复杂冲沙廊道内的高水头闸门设计研究

2021-01-05贾爱军姚孟莹刘永胜

四川水利 2020年6期

贾爱军，姚孟莹，刘永胜

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，成都，610072)

1 工程概况

藏木水电站主要任务是发电，装机6台，总装机容量为510MW。工程规模为大(2)型，工程采用混凝土重力坝型，最大坝高116m。电站枢纽建筑物主要由拦河大坝、泄洪消能防冲、排沙、发电厂房、鱼道等建筑物组成[1]。2014年11月首台机组投产发电。

藏木水电站水库库容小，沙量大，水库泥沙淤积速度快，排沙问题非常突出。为满足冲沙要求，在厂房挡水坝段布置左右两个冲沙底孔和一个冲沙廊道。受工程布置所限，冲沙廊道设计为6个冲沙进口汇聚至单一廊道的复杂系统。冲沙廊道进口位于进水口下方，尺寸均为3m×3m，底板高程3249.00m。水工模型试验表明，左右冲沙底孔和冲沙廊道联合排沙，效果良好[2]。电站为坝后式厂房，冲沙廊道平面布置见图1。

图1 冲沙廊道平面布置

这种六汇一的布置型式，冲沙孔进口与廊道连接过渡段较短，各孔间水流会相互影响，各孔水流流量不均匀，水流流动较为复杂，流态变化急遽[3]。藏木水电站下游水位约为3249.00m，冲沙主廊道出口高程为3238.50m，为淹没出流，廊道内处于半水淹状态，水力学条件复杂多变，闸门的运行工况十分恶劣。

由此带来闸门设计的难点问题：

(1)因运行水头高，流速大，水流含沙量大，对闸门门槽及底板部分的抗磨、防空蚀提出较高的要求。

(2)六汇一的结构导致闸门前后流态复杂，不利的水动力作用强烈，对闸门结构的安全提出了很高的要求。

(3)多泥沙条件下运行，对闸门门槽、闸门面板、止水结构等具体设计均提出较高要求。

(4)相同上下游水位条件下，各孔闸门实际运行条件差别较大，对各孔闸门的合理运行调度有特殊要求。

(5)高原条件下，如何确定高水头平板工作闸门的合理启闭速度，无历史经验可供参考。

(6)高原气候条件下，对启闭机的设计有特殊要求。

2 冲沙廊道闸门设计

由于复杂的冲沙廊道的布置给闸门设计带来巨大的挑战，通过门型和启闭机选择、门槽设计、闸门结构布置、压重箱和门叶整体布置、闸门止水专门研究、支承结构设计、通气孔的设置等多方面的综合技术保证闸门及启闭机的安全运行。

2.1 门型选择

高水头泄水孔工作闸门一般设置在出口位置，并优先选用弧形闸门。藏木水电站冲沙廊道为六汇一结构，为便于厂房进水口排沙，工作闸门需设置在冲沙廊道进口位置，因进口段为有压流，无法设置弧形闸门，故工作闸门采用平面闸门。为避免梁格内淤沙，面板及止水设置在上游侧，支承为定轮，设在下游侧。工作闸门每孔1扇，共6扇。

依据《水电工程钢闸门设计规范》规定：“在泄水孔(洞)工作闸门的上游侧应设置事故闸门”，在工作闸门前布置一套事故闸门，事故闸门6孔共用1扇门叶。事故闸门和工作闸门孔口尺寸相同，为设计、制造方便，事故闸门和工作闸门采用相同结构型式。

2.2 启闭机选择

事故闸门6孔共用1扇，采用门机通过抓梁操作，门机和进水口闸门共用。

工作闸门启闭机有3种布置方式：一是采用液压启闭机，启闭机设在坝顶，通过拉杆操作闸门；二是液压启闭机设置在洞内，采用高压密封门槽，启闭机直接操作闸门；三是采用高扬程固定卷扬式启闭机直接操作闸门。

采用液压启闭机通过拉杆操作，拉杆节数多，操作和维修不便；采用液压启闭机结合高压密封门槽，闸门启闭时稳定性好，但工程造价增加很多，检修不便；采用高扬程固定卷扬式启闭机直接操作的布置方案更合理。

