三峽泄洪深孔弧形工作門結(jié)構(gòu)及水封型式研究

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三峽水利樞紐工程泄洪壩段共設(shè)23個泄洪深孔，每孔設(shè)置三道閘門：孔道進口上游壩面設(shè)置反鉤式檢修疊梁門；孔道中部設(shè)平板定輪事故閘門；孔道有壓段末端設(shè)弧形工作閘門?；￠T用擺缸式雙作用液壓啟閉機動水操作，單吊點，吊頭與弧門頂?shù)醵噙B，一門一機，啟閉容量為4500/1000kN.事故閘門及檢修疊梁門由壩頂5000kN/2×630kN門式起重機借助抓梁操作。

　　水庫運用條件決定了泄洪深孔具有孔數(shù)多，孔口尺寸大，水頭高和操作相對頻繁的特點，并由此決定了深孔為三峽樞紐正常泄洪的主要通道。

　　根據(jù)長江三峽洪水特點、樞紐布置及調(diào)度方式，深孔弧門有局部開啟的要求。水庫初期運行閘門操作水頭40～50m（操作水位135～145m）。永久運用期常見操作水頭50～60m（操作水位145～155m），更高水頭操作的機會較少，閘門多處于擋水狀態(tài)。

　　1泄洪深孔體型及閘門布置方案研究

　　在初步設(shè)計階段圍繞深孔體型及其閘門止水布置方式進行了多種布置方案的比較，并根據(jù)泄洪壩段大壩結(jié)構(gòu)布置要求推薦采用孔道為有壓短管、工作門采用不突擴常規(guī)止水的弧形門布置方案。在1996年技術(shù)設(shè)計的金屬結(jié)構(gòu)專家審查會上專家們提出了很多意見和建議，并認為“大壩泄洪深孔是三峽樞紐宣泄洪水的主要通道，最大流速近35m/s，工作弧門啟閉頻繁，并有局部開啟要求，建議結(jié)合深孔摻氣減蝕措施研究弧門采用突擴門槽止水方案”。

　　隨后，結(jié)合深孔孔道水力學(xué)及壩體結(jié)構(gòu)分析，對孔道體形及閘門止水布置進行了多種方案的專題研究，并進行了水工模型試驗，集中研究門槽突擴突跌、跌坎摻氣等布置（對應(yīng)閘門止水采用液壓伸縮式和常規(guī)不突擴門槽止水）。試驗研究認為突擴與不突擴方案各有優(yōu)缺點，突擴門槽對閘門止水布置較為有利，在水力學(xué)方面均可滿足設(shè)計要求，在實際工程中均有成功實例，減壓試驗表明門槽側(cè)擴不是空化源；但從工程實踐經(jīng)驗、運行條件、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度等方面仍有差異：

　　①從水力學(xué)角度，通過優(yōu)化體形的突擴門槽方案可以做到避免空化，但在側(cè)墻的水舌沖擊區(qū)存在不穩(wěn)定的壓力分布區(qū)，流態(tài)復(fù)雜，如布置不當，可能使側(cè)壁水流沖擊區(qū)成為空化源，其整體水力學(xué)特性稍次于側(cè)壁水流平順的跌坎門槽；

　?、谌龒{深孔運用條件復(fù)雜，要求在135～175m水位的各種工況條件下均取得較優(yōu)的水力學(xué)流態(tài)，且多在低水位條件下運行，相比之下跌坎摻氣門槽方案對各種運行水頭適應(yīng)性較強；

　?、廴龒{泄洪大壩布置有三層泄洪及導(dǎo)流設(shè)施，壩體結(jié)構(gòu)復(fù)雜而單薄，突擴門槽對壩體削弱較多。

　　綜合以上比較并在1998年8月由三峽總公司技術(shù)委員會組織的水工專家進行專題審查討論會審定采用跌坎摻氣門槽方案，跌坎高1.5m.

　　2止水布置及試驗研究

　　三峽樞紐泄洪深孔運行期將歷經(jīng)施工導(dǎo)流期、初期發(fā)電運行期及永久運行期，工作水頭變幅在45～85m之間變化，根據(jù)已審定的三峽深孔體型布置方案，并結(jié)合其運行的實際情況，經(jīng)過對國內(nèi)已建在建工程設(shè)計運行實踐的調(diào)查研究，選定深孔弧門采用不突擴的門槽體型，頂止水采用固定P型水封和轉(zhuǎn)鉸式防射水裝置，底側(cè)止水為常規(guī)預(yù)壓式。轉(zhuǎn)鉸式防射板止水布置在門楣頂部門槽埋件上，借助于不銹鋼片和上游庫水壓力推動止水元件繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，壓緊在經(jīng)過機加工的弧門面板上，以適應(yīng)閘門受水壓變形并達到封水目的。這種布置具有適應(yīng)變形能力強、結(jié)構(gòu)簡單、制造加工操作運行方便等特點。為適應(yīng)三峽各種運行水位，做到在低水位時不漏水，高水位時不致于將止水橡皮壓壞，在轉(zhuǎn)鉸止水上設(shè)置限位支承輪，以控制橡皮壓縮量，并起導(dǎo)向作用。由橡膠止水頭與面板接觸可以適應(yīng)面板的不平度，同時在頻繁操作的條件下可減少對面板防腐涂層的磨損，延長防腐壽命。另在閘門頂部設(shè)置1道蓋板式頂止水。以確保閘門在全關(guān)狀態(tài)的止水效果。側(cè)止水用方頭P型橡皮，摩擦面包四氟減少摩阻力。底部采用刀型橡皮，并與底坎垂直布置。

