埃塞俄比亚GIBE Ⅲ水电站中孔附环闸门的设计

陈相楠, 姚昌杰

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

埃塞俄比亚GIBE Ⅲ水电站中孔附环闸门的设计

陈相楠, 姚昌杰

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

附环闸门的设计是我公司在走向国际化市场业务的一次重要技术探索和创新，被应用于埃塞俄比亚GIBE Ⅲ水电站中孔，闸门挡水水头和操作水头达到了142 m。本文结合GIBE Ⅲ水电站中孔的流道布置、水力设计及附环闸门的结构特点提出了附环闸门的设计原则、考虑的因素和具体措施。

附环闸门; 结构设计; GIBE Ⅲ水电站

0 前 言

随着水电事业的发展和高库大坝的涌现，泄水建筑物的闸门工作水头日益提高。一方面，现有高水头大坝的设计一般设置有放空洞，放空洞不考虑参与泄洪，只做水库放空用，故闸门的挡水水头可能很高，但动水操作的水头一般控制在100 m以内;另一方面，国内现有高水头工作闸门通常采用冲压止水弧形闸门、偏心铰弧门，闸门动水操作的水头一般控制在100 m以内。我公司在开展国际市场业务的过程中，却遇见业主或者咨询公司要求大坝的底孔兼具有泄洪与放空的作用。GIBE Ⅲ水电站中孔闸门便是如此，业主要求遇到大洪水时，闸门具备在142 m高水头工况下动水操作的能力。

GIBE Ⅲ水电站为埃塞俄比亚OMO河梯级开发中的第3级电站，坝型为混凝土重力坝，电站装设10台187 MW的混流式水轮发电机组。该项目的业主为埃塞俄比亚国家电力公司，咨询方为意大利的ER公司和法国的柯因公司，土建承包商为意大利Salini公司，土建设计为意大利的SP公司。东方电气集团国际合作有限公司为本项目的机电及水工金属结构设备总承包方，我公司承担本电站金属结构设备及机电设备的设计工作。

1 GIBE Ⅲ中孔布置

GIBE Ⅲ水电站大坝设7个溢洪道和2个中孔。2个中孔分别布置于大坝的左右两侧，业主要求满足蓄水过程中的调节下泄流量、放空水库和泄洪的功能。电站正常蓄水位为892.00 m，中孔底坎高程为750.00 m。中孔原设计方案设置两道闸门，流道中部设置事故闸门，出口处设置弧形工作闸门，其孔口尺寸为4 m×5.8 m。2011年5月，土建设计单位告知经水力学模型试验证实，由于流道的渐变段和闸门门槽部在高水位运行情况下产生较严重的空化空蚀，放弃弧形闸门布置方案，要求我公司重新考虑中孔闸门布置型式。在进行了大量的研究工作后，为改善水力学条件，中孔流道除进口为矩形渐变段外，其后均为圆形断面。我们在中孔流道布置了三道闸门，进口处设置检修闸门，采用坝顶门机操作；出口处设置事故闸门及工作闸门，事故闸门与工作闸门均采用附环闸门，采用8 000 kN/6 000 kN(启门力/闭门力)液压启闭机操作。新布置方案获得业主、咨询公司及土建承包商三方认可，并经水力学模型试验验证可行后最终确定(见图1)。

图1 GIBE Ⅲ中孔流道布置

2 闸门的水力设计

附环闸门是高水头平面闸门的一种，在高水头平面闸门的基础上于闸门底部增设附环结构，使闸门开启时，附环结构对门槽部分进行回补后无门槽，以保证整个流道为圆形断面，减少了流道形状的变化。泄洪时等于无门槽，出流为圆形断面，能避免或减少高速水流与门槽的空化空蚀，满足高速水流下流道的设计要求。GIBE Ⅲ水电站的中孔工作闸门及事故闸门均采用附环闸门，其操作水位达到了142 m，事故闸门的孔口直径为Φ5.4 m，出口工作闸门直径为Φ4.6 m，单孔泄洪能力能达到810 m3/s。闸门段进出流条件、门槽的抗空化能力及门槽下游相邻区域的边界水力特性等成为水力设计中的关键问题，在设计中我们特别加以关注并开展了相关的试验研究工作(见图2)。

