賈愛(ài)軍，姚孟瑩，劉永勝

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都，610072)

1 工程概況

藏木水電站主要任務(wù)是發(fā)電，裝機(jī)6臺(tái)，總裝機(jī)容量為510MW。工程規(guī)模為大(2)型，工程采用混凝土重力壩型，最大壩高116m。電站樞紐建筑物主要由攔河大壩、泄洪消能防沖、排沙、發(fā)電廠房、魚(yú)道等建筑物組成[1]。2014年11月首臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電。

藏木水電站水庫(kù)庫(kù)容小，沙量大，水庫(kù)泥沙淤積速度快，排沙問(wèn)題非常突出。為滿足沖沙要求，在廠房擋水壩段布置左右兩個(gè)沖沙底孔和一個(gè)沖沙廊道。受工程布置所限，沖沙廊道設(shè)計(jì)為6個(gè)沖沙進(jìn)口匯聚至單一廊道的復(fù)雜系統(tǒng)。沖沙廊道進(jìn)口位于進(jìn)水口下方，尺寸均為3m×3m，底板高程3249.00m。水工模型試驗(yàn)表明，左右沖沙底孔和沖沙廊道聯(lián)合排沙，效果良好[2]。電站為壩后式廠房，沖沙廊道平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 沖沙廊道平面布置

這種六匯一的布置型式，沖沙孔進(jìn)口與廊道連接過(guò)渡段較短，各孔間水流會(huì)相互影響，各孔水流流量不均勻，水流流動(dòng)較為復(fù)雜，流態(tài)變化急遽[3]。藏木水電站下游水位約為3249.00m，沖沙主廊道出口高程為3238.50m，為淹沒(méi)出流，廊道內(nèi)處于半水淹狀態(tài)，水力學(xué)條件復(fù)雜多變，閘門(mén)的運(yùn)行工況十分惡劣。

由此帶來(lái)閘門(mén)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)問(wèn)題：

(1)因運(yùn)行水頭高，流速大，水流含沙量大，對(duì)閘門(mén)門(mén)槽及底板部分的抗磨、防空蝕提出較高的要求。

(2)六匯一的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致閘門(mén)前后流態(tài)復(fù)雜，不利的水動(dòng)力作用強(qiáng)烈，對(duì)閘門(mén)結(jié)構(gòu)的安全提出了很高的要求。

(3)多泥沙條件下運(yùn)行，對(duì)閘門(mén)門(mén)槽、閘門(mén)面板、止水結(jié)構(gòu)等具體設(shè)計(jì)均提出較高要求。

(4)相同上下游水位條件下，各孔閘門(mén)實(shí)際運(yùn)行條件差別較大，對(duì)各孔閘門(mén)的合理運(yùn)行調(diào)度有特殊要求。

(5)高原條件下，如何確定高水頭平板工作閘門(mén)的合理啟閉速度，無(wú)歷史經(jīng)驗(yàn)可供參考。

(6)高原氣候條件下，對(duì)啟閉機(jī)的設(shè)計(jì)有特殊要求。

2 沖沙廊道閘門(mén)設(shè)計(jì)

由于復(fù)雜的沖沙廊道的布置給閘門(mén)設(shè)計(jì)帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)，通過(guò)門(mén)型和啟閉機(jī)選擇、門(mén)槽設(shè)計(jì)、閘門(mén)結(jié)構(gòu)布置、壓重箱和門(mén)葉整體布置、閘門(mén)止水專門(mén)研究、支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、通氣孔的設(shè)置等多方面的綜合技術(shù)保證閘門(mén)及啟閉機(jī)的安全運(yùn)行。

2.1 門(mén)型選擇

高水頭泄水孔工作閘門(mén)一般設(shè)置在出口位置，并優(yōu)先選用弧形閘門(mén)。藏木水電站沖沙廊道為六匯一結(jié)構(gòu)，為便于廠房進(jìn)水口排沙，工作閘門(mén)需設(shè)置在沖沙廊道進(jìn)口位置，因進(jìn)口段為有壓流，無(wú)法設(shè)置弧形閘門(mén)，故工作閘門(mén)采用平面閘門(mén)。為避免梁格內(nèi)淤沙，面板及止水設(shè)置在上游側(cè)，支承為定輪，設(shè)在下游側(cè)。工作閘門(mén)每孔1扇，共6扇。