冲沙廊道事故闸门、工作闸门及启闭机布置剖面图见图2。

2.3 门槽设计

在正常蓄水位，开启冲沙廊道闸门时，进口最大流速为26m/s，为高速水流。平面闸门在高速水流作用下，由于门槽段边界突变，将产生局部压力降，形成空化现象，导致空蚀破坏[3]。为避免门槽空蚀破坏，事故闸门和工作闸门门槽均选用带错距的矩形斜坡式Ⅱ型门槽。门槽错距比为0.06，斜坡比为1/10，圆角半径50mm。

图2 冲沙廊道事故闸门、工作闸门布置剖面

因水流含沙量大，为了减弱对流道和门槽的冲刷破坏，全流道增设了钢板衬砌，扩大保护范围，提高了门槽和流道的安全性。

闸门门槽布置见图3。

图3 闸门门槽布置

2.4 通气孔设置

在闸门关闭过程中，当闸门持续下降，流道后的水流泄空，闸门后将产生负压。因而，需在门后设置通气孔，以便快速补气，降低闸门后的负压。高水头工作闸门开启时，高速水流将门后的空气带走，形成负压区，如果补气不及时，负压严重时会引起门槽气蚀，同时闸门会发生剧烈的震动，影响闸门安全。

藏木水电站位于高寒地区，空气稀薄、含氧量低，为闸门设置足够面积、位置适宜、通气均匀、安全可靠的通气孔尤为重要。冲沙廊道的工作闸门为动水启闭，事故闸门为动水闭门，都有充分通气的要求，通气孔尺寸按相同规格设计。在具体设计上，通气孔面积按规范的半理论半经验公式计算之后作了适当放大。在水工结构设计时，采用多孔平行布置，沿宽度方向共设置3孔，单孔直径为φ325mm。运行中如果1孔被水流封堵，另外2孔还能够顺利补气，补气的安全性优于单孔设计。

2.5 闸门止水设计

平板闸门常用的止水型式有预压式和充压伸缩式两种。水头为61m，采用预压式止水可以满足密封要求。但由于闸门运行是在含沙量高的水中，如何防止泥沙乱入伸缩缝内影响密封止水效果是一个比较关键的技术问题。闸门在全开运行期，由于门槽内强烈的紊流作用不会有沙子沉积下来，但在闸门逐渐关闭的过程中，却有可能存在紊流挟沙从门槽内自下而上钻入止水伸缩缝隙内，从而影响止水效果。选用上游止水防止闸门运行期、关闭期泥沙进入并淤积到门槽内。

相比下游封水，上游封水因对闸门制作精度和门槽安装精度要求较高，封水效果通常要差一些。针对这个问题，在闸门制作和门槽安装的图纸中，均提出了比规范更严格的要求，力求保证止水效果。

上游止水的另一个问题是启闭过程中的顶水封会射水，引发闸门振动，进而影响闸门的启闭。在该闸门的设计中，采用了增高顶楣的方法来减少射水。通常顶楣高度在400mm～600mm之间，该顶楣的高度按孔口高度的一半1500mm设计，使得闸门在0.5开度之前顶水封和顶楣贴合运行，有效防止了闸门启闭过程中的大量射水现象。

考虑到水封长期运行在高水头、多泥沙环境中，对水封材料要求较高，结合藏木水电站其他闸门的水封设计，水封材料做了专门研究，选用了强度更高，弹性更好的材料。

2.6 支承结构

上游止水的工作和事故闸门，主支承宜设在下游侧。相比滑道支承，定轮支承摩擦力较小，节约启闭机容量，优点明显。闸门下游侧布置4套定轮。为保证闸门在高门槽中平稳行走，在闸门的边梁和压重箱顶梁外侧共设置6套悬臂侧轮作为限位支承。

2.7 闸门结构设计

根据计算，如果仅考虑常规挡水要求，闸门按双主梁结构即可。但考虑到闸门在高水头下动水操作的刚度和抗振要求，采用了全主梁结构设计，主梁最大间距不超过800mm，共布置4根主梁。在保证安全的基础上考虑到经济性，门叶结构主要材料采用Q235B。闸门整体制造、运输。

