门中出现，后在黑河金盆水库输水发电洞出口2 m×2m-100m弧门、冯家山水库泄洪排沙洞出口4.9 m×4.9 m-70 m弧门等多个工程中也有出现，多见于中、小孔口，中、高水头的弧形闸门，闸门启闭机为液压启闭机的工程设计中。

2 上浮因素的成因

通过对几个工程闸门上浮问题观察和分析，造成闸门上浮因素主要有以下几方面：

2.1 闸门结构因素

闸门结构存在的上浮因素主要是闸门水封布置存在上托力。在闸门关闭后，闸门面板下部、顶水封处存在水压产生的上托力；闸门底水封、顶水封处水封预压力产生的反弹力（上托力）使闸门产生上浮力矩。在上浮力矩作用下，闸门是否会上浮，可以通过基本理论推算进行判断，即假定闸门关闭后，启闭机对闸门没有约束力，闸门和埋件之间为理想状态，闸门自重力矩+侧水封摩擦阻力矩是否大于上托力矩。如果大于，闸门在关闭后，可以维持密封状态；如果上托力大，闸门可能会在上托力作用下促使闸门上浮，在上浮过程中，顶、底水封预压量降低，上托力距也逐渐减小，直到阻力矩和上托力矩达到平衡。计算时，闸门自重考虑门叶、支臂重力矩，水封预压及水压变形和侧轨之间的最小摩擦力矩；上托力矩包括闸门面板下部、顶水封处水压力上托力矩，闸门底水封、顶水封处水封预压力（水封满足封水要求和水封座板之间的接触压力）的上托力矩。这几个关系中，除门叶、支臂自重对铰心力矩比较准确外，其他参数中的预压力、最小摩擦系数都很难符合实际，但按照水封预压3mm～5mm，按最小摩擦系数进行估算，可以在设计初期验证闸门是否会在关闭后保持平衡。

2.2 脉动水压因素

黑河金盆水库输水洞出口弧形闸门孔口尺寸2 m×2 m，设计静水头80.7 m。闸门门叶自重3.3 t，支臂重2.93 t，闸门顶、底水封预压5mm。现场观察发现，闸门顶、底都漏水，在闸门左下角，会规律性的射出一股2 m～2.5 m长的水流，在射水瞬间，门顶和门底漏水量明显增加，短暂回落后，又开始射水，循环脉动出现。用一张银行卡，无法插入闸门顶水封和水封座板间，估计漏水间隙不会大于1mm。假定在没有启闭机约束情况下对闸门重量和各摩擦力形成的阻力矩和闸门结构所受的上托力矩进行平衡验算，闸门在80.7 m～40 m水头区间，不能够自平衡，最大不平衡上托力矩为216.7kN·m，换算成在闸门主梁中心位置的加重量为6.5 t。在2010年4月14日～15日，在现场进行了加重试验，闸门配重6 t后，观察30分钟，下部不再射水，总漏水量明显减小，考虑计算为理想状态，多加对防止漏水有利，但同时要兼顾启闭机的安全运行，结合试验情况，确定加重量8 t，加重后的1天～2天基本不漏水。大约1个星期后观察，漏水量和射水情况比加重前得到较大改善，但依然过大，后补设机械锁方式控制漏水。

在实施加重时，闸门处于关闭状态，未进行液压启闭机操作，可排除液压启闭机因素。发电洞机组运行时的脉动水压是弧门上托力处于交变状态。闸门在脉动水压下，会微震，上托力循环增加、减少，犹如一个水击锤一样向上敲打闸门，一旦闸门微微上浮，就无法回落，如此循环，直到上托的水击力矩和闸门阻力矩平衡。加重试验也验证了脉动水压缓慢推动闸门上浮直到新的平衡点。黑河工程中由于无法对弧门前脉动压力进行观察，缺少分析脉动水压大小的第一手资料。在其余类似新建工程中，建议在弧门前设置压力传感器，对门前脉动水压进行原型观察，了解脉动水压大小和频率，以便对出口闸门安全进行有效设计。