依據(jù)《水電工程鋼閘門(mén)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：“在泄水孔(洞)工作閘門(mén)的上游側(cè)應(yīng)設(shè)置事故閘門(mén)”，在工作閘門(mén)前布置一套事故閘門(mén)，事故閘門(mén)6孔共用1扇門(mén)葉。事故閘門(mén)和工作閘門(mén)孔口尺寸相同，為設(shè)計(jì)、制造方便，事故閘門(mén)和工作閘門(mén)采用相同結(jié)構(gòu)型式。

2.2 啟閉機(jī)選擇

事故閘門(mén)6孔共用1扇，采用門(mén)機(jī)通過(guò)抓梁操作，門(mén)機(jī)和進(jìn)水口閘門(mén)共用。

工作閘門(mén)啟閉機(jī)有3種布置方式：一是采用液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，啟閉機(jī)設(shè)在壩頂，通過(guò)拉桿操作閘門(mén)；二是液壓?jiǎn)㈤]機(jī)設(shè)置在洞內(nèi)，采用高壓密封門(mén)槽，啟閉機(jī)直接操作閘門(mén)；三是采用高揚(yáng)程固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)直接操作閘門(mén)。

采用液壓?jiǎn)㈤]機(jī)通過(guò)拉桿操作，拉桿節(jié)數(shù)多，操作和維修不便；采用液壓?jiǎn)㈤]機(jī)結(jié)合高壓密封門(mén)槽，閘門(mén)啟閉時(shí)穩(wěn)定性好，但工程造價(jià)增加很多，檢修不便；采用高揚(yáng)程固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)直接操作的布置方案更合理。

沖沙廊道事故閘門(mén)、工作閘門(mén)及啟閉機(jī)布置剖面圖見(jiàn)圖2。

2.3 門(mén)槽設(shè)計(jì)

在正常蓄水位，開(kāi)啟沖沙廊道閘門(mén)時(shí)，進(jìn)口最大流速為26m/s，為高速水流。平面閘門(mén)在高速水流作用下，由于門(mén)槽段邊界突變，將產(chǎn)生局部壓力降，形成空化現(xiàn)象，導(dǎo)致空蝕破壞[3]。為避免門(mén)槽空蝕破壞，事故閘門(mén)和工作閘門(mén)門(mén)槽均選用帶錯(cuò)距的矩形斜坡式Ⅱ型門(mén)槽。門(mén)槽錯(cuò)距比為0.06，斜坡比為1/10，圓角半徑50mm。

圖2 沖沙廊道事故閘門(mén)、工作閘門(mén)布置剖面

因水流含沙量大，為了減弱對(duì)流道和門(mén)槽的沖刷破壞，全流道增設(shè)了鋼板襯砌，擴(kuò)大保護(hù)范圍，提高了門(mén)槽和流道的安全性。

閘門(mén)門(mén)槽布置見(jiàn)圖3。

圖3 閘門(mén)門(mén)槽布置

2.4 通氣孔設(shè)置

在閘門(mén)關(guān)閉過(guò)程中，當(dāng)閘門(mén)持續(xù)下降，流道后的水流泄空，閘門(mén)后將產(chǎn)生負(fù)壓。因而，需在門(mén)后設(shè)置通氣孔，以便快速補(bǔ)氣，降低閘門(mén)后的負(fù)壓。高水頭工作閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)，高速水流將門(mén)后的空氣帶走，形成負(fù)壓區(qū)，如果補(bǔ)氣不及時(shí)，負(fù)壓嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起門(mén)槽氣蝕，同時(shí)閘門(mén)會(huì)發(fā)生劇烈的震動(dòng)，影響閘門(mén)安全。

藏木水電站位于高寒地區(qū)，空氣稀薄、含氧量低，為閘門(mén)設(shè)置足夠面積、位置適宜、通氣均勻、安全可靠的通氣孔尤為重要。沖沙廊道的工作閘門(mén)為動(dòng)水啟閉，事故閘門(mén)為動(dòng)水閉門(mén)，都有充分通氣的要求，通氣孔尺寸按相同規(guī)格設(shè)計(jì)。在具體設(shè)計(jì)上，通氣孔面積按規(guī)范的半理論半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算之后作了適當(dāng)放大。在水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，采用多孔平行布置，沿寬度方向共設(shè)置3孔，單孔直徑為φ325mm。運(yùn)行中如果1孔被水流封堵，另外2孔還能夠順利補(bǔ)氣，補(bǔ)氣的安全性優(yōu)于單孔設(shè)計(jì)。

