馮 奮

（甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，730000，蘭州）

一、工程概況

九甸峽水利樞紐為高壩大庫，根據(jù)水工建筑物的布置要求，在放空泄洪排沙洞、發(fā)電洞引水系統(tǒng)、溢洪洞、導(dǎo)流洞等建筑物的水道上布置了15孔閘、柵，金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備共設(shè)有攔污柵、閘門14扇，閘、柵槽埋件15套，啟閉、檢修設(shè)備12臺(套)。

九甸峽水利樞紐泄洪洞進口事故檢修門根據(jù)孔口特點，調(diào)整了以往高水頭事故檢修門多采用滾輪門的設(shè)計思路，進口水頭78m的事故檢修門型式采用滑動式平門，利用水柱閉門；出口水頭92m的工作閘門采用具有特色的偏心鉸弧門，滿足了水庫頻繁開啟調(diào)度、封水良好、檢修方便、運行安全可靠的要求。

二、泄洪排沙洞深孔閘門與啟閉機

泄洪排沙洞進口底板高程2 124 m，洞徑 6 m，洞長 440 m，明流出流，洞出口底板高程2 110 m，是樞紐建成后高程最低的水道。

1.泄洪排沙洞進口事故檢修閘門

事故檢修閘門位于隧洞進口，封堵的孔口尺寸為4.8 m×6m（寬×高），設(shè)計水頭按水庫的正常蓄水位2 202 m計，圓整后為78 m，總水壓力為30 870 kN。以往高水頭事故檢修門多采用滾輪支承，對于九甸峽水利樞紐泄洪洞進口事故檢修門的設(shè)計，通過詳細分析閘門的孔口尺寸和承壓水頭，對閘門采用滾輪支承和滑動支承進行了布置比較，從閘門及埋件的制造、安裝難度及所配置的啟閉設(shè)備的容量、運行，經(jīng)過經(jīng)濟、技術(shù)綜合分析，最終確定采用平板滑動鋼閘門配設(shè)高揚程大容量啟閉機的方案。門葉為箱形主梁等高齊平連接的焊接結(jié)構(gòu)。閘門利用水柱動水閉門，頂、側(cè)止水設(shè)在閘門的下游面，底止水設(shè)在上游面板上。頂、側(cè)水封采用高水頭φ60 mm圓頭“P”形水封橡皮，底水封采用平板橡皮。主支承采用新型復(fù)合材料NL150滑道。閘門的操作方式為動水閉門，靜水啟門，利用門槽下游側(cè)專設(shè)的大口徑φ800 mm充水閥充水平壓，當(dāng)閘門前后水位差小于2 m時啟門。閘門側(cè)導(dǎo)向裝置為懸臂式滾輪，設(shè)在邊梁的腹板上，在門槽側(cè)軌上支撐運行。

閘門門槽型式為Ⅱ型門槽，為防止高速水流對門槽埋件的空蝕破壞，門楣以下上下游均采用鋼板襯護?；炷敛捎每够湍サ母邚娀炷?。為了保證閘門啟閉無卡阻，門槽埋件采取通到墩頂設(shè)計。事故檢修閘門采用1臺高揚程平門固定卷揚式啟閉機操作，啟閉機布置在豎井頂部2 219.50 m高程啟閉機房內(nèi)，其容量為6 000 kN，起升高度 86 m，并配設(shè) 1臺 500 kN橋式起重機滿足檢修吊裝需要。

2.泄洪排沙洞出口工作弧門

(1)偏心鉸弧門的選取

泄洪排沙洞出口設(shè)置1扇工作閘門，孔口尺寸 5 m×5 m(寬×高)，設(shè)計水頭為92 m。工作門具有孔口較大、承壓水頭高、運行工況復(fù)雜的特點，要滿足閘門全關(guān)時止水嚴(yán)密的要求，還要滿足閘門局部開啟及閘門啟閉過程中止水摩阻力最小的要求，在此工況下常規(guī)的閘門止水型式已不能滿足要求。參考國內(nèi)工程實例，經(jīng)過對止水型式比選研究，采用偏心鉸支承能滿足在92 m高水頭下所需止水結(jié)構(gòu)的伸縮量大，且在設(shè)計水頭下閘門能局部開啟運行，且偏心鉸還可靈活地使閘門面板與止水壓緊或脫開，具有減小啟閉力及止水元件磨損等優(yōu)點。通過分析對比，出口工作閘門選用水流條件好、所需啟閉力較小的偏心鉸弧門作為主控制設(shè)備。