　　轉(zhuǎn)鉸止水與突擴門槽相比在中高水頭弧門運用中具有明顯優(yōu)勢：

　　①轉(zhuǎn)鉸止水較容易適應(yīng)閘門徑向變形量，且對閘門面板精度要求相對較低；

　?、诮Y(jié)構(gòu)簡單、操作方便，不需另外設(shè)置偏心鉸操作機構(gòu)或加壓控制設(shè)備等。可大大降低造價和制作難度；

　?、劭椎榔巾槪鳁l件較好，有利于高速水流的銜接。

　　但是由于轉(zhuǎn)鉸止水和側(cè)止水布置不在同一曲面上，在頂側(cè)止水連接角隅處易發(fā)生漏水。同時其連接多為現(xiàn)場粘接的方式，在閘門開啟過程中橡皮與側(cè)墻摩擦易產(chǎn)生撕裂損壞。對此三峽深孔弧門止水在以下幾方面進行優(yōu)化了設(shè)計。

　　（1）優(yōu)化連接方式。由于常規(guī)不突擴止水所固有的弱點，其頂側(cè)止水的結(jié)構(gòu)形式雖較難改變，但其連接方式可由現(xiàn)場膠合改為工廠整體模壓成型，制成異型連接構(gòu)件，其與頂止水和側(cè)止水的連接分別在直段膠合，加強頂側(cè)止水角隅局部的連接強度。

　?。?）改善止水橡皮的材料性能。國內(nèi)止水橡皮是參照前蘇聯(lián)閘門橡膠止水的有關(guān)技術(shù)規(guī)范，用天然橡膠或合成橡膠及優(yōu)質(zhì)高效配合劑制作而成，具有優(yōu)良的彈性、耐磨、抗撕裂等性能。根據(jù)工程實踐的經(jīng)驗，封水水頭越高，需止水橡皮材料的硬度和強度就越大，然而橡膠太硬又不易變形，對封水效果反而不利，經(jīng)與有關(guān)橡膠止水生產(chǎn)廠家和科研單位聯(lián)合研究試制，最終選定的硬度為邵氏75，扯斷強度為28.6MPa的橡膠配方材料，其硬度、強度和彈性等綜合指標均較優(yōu)。

　　止水斷面模型和整體動態(tài)模型試驗結(jié)果表明：

　　①試驗認為在滿足一定橡皮壓縮量條件下設(shè)計止水方案整體密封效果良好，能滿足80~100m封水要求。

　?、陧斔忸A(yù)壓縮量3mm，底水封預(yù)壓縮量8～10mm，側(cè)水封預(yù)壓縮量3～5mm，轉(zhuǎn)鉸水封預(yù)壓縮量3～4mm.

　　③承壓水頭85m，通過反復(fù)啟閉弧門，使水封與門槽反復(fù)摩擦，通過試驗可知：水封的磨擦破壞先由聚四氟乙烯開始；當聚四氟乙烯與橡膠粘結(jié)不好時，聚四氟乙烯易被反復(fù)擠壓斷裂破壞，當聚四氟乙烯與橡膠粘結(jié)較好時，聚四氟乙烯被逐漸磨薄而露出橡膠；然后橡膠受磨損壞。當水封聚四氟乙烯與橡膠粘結(jié)良好，側(cè)水封經(jīng)原型弧門全開全關(guān)約100次（模型水封反復(fù)開啟2600次，每次行程50cm），聚四氟乙烯磨損而露出橡膠；轉(zhuǎn)鉸水封經(jīng)原型弧門全開全關(guān)約40～50次（模型水封反復(fù)開啟1200次）后，聚四氟乙烯磨損而露出橡膠（局部有撕裂現(xiàn)象）；聚四氟乙烯磨損而露出橡膠后，水封尚可止水，但耐磨性較差，有待進一步研究改進水封材料。