2.5 閘門(mén)止水設(shè)計(jì)

平板閘門(mén)常用的止水型式有預(yù)壓式和充壓伸縮式兩種。水頭為61m，采用預(yù)壓式止水可以滿足密封要求。但由于閘門(mén)運(yùn)行是在含沙量高的水中，如何防止泥沙亂入伸縮縫內(nèi)影響密封止水效果是一個(gè)比較關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題。閘門(mén)在全開(kāi)運(yùn)行期，由于門(mén)槽內(nèi)強(qiáng)烈的紊流作用不會(huì)有沙子沉積下來(lái)，但在閘門(mén)逐漸關(guān)閉的過(guò)程中，卻有可能存在紊流挾沙從門(mén)槽內(nèi)自下而上鉆入止水伸縮縫隙內(nèi)，從而影響止水效果。選用上游止水防止閘門(mén)運(yùn)行期、關(guān)閉期泥沙進(jìn)入并淤積到門(mén)槽內(nèi)。

相比下游封水，上游封水因?qū)﹂l門(mén)制作精度和門(mén)槽安裝精度要求較高，封水效果通常要差一些。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，在閘門(mén)制作和門(mén)槽安裝的圖紙中，均提出了比規(guī)范更嚴(yán)格的要求，力求保證止水效果。

上游止水的另一個(gè)問(wèn)題是啟閉過(guò)程中的頂水封會(huì)射水，引發(fā)閘門(mén)振動(dòng)，進(jìn)而影響閘門(mén)的啟閉。在該閘門(mén)的設(shè)計(jì)中，采用了增高頂楣的方法來(lái)減少射水。通常頂楣高度在400mm～600mm之間，該頂楣的高度按孔口高度的一半1500mm設(shè)計(jì)，使得閘門(mén)在0.5開(kāi)度之前頂水封和頂楣貼合運(yùn)行，有效防止了閘門(mén)啟閉過(guò)程中的大量射水現(xiàn)象。

考慮到水封長(zhǎng)期運(yùn)行在高水頭、多泥沙環(huán)境中，對(duì)水封材料要求較高，結(jié)合藏木水電站其他閘門(mén)的水封設(shè)計(jì)，水封材料做了專門(mén)研究，選用了強(qiáng)度更高，彈性更好的材料。

2.6 支承結(jié)構(gòu)

上游止水的工作和事故閘門(mén)，主支承宜設(shè)在下游側(cè)。相比滑道支承，定輪支承摩擦力較小，節(jié)約啟閉機(jī)容量，優(yōu)點(diǎn)明顯。閘門(mén)下游側(cè)布置4套定輪。為保證閘門(mén)在高門(mén)槽中平穩(wěn)行走，在閘門(mén)的邊梁和壓重箱頂梁外側(cè)共設(shè)置6套懸臂側(cè)輪作為限位支承。

2.7 閘門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)計(jì)算，如果僅考慮常規(guī)擋水要求，閘門(mén)按雙主梁結(jié)構(gòu)即可。但考慮到閘門(mén)在高水頭下動(dòng)水操作的剛度和抗振要求，采用了全主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主梁最大間距不超過(guò)800mm，共布置4根主梁。在保證安全的基礎(chǔ)上考慮到經(jīng)濟(jì)性，門(mén)葉結(jié)構(gòu)主要材料采用Q235B。閘門(mén)整體制造、運(yùn)輸。

因水頭高，尺寸小，閘門(mén)自重較小，閘門(mén)不能依靠自重閉門(mén)。卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)不能提供下壓力，需為閘門(mén)增加配重。因門(mén)體內(nèi)空間有限，常規(guī)的梁格內(nèi)配重?zé)o法滿足要求，采用了門(mén)頂壓重箱的設(shè)計(jì)方式。為了檢修方便，壓重箱和閘門(mén)通過(guò)可拆卸的吊軸相連，同時(shí)，為了操作時(shí)的穩(wěn)定性，壓重箱和閘門(mén)之間采用了限位板固定。閘門(mén)及壓重箱結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 沖沙廊道閘門(mén)及壓重箱結(jié)構(gòu)