（2）閘門水力學(xué)研究和體型

為便于布置閘門止水及摻氣減蝕，偏心鉸弧門門槽段布置為突擴式跌坎體型。泄洪洞出口局部流速高達37.9 m/s，突擴式跌坎段后的高速水流空化、空蝕，是關(guān)系到整個泄洪洞能否正常運行的重要問題。為防止出口突擴段高速水流空化、空蝕，委托西北水利科學(xué)研究所進行了Lr=28的減壓模型實驗，對出口門槽段突擴式跌坎體型的合理性及空化特性進行了驗證，在閘門全開工況下，由于突擴跌坎體型的影響，出口側(cè)擴水流沖擊側(cè)墻產(chǎn)生水翅，較高水位下突擴跌坎處側(cè)擴射流與邊壁間形成側(cè)空腔，底部射流與底板間形成底空腔，側(cè)、底空腔相互聯(lián)通。根據(jù)試驗結(jié)果，通過4個方案的體型優(yōu)化試驗，對閘門全開工況及不同局開開度工況下的水流流態(tài)、水面線、壓力特性、通氣孔風(fēng)速及摻氣濃度、空化特性提供了試驗數(shù)據(jù)及影響分析。最終確定門槽孔口頂部為1∶6的壓坡，突擴寬度為△b=0.8m，跌坎高度 1.0 m，后接 1∶8 的一級變坡，閘墩兩側(cè)壁各設(shè)有1900mm×500 mm的通氣孔直通底坎空腔，緊靠底坎部位兩側(cè)壁上各設(shè)φ800mm的通氣管為底部補氣。試驗驗證了易產(chǎn)生空化破壞的區(qū)域，同時對局開工況及小開度泄流時所產(chǎn)生的激濺水花對支鉸部位的沖擊情況進行了研究，為后續(xù)的設(shè)計提供了依據(jù)。

（3）閘門設(shè)計

泄洪排沙洞出口偏心鉸弧門設(shè)計水頭92 m，總水壓力38 300 kN。采用偏心鉸壓緊式止水，利用偏心原理，借助偏心鉸拐臂操作機構(gòu)，推動閘門壓緊設(shè)置在埋件上的止水，達到封水目的。偏心鉸弧門的結(jié)構(gòu)特點是：門葉前移的位移量可以很精確地由機械裝置來實現(xiàn)，布置在埋件四周的止水橡皮的斷面剛度較大。閘門靠機械力量前移，壓緊止水橡皮至設(shè)計壓縮量，從而嚴(yán)密封水。局開運行時，液壓啟閉機同時對閘門具有抑制震動的作用。偏心鉸弧門采用兩套止水，主止水為“山”形水封，布置在框形門槽埋件四周，用不銹鋼螺栓及壓板將其固定，輔助止水由門葉兩側(cè)預(yù)壓式止水和門楣轉(zhuǎn)鉸止水組成。為了保證主止水的效果，閘門面板要求整體機加工。工作門是直支臂圓柱鉸，門葉與支臂、支臂與鉸鏈用高強螺栓連接?；￠T的弧面半徑為8 000 mm，支鉸高度為5 900 mm，門葉的支承跨度為3 600 mm。門葉是雙主橫梁框架，主橫梁為箱式梁，與次梁等高齊平連接結(jié)構(gòu)。為防止含沙高速水流對閘槽埋件的沖刷磨損及空蝕破壞，對閘室段上下游底、側(cè)作了鋼板全襯護方案。