2.3 液压启闭机因素

高压弧形闸门由于自重轻，需要通过液压启闭机提供闭门力，当液压启闭机将闸门完全关闭后，液压油泵停止运行，闸门依靠自重、摩擦阻力维持关闭位置。活塞杆对闸门的下压力也会随液压油的“温变效应”逐渐回归到0，并出现活塞杆“回抽”现象。液压油的温变效应是由于油温的变化，油液容积产生变化。水口船闸下沉式闸门采用2×800kN德国力士乐公司液压系统，对由于液压缸油温变化而导致液压容积变化引起的闸门下沉进行多次试验和精确测量，温度变化折合为油缸行程变化值为：0.2mm/℃·m。这个值看起来很小，但影响较大。黑河引水洞弧门采用的液压启闭机QHSY800kN/400kN，最大行程3.3 m，如果油温有5°的变化，油缸行程变化3.3mm，已经不能保证闸门水封的密封性能，漏水就是必然的。“温变效应”引起的油缸行程改变，是随油温缓慢变化，通过液压油的体积膨胀系数βt=6.5×10-4/℃和油缸油温变化，可以计算出液压油冷却后油缸的空腔体积和行程变化量。当然，通过高精度的行程测量仪和油缸油温检测仪得到的最基本的数据更符合工程实际，了解和掌握每个工程油缸的这一数据，可预测油缸活塞杆的自然变位，评估其对闸门水封预压量、下沉等因素的影响，并采取积极的应对和预防措施。

3 改善上浮因素的措施

通过布置和结构的细化，优化闸门止水设计，尽量减少闸门结构上的上托力，在设计中应优先考虑。常规设计把底水封设在闸门上，这样设置的缺点是闸门面板和底水封处都有较大的上托力，而且止水橡皮头高出面板底沿5mm～10mm，造成闸门开启时高速过流面不齐平。如果将封水橡皮固定在底槛上，闸门面板下沿结构就可大大简化。面板弧面前缘和底槛上橡皮相接触，底槛上橡皮采用梯形断面，用梯形压板在下游侧向固定在底槛上，压板及固定螺栓采用不锈钢材料。这种设计在日本宇奈月坝排沙底孔工作弧门中采用。为防止闸门面板底部冲蚀，门体下部约200mm采用304不锈钢厚钢板，这样设计可以极大限度的降低来自闸门底部的上托力。如果门顶水封和门底水封预压都设在竖向压缩，一旦闸门上浮，顶水封、底水封预压均不能满足封水要求，而将顶水封的水封座板布置在和橡皮头径向垂直方向，即便是闸门出现上浮，顶水封的密封不会受到任何影响。

液压启闭机附加蓄能器，使液压油缸上腔始终保持一定的压力，通过油缸活塞杆压紧闸门似乎也是一种解决方式。这种方式对没有脉动水压的压力洞出口弧门是完全可以接受的；但对于有脉动水压的压力洞出口弧门，每次脉动水压都是对液压油缸系统的一次冲击，长期使用对油缸安全不利，不建议采用。

采取在门顶设置机械锁定的方式，即将闸门完全关闭后，用机械锁定方式压紧闸门顶部，是一种可以完全消除上浮因素的方式。对于已经建成的引水发电洞出口弧门，采取机械锁定防止闸门上浮也是最简单有效的解决方案。如果机械锁定设计为机电一体化的形式，可以通过控制柜操作按钮完成，使闸门远程操作不受影响，是比较优的解决方案。

4 常规设计的替代方案

改变常规弧门布置方案，完全消除上托力因素，如在某国外工程，法国设计的引水洞出口小弧门设计是将弧门直接布置在引水洞圆管道出口，不采用圆变方的形式，将水封布置在埋件上，闸门关闭后，完全没有上托力，也不需要设置防止闸门局部开启时的防射水水封，类似于突扩门槽+埋件上布置常规水封的方式，对于50 m以下中、低水头闸门，是比较优化的选择。当水头高于80 m～100m时，偏心铰弧门和充压水封弧门是防止上浮的有效选择，但相应的闸门结构、水工结构复杂，采用流量调节阀（活塞阀）代替弧门进行水量和压力调节，对于通径DN2000以内的过流断面，都有较多的生产商供选择。活塞阀具有承压高（压力等级可达10 MPa），可以进行精确的流量调节，可以保持流量与开度在全行程的线性比例关系，无气蚀和震动，在工程中应用越来越广泛。比如磨盘山水库供水工程采用3台DN1600、2台DN1400活塞阀，大伙房水库共计采用活塞阀19台，其中DN1600阀9台。大隆水利枢纽工程、长沙引水工程也都采用DN1600活塞阀，山西引黄入晋北干线工程放水洞须消减134 m水头到接近放空出流，放水流量在0.34m3/s～3.1m3/s，事故过阀流量6.5m3/s，采用DN1200，PN25活塞阀+补气系统解决方案调节特性。活塞阀闸室结构和水工消能都比偏心铰和充压水封弧门简单，操作方便，调节特性好，是解决中、小流量，中、高压力出口流量调节的很好选择。