2.8 事故閘門(mén)充水方式

事故閘門(mén)的充水方式通常有三種方式：門(mén)頂充水閥充水、閘門(mén)整體小開(kāi)度充水以及旁通閥充水。本工程由于孔口尺寸較小，門(mén)頂設(shè)置有加重箱，如果設(shè)置充水閥，閘門(mén)和加重箱不成整體，動(dòng)水下門(mén)時(shí)容易晃動(dòng)，不利于操作。因門(mén)槽高度高達(dá)60多米，采用旁通閥的話管路過(guò)長(zhǎng)，檢修不便，經(jīng)濟(jì)性不好。本工程雖然水頭高，但閘門(mén)寬度較小，壩頂門(mén)式啟閉機(jī)為變頻電機(jī)，低速提升閘門(mén)約100mm充水，充水時(shí)水流速度可控，可采用小開(kāi)度充水的方式平壓。經(jīng)綜合考慮，選用小開(kāi)度充水的平壓方式較為合理。

2.9 啟閉機(jī)設(shè)計(jì)

藏木水電站地處西藏，海拔高、風(fēng)沙大、日照強(qiáng)、晝夜溫差大，對(duì)啟閉機(jī)的設(shè)計(jì)和制造有更高的要求。為了啟閉機(jī)能夠連續(xù)、安全、穩(wěn)定運(yùn)行，電氣設(shè)備均選用了滿足海拔4000m的高原型。

工作閘門(mén)用1000kN固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)操作，工作級(jí)別Q3-中，起升高度57m。考慮高原多風(fēng)沙氣候條件，起升機(jī)構(gòu)采用閉式傳動(dòng)?；喗M采用6倍率，鋼絲繩4層纏繞，采用折線繩槽卷筒和返回?fù)醐h(huán)技術(shù)。對(duì)于高水頭工作閘門(mén)，啟閉速度對(duì)閘門(mén)啟閉的穩(wěn)定性相當(dāng)重要，故電動(dòng)機(jī)選用變頻調(diào)速電機(jī)，重載時(shí)在0.2m/min～2m/min范圍內(nèi)運(yùn)行，輕載或空載時(shí)可在4m/min以下運(yùn)行。啟閉機(jī)設(shè)置在高程為3314.00m的壩頂平臺(tái)上，現(xiàn)地操作。

事故閘門(mén)用1600kN雙向門(mén)機(jī)主鉤配自動(dòng)抓梁操作，工作級(jí)別Q3，總揚(yáng)程79m。起升機(jī)構(gòu)同樣采用閉式傳動(dòng)?；喗M采用6倍率，鋼絲繩4層纏繞，采用折線繩槽卷筒和返回?fù)醐h(huán)技術(shù)。電動(dòng)機(jī)選用變頻調(diào)速電機(jī)，重載時(shí)在0.25m/min～2.5m/min范圍內(nèi)運(yùn)行，輕載或空載時(shí)可在5m/min以下運(yùn)行。

3 沖沙廊道工作閘門(mén)動(dòng)力學(xué)原型觀測(cè)

電站投產(chǎn)運(yùn)行后，對(duì)沖沙廊道工作閘門(mén)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)原型觀測(cè)。通過(guò)原型觀測(cè)，取得了復(fù)雜沖沙廊道內(nèi)工作閘門(mén)運(yùn)行情況的基礎(chǔ)資料。經(jīng)過(guò)分析資料數(shù)據(jù)，對(duì)該類閘門(mén)的運(yùn)行情況有了新的認(rèn)識(shí)，可為該類閘門(mén)的設(shè)計(jì)提供參考建議。

3.1 原型觀測(cè)的工作內(nèi)容

沖沙廊道工作閘門(mén)的原型動(dòng)力學(xué)觀測(cè)內(nèi)容包括：在不同的啟閉速度(0.4m/min～2m/min)情況下，對(duì)閘門(mén)振動(dòng)的加速度、動(dòng)位移及其動(dòng)應(yīng)力、變形、啟閉力等物理參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和分析，同時(shí)對(duì)風(fēng)速、噪音及壩體振動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)。根據(jù)擬定的觀測(cè)工況，通過(guò)對(duì)閘門(mén)動(dòng)力學(xué)及相關(guān)水工建筑物振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集和分析，捕捉各效應(yīng)量的變化規(guī)律，分析其異?，F(xiàn)象和可能危及建筑物安全的因素，評(píng)價(jià)水工建筑物和閘門(mén)的工作性態(tài)。