图2 附环闸门的操作示意

GIBE Ⅲ水电站的土建设计承包商SP公司在确定中孔闸门布置之后，委托瑞士联邦理工学院(Swiss Federal Institute of Technology Zurich)展开了中孔流道的水力学试验研究。同时，我公司也是第一次设计附环闸门，且国内也未曾有类似闸门的设计经验，我们分析认为，在启、闭过程中经历的部分开启工况，水力流态紊乱。闸门横向、纵向附加激振力及频率对闸门结构和启、闭力会造成大的影响，必须加以研究。附环闸门的动水操作水头很高，高速水流下若闸门起升的稳定性及闸门的刚、强度和变形得不到有效控制，就可能造成闸门启闭的困难。故我公司特委托长江科学研究院进行了该闸门的水力学及流激振动模型试验研究。

2.1 出口锥管设计

由于高速水流下，附环闸门的附环结构与圆形流道的圆周能否对齐，是避免流道内产生有害漩涡或空穴的主要措施。在设计附环闸门门槽时,我们在其出口设计了锥管段，流道由事故闸门处的Φ5.4 m压缩至出口处工作闸门的Φ4.6 m，以提高锥管前压力，锥管后无压泄流。借此消除流道表面和附环突出部分的空蚀现象，并能适应附环闸门处于全开位置时，自行下沉而形成凹凸不平的错台。设计时，要求液压启闭机在附环闸门下滑达到2 cm时，启动回升装置。

试验研究表明门槽段及邻近区域的时均压力分布正常，沿程压力变化平缓，附环闸门门槽段及邻近区域的水流脉动压力均较小；事故闸门前后水流空化数较大，无空蚀危险；临近工作闸门槽的流道末端水流空化数相对较小。事故闸门附环与流道形成±0.10 m的错台后，附环闸门门槽段及邻近区域水流顺畅，未见不良流态；凸坎及凹槽前后的时均压力均有一定升降，时均压力最大变化约7×9.81 kPa，水流脉动压力也有不同程度的增加，但鉴于该段流道的时均压力值较大，该区段的水流空化数变化不大，亦不会产生空蚀现象。

2.2 门槽下游边界设计

在工作水头下，附环闸门出闸水流流速接近50 m/s，若出口处门槽体型设计不当，门槽后边墙会出现局部负压区，这意味着该区将面临空蚀破坏的危害。在泄水道运行时，出闸水流以射流形态向下游泄放。下泄水流对下游边界可能诱发空化空蚀问题。设计时，我们借鉴以往的高水头平面滑动研究成果，尽量采用门槽下游错距加扩散角的门槽体型以形成超空穴状态，避免射流与边壁发生碰触。经试验研究确定，错距为400 mm，扩散角为25°。

试验研究表明,中孔附环闸门在正常开启泄洪条件下，附环闸门门槽段及邻近区域水流顺畅，未出现旋滚、气囊，事故门井内充盈水体；水体出工作闸门后呈平抛射出，水流整体呈现规则圆柱状，水柱与工作闸门闸室段边界有足够距离，无水体击打工作闸门后突扩门槽闸室段。工作闸门门槽后射流水体脱离过流壁面，对流道壁面不会产生空蚀破坏(见图3)。

2.3 附环闸门后掺气设计

GIBE Ⅲ中孔事故闸门与工作闸门紧挨着布置，瑞士联邦理工学院试验研究表明,当工作闸门在启闭过程中出现事故时需要事故闸门动水闭门，事故闸门后会产生漩涡与负压，导致门槽被空化空蚀破坏。试验测得50 m水头下，最大负压为-60×9.81 kPa，且该负压会随着水头的升高而增大，故需考虑采取措施控制和避免空穴的产生(见图4)。

设计时，在事故闸门后，锥管段前设置了两根Φ250 mm的自动吸排气装置，以减少漩涡的产生和负压。增设掺气装置后，在很小的一段开度范围内，水体强烈掺气，此时通气孔较强进气，测得风速约30 m/s，布设测点压力均为负压，最大负压为-2.68×9.81 kPa，较好地解决了漩涡与负压的问题。

图3 GIBE Ⅲ中孔门槽布置

模型试验结果表明，在各级水位下，附环闸门门槽无漩涡，流态平顺，压力分布合理。

3 闸门的结构设计

附环闸门的门槽结构、门叶结构及止水设计较常规平面闸门设计难度大。闸门结构作为运行安全控制的主体部分，结构设计需从如下几方面加以考虑。

3.1 门槽结构设计

(1)工作闸门门槽支承结构设计。GIBE Ⅲ水电站中孔工作闸门的尺寸为Φ4.6 m，挡水水头为142 m，总水压力为28 154 kN，同时，工作闸门在动水启闭的过程中，在不同开度区间闸门水流向会因为水流激发而产生振动，这就要求工作闸门的门槽支承结构做得尽可能强。而工作闸门位于大坝后部，门槽下游边界为避免射流与边壁发生碰触，工作闸门后的门槽扩散角要求达到25°，这导致工作闸门门槽的支承混凝土比较薄弱。设计过程中，我们考虑将工作闸门的门槽支承通过钢梁结构传递至上游的中孔钢衬上去，并在事故闸门与工作闸门之间的混凝土增设支承台阶以提升门槽的支承强度。同时，土建设计将工作闸门门槽后混凝土通过锚索的方式与大坝相连，进一步增强工作闸门门槽的支承。