委托河海大學(xué)對泄洪洞工作弧門及水工結(jié)構(gòu)布置進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和三維有限元靜力、動力仿真計算研究，為施工圖設(shè)計及安全運行提供依據(jù)。仿真計算選用ANSYS有限元分析軟件，模擬閘門真實工況，采用空間梁、空間桿、空間殼等單元模型，建立弧門的薄殼結(jié)構(gòu)精細有限元計算模型，同時與閘室、牛腿受力部分建立了三維有限元整體耦合分析模型，進行整體計算分析。根據(jù)弧門受力后的位移變形分析，對各種工況下主梁的最大撓度進行了校核計算分析。對弧門在不同水頭、不同開度工況下的動力特性進行了計算分析，為閘門的局開安全運行提供了依據(jù)。對偏心鉸弧門常規(guī)運行狀態(tài)下全關(guān)及全開時的啟閉力進行了復(fù)核計算。全關(guān)狀態(tài)最大水頭作用時，啟門力為1845kN，全開狀態(tài)啟門力為1672kN。

(4)偏心鉸參數(shù)的確定

偏心鉸的偏心半徑、偏心角度和偏心位置為偏心鉸弧門設(shè)計中3個重要的偏心參數(shù)。選擇偏心參數(shù)主要遵循的原則是在保證弧門所需徑向偏移量的前提下，減少副機的容量和行程，并使閘門弧面面板脫開主水封的間隙盡量均勻?；￠T徑向偏移量是由主止水最大壓縮量和弧面板與主止水脫開后的間隙組成，在偏移量一定的條件下，偏心半徑的大小直接影響副機的啟閉容量。根據(jù)國內(nèi)外已建工程弧面板與主水封的間隙一般為20～60 mm,九甸峽水利樞紐泄洪洞偏心鉸弧門最后確定的間隙為23 mm，偏心半徑取r=50 mm，偏心軸轉(zhuǎn)角為60°?；￠T后撤徑向位移為50 mm，止水整體壓縮比較均勻。

(5)啟閉設(shè)備選型及布置

弧形閘門的主提升設(shè)備采用1臺能施加下壓力且吸振性能較好的QHSY-3000/1000kN-6.2m （主機）液壓啟閉機操作，偏心鉸操作機構(gòu)采用1臺QHSY-3000/1000kN-2m （副機）液壓啟閉機操作。主、副機共用一套液壓泵站，布設(shè)在放空泄洪排沙洞出口2 125.30 m高程的啟閉機房內(nèi)，液壓站采用雙電源作動力保證?；￠T可在現(xiàn)地控制或在集控室遠方控制。現(xiàn)地控制采用PLC可編程控制器控制。在啟閉機房內(nèi)配置了320 kN/100 kN橋式起重機1臺，便于兩臺液壓啟閉機及閘門檢修吊運。

三、泄洪排沙洞深孔閘門的設(shè)計特點及應(yīng)用

①泄洪洞出口采用偏心鉸弧形閘門，承壓水頭92 m，自投入運行10年來經(jīng)歷了全開、局開運行，至今狀況良好。該閘門設(shè)計、制造、安裝均達到國內(nèi)較好水平，也為高水頭下閘門采用突擴式門槽和偏心鉸弧門的設(shè)計及應(yīng)用提供了經(jīng)驗和參考。

②泄洪洞進口事故檢修門調(diào)整了以往較高水頭閘門采用滾輪門的思路，78 m高水頭下閘門采用滑動型式，利用水柱閉門。操作設(shè)備選用6 000 kN、起升高度86 m的高揚程大容量卷揚啟閉機操作，在國內(nèi)單機本系列產(chǎn)品參數(shù)中名列前茅。投入運行近10年，運行狀況良好，為以后高水頭下平板閘門的設(shè)計及應(yīng)用提供了經(jīng)驗和參考。 ■

參考文獻：

[1]盧泰山,南曉紅.九甸峽水利工程樞紐右岸泄洪洞減壓模型試驗報告［R］.楊凌:水利部西北水利科學(xué)研究所實驗中心,2006.

[2]張燎軍,錢聲源.九甸峽右岸泄洪洞弧形閘門和閘室結(jié)構(gòu)靜動力仿真分析研究［R］.南京:河海大學(xué)水利水電工程學(xué)院,2006.

[3]尹成運,楊兵.九甸峽水利樞紐工程偏心鉸弧門設(shè)計 [A]//水工機械技術(shù)2011 年論文集［C］.北京:中國水利水電出版社,2011.