3.1.1 閘門(mén)結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)量

重點(diǎn)研究門(mén)葉面板、橫梁、縱梁及邊梁吊耳板等結(jié)構(gòu)部位的應(yīng)力情況，共布置9個(gè)單向應(yīng)變計(jì)和7個(gè)二向應(yīng)變計(jì)，確保各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力能反映閘門(mén)主要構(gòu)件的控制應(yīng)力。

3.1.2 閘門(mén)結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)量

在閘門(mén)結(jié)構(gòu)上布置7個(gè)三向振動(dòng)加速度傳感器，同時(shí)測(cè)試順?biāo)飨颟p橫向及豎向三個(gè)方向的振動(dòng)量，以完整拾取閘門(mén)開(kāi)啟運(yùn)行過(guò)程中在水動(dòng)力荷載作用下閘門(mén)不同部位﹑不同方向的振動(dòng)量。布置6個(gè)振動(dòng)位移測(cè)點(diǎn)，以取得閘門(mén)結(jié)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)位移。

3.1.3 相關(guān)特性測(cè)量

在閘門(mén)啟閉過(guò)程中，對(duì)壩體振動(dòng)、風(fēng)速及噪音進(jìn)行同步測(cè)試，分析閘門(mén)啟閉的相關(guān)特性。振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置在壩頂啟閉機(jī)室及廠房?jī)?nèi)，門(mén)槽附近布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，6#機(jī)組發(fā)電機(jī)層和水輪機(jī)層各布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，共6個(gè)測(cè)點(diǎn)；風(fēng)速測(cè)點(diǎn)布置在4#和5#閘門(mén)井內(nèi)，共2個(gè)測(cè)點(diǎn)；噪音測(cè)點(diǎn)布置在門(mén)槽兩側(cè)，共2個(gè)測(cè)點(diǎn)。

以4#沖沙廊道工作閘門(mén)為觀測(cè)對(duì)象，庫(kù)水位從3306.40m到3309.20m變化，啟門(mén)速度0.4m/min、1.0m/min、1.5m/min及2.0m/min四檔變幅，組合觀測(cè)。

3.2 原型觀測(cè)的成果

3.2.1 閘門(mén)動(dòng)應(yīng)力

4#沖沙廊道工作閘門(mén)動(dòng)水啟閉過(guò)程中門(mén)體動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)隨閘門(mén)開(kāi)度的變化而變化，是一個(gè)非平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程。為了得到工作閘門(mén)啟閉過(guò)程中各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)特性，采用非平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程的數(shù)據(jù)處理方法對(duì)工作閘門(mén)應(yīng)力響應(yīng)進(jìn)行處理。

相同庫(kù)水位，不同啟閉機(jī)速度工況，閘門(mén)面板、定輪邊梁及下主橫梁中部翼緣的應(yīng)力值較大，最大應(yīng)力值都在100.0MPa以上，應(yīng)力脈動(dòng)最大幅值都在10.0MPa以上。

不同庫(kù)水位及啟閉速度條件下，工作閘門(mén)動(dòng)水啟閉過(guò)程總體比較平穩(wěn)，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力曲線沒(méi)有出現(xiàn)大幅的跳躍波動(dòng)。動(dòng)應(yīng)力及脈動(dòng)最大值與測(cè)點(diǎn)位置密切相關(guān)，受閘門(mén)啟閉速度影響較小。庫(kù)水位由3306.4m升至3309.2m時(shí)，各測(cè)點(diǎn)最大應(yīng)力值增幅約為10.0MPa，應(yīng)力脈動(dòng)最大幅值相差不大。

庫(kù)水位為3309.2m時(shí)，不同啟閉速度下工作閘門(mén)動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)的最大值及應(yīng)力脈動(dòng)最大值見(jiàn)表1。

表1 4#沖沙廊道工作閘門(mén)啟閉時(shí)門(mén)體應(yīng)力值(MPa)