(2)门槽结构强度设计。GIBE Ⅲ水电站中孔工作闸门平常处于关闭状态，事故闸门门槽内有库水。事故闸门与工作闸门的布置距离仅有4 m，土建承包商担心事故闸门与工作闸门门槽间的混凝土难以承受142 m水头库水压力，要求我公司计算门槽结构强度能单独承受水压作用。我们考虑在门槽结构的上游侧做加强工字型钢梁，下游侧通过与工作闸门门槽连接，形成较大尺寸的箱型梁以满足要求(见图5)。

(3)下沉腔设计。事故闸门由于附环闸门结构的需要，闸门门槽需设计下沉腔，闸门下沉挡水时，附环部分下沉腔中。下沉腔需考虑排沙及检修时的排水要求，我们在腔底部设置了斜坡，并设置阀门适应上述要求。

图4 未掺气附环闸门事故闭门过程产生的漩涡

图5 门槽结构强度设计

3.2 门叶结构设计

附环闸门设计时与普通平面闸门的不同在于附环闸门所受水压力为圆形断面，并且由于闸门挡水水头很高，对止水面的挠度要求较高。通过结构静力分析：在静水压力作用下，最大弯矩出现在闸门的中间部位，顶部止水处水压力虽距支承距离较远，但压力作用面积较小，挠度能有较好的控制。GIBE Ⅲ中孔的工作闸门与事故闸门由于布置位置的不同，附环部分的结构设计也略有不同。

(1)工作闸门门叶。流道泄流时，工作闸门作为操作闸门，其后进行了较大的突扩以满足水力学的要求，工作闸门的附环亦不需要一个完整的圆形断面，只取上半圆部分。为减少底缘形式对闸门的空化空蚀和振动，改善运行条件，附环下游倾角要求不低于30°。这种底缘形式的压力分布及减震效果较好。因此，水流平顺，减少了对门槽内水流的扰动，减少空化空蚀(见图6)。

图6 工作闸门门叶结构

(2)事故闸门门叶。事故闸门附环结构主要用于流道泄流时，对附环闸门门槽部分的回补，以保证整个流道为圆形断面，减少流道形状的空化空蚀。由于事故闸门后采用锥管设计，使得附环结构与泄水流道边缘的错距在允许范围内能被接受，所以附环结构的直径应略大于流道的直径，取Φ5.44 m(见图7)。

图7 事故闸门门叶结构

3.3 止水设计

GIBE Ⅲ中孔闸门挡水水头高，达到142 m，有效的止水设计成为附环闸门设计的关键所在。我们考虑采取引库水压充压止水的形式进行止水。为便于布管引库水压止水，我们将止水装置布置于门槽结构上。止水装置包含引库水管道、水封装置及泄水装置。启门操作时先关闭引库水通道阀门，再开启泄水端阀门泄压后启门；闭门后先开启引库水管道阀门，延时关闭泄水装置阀门进行充压止水。由于中孔流道还肩负蓄水过程中下泄流量的要求，蓄水过程的水压可能不足以使充压水封充压伸出止水，所以我们将充压水封与止水座板的间隙进行了控制。水封自由状态有3 mm的预压缩量，同时，水封底部与止水座的间隙也控制为3 mm，以满足上述要求。止水座板焊接在门叶结构上，采用不锈钢，板厚5 mm，以避免水封在闸门启闭过程中被磨损(见图8)。

图8 GIBE Ⅲ中孔闸门止水装置

4 结 语

附环闸门的设计是我公司在走向国际化市场业务的一次重要技术探索和创新，被应用于埃塞俄比亚GIBE Ⅲ水电站中孔，闸门挡水水头和操作水头达到了142 m。由于附环闸门整个流道为圆形断面，减少了流道形状的变化，且泄洪时无门槽，出流为圆形断面，能避免或减少高速水流与门槽的空化空蚀，满足高速水流下流道的设计要求，比普通平面闸门水力学条件更好，为高水头大坝的泄洪底孔与放空洞结合起来所面临的闸门操作水头过高的问题提供了一条解决思路和办法。

2017-01-12

陈相楠(1985-)，男，四川成都人，工程师，从事水电站金属结构设计工作。

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