因水头高，尺寸小，闸门自重较小，闸门不能依靠自重闭门。卷扬式启闭机不能提供下压力，需为闸门增加配重。因门体内空间有限，常规的梁格内配重无法满足要求，采用了门顶压重箱的设计方式。为了检修方便，压重箱和闸门通过可拆卸的吊轴相连，同时，为了操作时的稳定性，压重箱和闸门之间采用了限位板固定。闸门及压重箱结构见图4。

图4 冲沙廊道闸门及压重箱结构

2.8 事故闸门充水方式

事故闸门的充水方式通常有三种方式：门顶充水阀充水、闸门整体小开度充水以及旁通阀充水。本工程由于孔口尺寸较小，门顶设置有加重箱，如果设置充水阀，闸门和加重箱不成整体，动水下门时容易晃动，不利于操作。因门槽高度高达60多米，采用旁通阀的话管路过长，检修不便，经济性不好。本工程虽然水头高，但闸门宽度较小，坝顶门式启闭机为变频电机，低速提升闸门约100mm充水，充水时水流速度可控，可采用小开度充水的方式平压。经综合考虑，选用小开度充水的平压方式较为合理。

2.9 启闭机设计

藏木水电站地处西藏，海拔高、风沙大、日照强、昼夜温差大，对启闭机的设计和制造有更高的要求。为了启闭机能够连续、安全、稳定运行，电气设备均选用了满足海拔4000m的高原型。

工作闸门用1000kN固定卷扬式启闭机操作，工作级别Q3-中，起升高度57m。考虑高原多风沙气候条件，起升机构采用闭式传动。滑轮组采用6倍率，钢丝绳4层缠绕，采用折线绳槽卷筒和返回挡环技术。对于高水头工作闸门，启闭速度对闸门启闭的稳定性相当重要，故电动机选用变频调速电机，重载时在0.2m/min～2m/min范围内运行，轻载或空载时可在4m/min以下运行。启闭机设置在高程为3314.00m的坝顶平台上，现地操作。

事故闸门用1600kN双向门机主钩配自动抓梁操作，工作级别Q3，总扬程79m。起升机构同样采用闭式传动。滑轮组采用6倍率，钢丝绳4层缠绕，采用折线绳槽卷筒和返回挡环技术。电动机选用变频调速电机，重载时在0.25m/min～2.5m/min范围内运行，轻载或空载时可在5m/min以下运行。

3 冲沙廊道工作闸门动力学原型观测

电站投产运行后，对冲沙廊道工作闸门进行了动力学原型观测。通过原型观测，取得了复杂冲沙廊道内工作闸门运行情况的基础资料。经过分析资料数据，对该类闸门的运行情况有了新的认识，可为该类闸门的设计提供参考建议。

3.1 原型观测的工作内容

冲沙廊道工作闸门的原型动力学观测内容包括：在不同的启闭速度(0.4m/min～2m/min)情况下，对闸门振动的加速度、动位移及其动应力、变形、启闭力等物理参数进行测量和分析，同时对风速、噪音及坝体振动进行观测。根据拟定的观测工况，通过对闸门动力学及相关水工建筑物振动数据的采集和分析，捕捉各效应量的变化规律，分析其异常现象和可能危及建筑物安全的因素，评价水工建筑物和闸门的工作性态。

3.1.1 闸门结构应力测量

重点研究门叶面板、横梁、纵梁及边梁吊耳板等结构部位的应力情况，共布置9个单向应变计和7个二向应变计，确保各测点应力能反映闸门主要构件的控制应力。

3.1.2 闸门结构振动测量

在闸门结构上布置7个三向振动加速度传感器，同时测试顺水流向﹑横向及竖向三个方向的振动量，以完整拾取闸门开启运行过程中在水动力荷载作用下闸门不同部位﹑不同方向的振动量。布置6个振动位移测点，以取得闸门结构运行过程中的振动位移。