從表1中可以看出，工作閘門(mén)下主橫梁后翼緣板中部Ya5測(cè)點(diǎn)動(dòng)應(yīng)力最大值為147.1MPa，最大脈動(dòng)幅值為19.8MPa；門(mén)葉面板Yb9測(cè)點(diǎn)動(dòng)應(yīng)力最大值為124.3MPa，最大脈動(dòng)幅值為16.3MPa；靠近定輪邊梁腹板Yb4測(cè)點(diǎn)動(dòng)應(yīng)力最大值為114.0MPa，最大脈動(dòng)幅值為8.1MPa。

以下主橫梁后翼緣板中部Ya5測(cè)點(diǎn)應(yīng)力為例，板厚為25mm，材質(zhì)為Q235B，許用應(yīng)力為150MPa，設(shè)計(jì)理論計(jì)算值為108.3MPa。最大應(yīng)力測(cè)值為：147.1-19.8=127.3MPa。測(cè)點(diǎn)應(yīng)力分布和設(shè)計(jì)理論相符合，最大應(yīng)力值滿足規(guī)范許用應(yīng)力值。

以Ya5測(cè)點(diǎn)為例，動(dòng)應(yīng)力變化曲線圖及應(yīng)力脈動(dòng)變化曲線圖見(jiàn)圖5-圖8。

圖5 庫(kù)水位3309.2m、啟門(mén)速度0.4m/min時(shí)應(yīng)力變化曲線

圖6 庫(kù)水位3309.2m、啟門(mén)速度0.4m/min時(shí)應(yīng)力脈動(dòng)變化曲線

圖7 庫(kù)水位3309.2m、啟門(mén)速度2.0m/min時(shí)應(yīng)力變化曲線

圖8 庫(kù)水位3309.2m、啟門(mén)速度2.0m/min時(shí)應(yīng)力脈動(dòng)變化曲線

3.2.2 啟閉力

4#沖沙廊道工作閘門(mén)在庫(kù)水位3306.4m和3309.2m啟閉時(shí)，啟閉速度由0.4m/min變化到2.0m/min各工況下，啟閉力最大值見(jiàn)表2。

表2 4#沖沙廊道工作閘門(mén)各工況啟閉力最大值

庫(kù)水位為3306.4m時(shí)，啟閉速度由0.4m/min增至2.0m/min過(guò)程中，最大啟門(mén)力由803kN增至875kN，增幅約9.0%，最大閉門(mén)力由666kN增至754kN，增幅約13.2%；庫(kù)水位為3309.2m時(shí)，啟閉速度由0.4m/min增至2.0m/min過(guò)程中，最大啟門(mén)力由830kN增至1015kN，增幅約22.3%，最大閉門(mén)力由667kN增至796kN，增幅約19.3%。閘門(mén)在1.0m/min及以下速度啟閉過(guò)程中，啟閉力曲線較平穩(wěn)，啟閉機(jī)容量有一定的安全裕度；閘門(mén)以2.0m/min速度啟閉時(shí)，啟閉力曲線的波動(dòng)幅度明顯增大。

在庫(kù)水位3309.2m，啟閉速度0.4m/min和2.0m/min工況下，啟閉力變化過(guò)程曲線見(jiàn)圖9。

(a)啟閉速度0.4m/min

(b)閉門(mén)速度0.4m/min

(c)啟閉速度2.0m/min

(d)閉門(mén)速度2.0m/min

可以看出，相同庫(kù)水位時(shí)，啟閉速度越大，閘門(mén)的啟閉力越大，啟閉力變化的波動(dòng)幅度也越大。在閘門(mén)設(shè)計(jì)規(guī)范啟閉力計(jì)算的章節(jié)中，沒(méi)有啟閉速度對(duì)啟閉力大小影響的說(shuō)明，在以往水工鋼結(jié)構(gòu)的文獻(xiàn)中，也未見(jiàn)相關(guān)內(nèi)容。啟閉速度對(duì)啟閉力大小的影響，長(zhǎng)期以來(lái)被業(yè)內(nèi)專業(yè)人員忽視。本次原型觀測(cè)的數(shù)據(jù)，證明隨著啟閉速度的提高，啟閉力會(huì)增長(zhǎng)，啟閉速度偏高的時(shí)候，啟閉力有可能會(huì)超過(guò)計(jì)算值。

在本工程中，設(shè)計(jì)水位為3310.00m，啟閉機(jī)容量為1000kN。在庫(kù)水位3309.2m，啟閉速度2.0m/min時(shí)，最大啟閉力達(dá)到1015kN，超過(guò)了設(shè)計(jì)值。從觀測(cè)結(jié)果來(lái)看，該閘門(mén)在1.0m/min以下啟閉，較為合適。

對(duì)于高水頭定輪工作閘門(mén)，啟閉機(jī)選用變頻電機(jī)，便于在實(shí)際操作中調(diào)整啟閉速度，是非常必要的。

3.2.3 閘門(mén)振動(dòng)加速度

4#沖沙廊道工作閘門(mén)連續(xù)啟閉過(guò)程中受到的水流動(dòng)荷載隨閘門(mén)開(kāi)度變化，因而工作閘門(mén)在連續(xù)啟閉過(guò)程中的振動(dòng)加速度響應(yīng)是一個(gè)非平穩(wěn)隨機(jī)的過(guò)程。工作閘門(mén)以不同速度啟閉過(guò)程中，門(mén)體三個(gè)方向的振動(dòng)加速度響應(yīng)值以橫向振動(dòng)加速度較大，豎向及順?biāo)飨蚵孕?。門(mén)體橫向加速度較大值主要出現(xiàn)在閘門(mén)開(kāi)度1.0m～2.0m范圍，最大加速度為14.9m/s2；門(mén)體豎向及順?biāo)飨蚣铀俣容^大值主要出現(xiàn)在閘門(mén)開(kāi)度2.5m附近，門(mén)體豎向最大加速度為8.8m/s2，順?biāo)飨蜃畲蠹铀俣葹?2.1m/s2?？傮w而言，工作閘門(mén)啟閉過(guò)程中，啟閉速度對(duì)門(mén)體加速度響應(yīng)值影響不大，門(mén)體各方向加速度響應(yīng)曲線較平穩(wěn)，加速度響應(yīng)值在大多數(shù)運(yùn)行時(shí)段內(nèi)均小于5m/s2，工作閘門(mén)的振動(dòng)加速度屬于較小范圍。庫(kù)水位3306.4m時(shí)，4#沖沙廊道工作閘門(mén)啟閉時(shí)門(mén)體振動(dòng)加速度最大值見(jiàn)表3。

表3 4#沖沙廊道工作閘門(mén)啟閉時(shí)門(mén)體振動(dòng)加速度最大值(m/s2)

3.2.4 閘門(mén)振動(dòng)位移

4#沖沙廊道工作閘門(mén)連續(xù)啟閉過(guò)程中振動(dòng)位移響應(yīng)與加速度響應(yīng)相同，也是一個(gè)非平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程。工作閘門(mén)以不同速度啟閉過(guò)程中，門(mén)體三個(gè)方向的振動(dòng)位移響應(yīng)值以豎向振動(dòng)位移較大，順?biāo)飨蚣皺M向振動(dòng)位移較小，符合工作閘門(mén)豎向約束最弱振動(dòng)位移較大、順?biāo)飨蚝蜋M向約束較強(qiáng)振動(dòng)位移較小的特點(diǎn)。門(mén)體振動(dòng)位移響應(yīng)較大值主要出現(xiàn)在閘門(mén)開(kāi)度2.0m～3.0m范圍，其中門(mén)體豎向振動(dòng)位移最大響應(yīng)值為8.5mm，順?biāo)飨蜃畲笪灰祈憫?yīng)值為4.0mm，橫向最大位移響應(yīng)值為4.2mm?？傮w而言，工作閘門(mén)啟閉過(guò)程中，啟閉速度對(duì)工作閘門(mén)振動(dòng)位移影響也較小，門(mén)體各方向振動(dòng)位移響應(yīng)曲線較平穩(wěn)，振動(dòng)位移響應(yīng)值在大多數(shù)運(yùn)行時(shí)段內(nèi)均小于1.0mm，工作閘門(mén)運(yùn)行總體比較平穩(wěn)。閘門(mén)振動(dòng)主頻小于2Hz，屬于低頻振動(dòng)。庫(kù)水位3306.4m時(shí)，4#沖沙廊道工作閘門(mén)啟閉時(shí)門(mén)體振動(dòng)位移最大值見(jiàn)表4。