3.1.3 相关特性测量

在闸门启闭过程中，对坝体振动、风速及噪音进行同步测试，分析闸门启闭的相关特性。振动测点布置在坝顶启闭机室及厂房内，门槽附近布置2个测点，6#机组发电机层和水轮机层各布置2个测点，共6个测点；风速测点布置在4#和5#闸门井内，共2个测点；噪音测点布置在门槽两侧，共2个测点。

以4#冲沙廊道工作闸门为观测对象，库水位从3306.40m到3309.20m变化，启门速度0.4m/min、1.0m/min、1.5m/min及2.0m/min四档变幅，组合观测。

3.2 原型观测的成果

3.2.1 闸门动应力

4#冲沙廊道工作闸门动水启闭过程中门体动应力响应随闸门开度的变化而变化，是一个非平稳随机过程。为了得到工作闸门启闭过程中各测点应力响应的统计特性，采用非平稳随机过程的数据处理方法对工作闸门应力响应进行处理。

相同库水位，不同启闭机速度工况，闸门面板、定轮边梁及下主横梁中部翼缘的应力值较大，最大应力值都在100.0MPa以上，应力脉动最大幅值都在10.0MPa以上。

不同库水位及启闭速度条件下，工作闸门动水启闭过程总体比较平稳，各测点应力曲线没有出现大幅的跳跃波动。动应力及脉动最大值与测点位置密切相关，受闸门启闭速度影响较小。库水位由3306.4m升至3309.2m时，各测点最大应力值增幅约为10.0MPa，应力脉动最大幅值相差不大。

库水位为3309.2m时，不同启闭速度下工作闸门动应力响应的最大值及应力脉动最大值见表1。

表1 4#冲沙廊道工作闸门启闭时门体应力值(MPa)

从表1中可以看出，工作闸门下主横梁后翼缘板中部Ya5测点动应力最大值为147.1MPa，最大脉动幅值为19.8MPa；门叶面板Yb9测点动应力最大值为124.3MPa，最大脉动幅值为16.3MPa；靠近定轮边梁腹板Yb4测点动应力最大值为114.0MPa，最大脉动幅值为8.1MPa。

以下主横梁后翼缘板中部Ya5测点应力为例，板厚为25mm，材质为Q235B，许用应力为150MPa，设计理论计算值为108.3MPa。最大应力测值为：147.1-19.8=127.3MPa。测点应力分布和设计理论相符合，最大应力值满足规范许用应力值。

以Ya5测点为例，动应力变化曲线图及应力脉动变化曲线图见图5-图8。

图5 库水位3309.2m、启门速度0.4m/min时应力变化曲线

图6 库水位3309.2m、启门速度0.4m/min时应力脉动变化曲线

图7 库水位3309.2m、启门速度2.0m/min时应力变化曲线

图8 库水位3309.2m、启门速度2.0m/min时应力脉动变化曲线

3.2.2 启闭力

4#冲沙廊道工作闸门在库水位3306.4m和3309.2m启闭时，启闭速度由0.4m/min变化到2.0m/min各工况下，启闭力最大值见表2。

表2 4#冲沙廊道工作闸门各工况启闭力最大值

库水位为3306.4m时，启闭速度由0.4m/min增至2.0m/min过程中，最大启门力由803kN增至875kN，增幅约9.0%，最大闭门力由666kN增至754kN，增幅约13.2%；库水位为3309.2m时，启闭速度由0.4m/min增至2.0m/min过程中，最大启门力由830kN增至1015kN，增幅约22.3%，最大闭门力由667kN增至796kN，增幅约19.3%。闸门在1.0m/min及以下速度启闭过程中，启闭力曲线较平稳，启闭机容量有一定的安全裕度；闸门以2.0m/min速度启闭时，启闭力曲线的波动幅度明显增大。

在库水位3309.2m，启闭速度0.4m/min和2.0m/min工况下，启闭力变化过程曲线见图9。

(a)启闭速度0.4m/min

(b)闭门速度0.4m/min

(c)启闭速度2.0m/min

(d)闭门速度2.0m/min

可以看出，相同库水位时，启闭速度越大，闸门的启闭力越大，启闭力变化的波动幅度也越大。在闸门设计规范启闭力计算的章节中，没有启闭速度对启闭力大小影响的说明，在以往水工钢结构的文献中，也未见相关内容。启闭速度对启闭力大小的影响，长期以来被业内专业人员忽视。本次原型观测的数据，证明随着启闭速度的提高，启闭力会增长，启闭速度偏高的时候，启闭力有可能会超过计算值。

在本工程中，设计水位为3310.00m，启闭机容量为1000kN。在库水位3309.2m，启闭速度2.0m/min时，最大启闭力达到1015kN，超过了设计值。从观测结果来看，该闸门在1.0m/min以下启闭，较为合适。

对于高水头定轮工作闸门，启闭机选用变频电机，便于在实际操作中调整启闭速度，是非常必要的。

3.2.3 闸门振动加速度

4#冲沙廊道工作闸门连续启闭过程中受到的水流动荷载随闸门开度变化，因而工作闸门在连续启闭过程中的振动加速度响应是一个非平稳随机的过程。工作闸门以不同速度启闭过程中，门体三个方向的振动加速度响应值以横向振动加速度较大，竖向及顺水流向略小。门体横向加速度较大值主要出现在闸门开度1.0m～2.0m范围，最大加速度为14.9m/s2；门体竖向及顺水流向加速度较大值主要出现在闸门开度2.5m附近，门体竖向最大加速度为8.8m/s2，顺水流向最大加速度为12.1m/s2。总体而言，工作闸门启闭过程中，启闭速度对门体加速度响应值影响不大，门体各方向加速度响应曲线较平稳，加速度响应值在大多数运行时段内均小于5m/s2，工作闸门的振动加速度属于较小范围。库水位3306.4m时，4#冲沙廊道工作闸门启闭时门体振动加速度最大值见表3。

表3 4#冲沙廊道工作闸门启闭时门体振动加速度最大值(m/s2)

3.2.4 闸门振动位移

4#冲沙廊道工作闸门连续启闭过程中振动位移响应与加速度响应相同，也是一个非平稳随机过程。工作闸门以不同速度启闭过程中，门体三个方向的振动位移响应值以竖向振动位移较大，顺水流向及横向振动位移较小，符合工作闸门竖向约束最弱振动位移较大、顺水流向和横向约束较强振动位移较小的特点。门体振动位移响应较大值主要出现在闸门开度2.0m～3.0m范围，其中门体竖向振动位移最大响应值为8.5mm，顺水流向最大位移响应值为4.0mm，横向最大位移响应值为4.2mm。总体而言，工作闸门启闭过程中，启闭速度对工作闸门振动位移影响也较小，门体各方向振动位移响应曲线较平稳，振动位移响应值在大多数运行时段内均小于1.0mm，工作闸门运行总体比较平稳。闸门振动主频小于2Hz，属于低频振动。库水位3306.4m时，4#冲沙廊道工作闸门启闭时门体振动位移最大值见表4。

表4 4#冲沙廊道工作闸门启闭时门体振动位移最大值(mm)

3.2.5 闸门井风速

4#冲沙廊道工作闸门启闭过程中，4#闸门井风速较小，实测风速未超过5m/s，属于微风级别。启闭速度0.4m/min、开度0～2m时，5#闸门井风速未超过5m/s；当开度大于2m后，5#闸门井风速明显增大，启门和闭门过程实测最大风速分别为16.0m/s和18.8m/s，大部分风速值未超过10m/s。5#闸门井风速随启闭速度增加略有增大，启闭速度2.0m/min时，启门过程中最大风速为18.1m/s，闭门过程中瞬时最大风速达26.6m/s，大部分风速值未超过15m/s。4#冲沙廊道工作闸门全开后，4#闸门井风速仍然较小，5#闸门井实测最大风速为21.7m/s，大部分风速值未超过15m/s，属于强风级别。

经分析：4#冲沙廊道工作闸门启闭时，4#闸门井及右侧1#-3#闸门井的水位高于廊道洞顶，没有补气需求，因此进气量和风速较小；左侧5#和6#闸门井的水位低于廊道洞顶，闸门井起到了补气作用，因此进气量和风速较大，5#闸门井风速大于6#闸门井。因此，当冲沙廊道某一孔运行前，应将左侧各孔的启闭机室大门打开，以便闸门井进气顺畅。