表4 4#沖沙廊道工作閘門(mén)啟閉時(shí)門(mén)體振動(dòng)位移最大值(mm)

3.2.5 閘門(mén)井風(fēng)速

4#沖沙廊道工作閘門(mén)啟閉過(guò)程中，4#閘門(mén)井風(fēng)速較小，實(shí)測(cè)風(fēng)速未超過(guò)5m/s，屬于微風(fēng)級(jí)別。啟閉速度0.4m/min、開(kāi)度0～2m時(shí)，5#閘門(mén)井風(fēng)速未超過(guò)5m/s；當(dāng)開(kāi)度大于2m后，5#閘門(mén)井風(fēng)速明顯增大，啟門(mén)和閉門(mén)過(guò)程實(shí)測(cè)最大風(fēng)速分別為16.0m/s和18.8m/s，大部分風(fēng)速值未超過(guò)10m/s。5#閘門(mén)井風(fēng)速隨啟閉速度增加略有增大，啟閉速度2.0m/min時(shí)，啟門(mén)過(guò)程中最大風(fēng)速為18.1m/s，閉門(mén)過(guò)程中瞬時(shí)最大風(fēng)速達(dá)26.6m/s，大部分風(fēng)速值未超過(guò)15m/s。4#沖沙廊道工作閘門(mén)全開(kāi)后，4#閘門(mén)井風(fēng)速仍然較小，5#閘門(mén)井實(shí)測(cè)最大風(fēng)速為21.7m/s，大部分風(fēng)速值未超過(guò)15m/s，屬于強(qiáng)風(fēng)級(jí)別。

經(jīng)分析：4#沖沙廊道工作閘門(mén)啟閉時(shí)，4#閘門(mén)井及右側(cè)1#-3#閘門(mén)井的水位高于廊道洞頂，沒(méi)有補(bǔ)氣需求，因此進(jìn)氣量和風(fēng)速較?。蛔髠?cè)5#和6#閘門(mén)井的水位低于廊道洞頂，閘門(mén)井起到了補(bǔ)氣作用，因此進(jìn)氣量和風(fēng)速較大，5#閘門(mén)井風(fēng)速大于6#閘門(mén)井。因此，當(dāng)沖沙廊道某一孔運(yùn)行前，應(yīng)將左側(cè)各孔的啟閉機(jī)室大門(mén)打開(kāi)，以便閘門(mén)井進(jìn)氣順暢。

4 結(jié)語(yǔ)

復(fù)雜沖沙廊道的水力特性復(fù)雜，閘門(mén)運(yùn)行工況復(fù)雜。通過(guò)藏木水電站沖沙廊道閘門(mén)的設(shè)計(jì)及原型觀測(cè)，得出如下結(jié)論：

(1)高原條件下，高水頭閘門(mén)的工作條件惡劣，閘門(mén)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)門(mén)槽、門(mén)葉結(jié)構(gòu)、止水、支承方式、啟閉機(jī)等作專門(mén)研究。

(2)復(fù)雜沖沙廊道閘門(mén)各孔閘門(mén)運(yùn)行時(shí)工況不同，閘門(mén)調(diào)度方式應(yīng)做專門(mén)研究?？稍谠囘\(yùn)行階段對(duì)各閘門(mén)進(jìn)行啟閉方式的原型觀測(cè)，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況制定合理的調(diào)度方案。

(3)高原條件下，高水頭沖沙孔閘門(mén)通氣孔的設(shè)置非常重要，應(yīng)做專門(mén)研究。多匯一的復(fù)雜沖沙系統(tǒng)，因啟閉時(shí)相鄰門(mén)槽有補(bǔ)氣功能，應(yīng)對(duì)閘門(mén)的啟閉順序重點(diǎn)研究。

(4)啟閉速度對(duì)閘門(mén)的啟閉力有重大影響，高水頭定輪閘門(mén)啟閉機(jī)宜采用變頻調(diào)速電機(jī)，以便現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)啟閉速度。

(5)高水頭事故閘門(mén)如采用小開(kāi)度充水的平壓方式，閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)啟閉機(jī)必須低速運(yùn)行，最好采用點(diǎn)動(dòng)方式。啟門(mén)速度過(guò)快容易引起閘門(mén)振動(dòng)。