　　3孔弧門結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　泄洪深孔工作閘門選用弧形門，孔口尺寸7m×9m（寬×高），設(shè)計水位175m，底坎高程90m，設(shè)計水頭85m，校核水頭90.4m，設(shè)計總水壓力66000kN，支鉸高程依據(jù)水工模型試驗的水面曲線定為103.0m（至底坎13m），面板曲率半徑16m（約孔口高的1.8倍）。深孔弧門的門體結(jié)構(gòu)型式根據(jù)孔口尺寸為窄高型而采用主縱梁布置，并結(jié)合施工現(xiàn)場安裝工期緊，數(shù)量多，以及安裝條件的實際情況，從閘門結(jié)構(gòu)運輸單元劃分、節(jié)間連接方式方面考慮，以盡量減少現(xiàn)場安裝工作量和難度，主要工作均在工廠完成，確保閘門結(jié)構(gòu)最終的質(zhì)量，提高安裝進度。因此閘門結(jié)構(gòu)按縱向分為左右兩塊，節(jié)間用高強螺栓連接，且門葉與支臂、支臂與鉸鏈間均采用螺栓連接，避免現(xiàn)場焊接引起的二次變形。

　　閘門由箱型主縱梁、小縱梁、小橫梁、邊梁及面板組成門葉梁系焊接結(jié)構(gòu)，門葉結(jié)構(gòu)采用焊后整體退火處理消除焊接應(yīng)力及變形。門葉面板、左右門葉連接面進行機加工。支臂結(jié)構(gòu)為箱型斷面Q345D低合金鋼板焊接結(jié)構(gòu)，焊后整體退火處理消除焊接應(yīng)力，板厚30mm，斷面輪廓尺寸1.0m×1.2m.并按有關(guān)設(shè)計規(guī)范進行強度穩(wěn)定計算。上、下、左、右支臂支桿間由連系桿件連成整體。上支臂在褲衩處用法蘭螺栓連接。左右門葉在工地安裝后弧面拼縫用V型坡口水密焊。弧門支鉸采用圓柱鉸，鉸座鉸鏈均采用45?#鑄鋼，支鉸軸為40Cr鍛鋼，表面鍍鉻，軸瓦采用進口（DEVA）銅基鑲嵌自潤滑免維護軸承，軸承內(nèi)徑?800mm，內(nèi)設(shè)密封圈。

　　4孔閘門水力學(xué)設(shè)計

　　根據(jù)最終審定的深孔閘門布置方案，按照九五科研計劃分別委托北京水科院和長江科學(xué)院進行大比尺深孔閘門水力學(xué)及動力特性模型試驗研究，為三峽深孔弧門的設(shè)計和安全運行提供依據(jù)和可靠保證。

　　模型試驗表明：各種泄流條件下，深孔閘門段未發(fā)現(xiàn)特殊流態(tài)，作用于孔壁與弧門面板上的時均壓力隨水位升高而增大，隨流速增加而減少，符合一般規(guī)律。

　　流激振動試驗結(jié)果表明：

　?、僮饔迷诨⌒伍l門上的動水荷載，主要為高速水流的壓力脈動和止水漏水縫隙射流形成的動水荷載，該荷載不但對結(jié)構(gòu)強度產(chǎn)生影響，且可能誘發(fā)閘門振動，1∶26模型試驗進行兩組庫水位175.0m及180.4m和弧門開度0.1~0.9九種工況的脈動壓力測試，壓力大小與上游水位，閘門開度及測點位置有關(guān)，其隨閘門開度的增加而增大，靠近側(cè)止水的邊柱及門的底緣處，脈動壓力較大。

　?、谌畯椥阅Ｐ烷l門在各種泄流條件下試驗表明，在常規(guī)的不模擬側(cè)止水條件下，作用在閘門上的脈動壓力的優(yōu)勢頻率都在6.0Hz以內(nèi)頻帶上，按水彈性模型中的脈動壓力頻率比尺換算到原型，則作用在原型閘門上的脈動荷載能量大的頻率分量分布在1.34Hz以內(nèi)頻帶上。模態(tài)分析已知原型閘門的第一階自振動頻率為3.96Hz，閘門自振頻率遠離脈動荷載優(yōu)勢頻率，因此，閘門不會與其發(fā)生共振，而6.0Hz（原型為1.34Hz）以上某些脈動壓力頻率分量能量較小，不足以對閘門產(chǎn)生明顯動力放大作用。振動將以隨機強迫振動為主。

　　③振動位移隨上游庫水位增加而增大，位移的最大均方根值為431.23μm，出現(xiàn)在主縱梁與閘門底緣交接處，動應(yīng)力最大均方根值為3.77MPa，出現(xiàn)在弧門面板頂部中間位置。有限元計算假定弧門兩側(cè)邊為自由邊，而在設(shè)計中除了加強了邊柱，底緣，支臂的剛度采取有效措施外，還在側(cè)向限制了約束，即側(cè)止水橡皮壓縮量取值為5mm，側(cè)輪與軌板間隙按常規(guī)設(shè)計為5mm，因而弧門實際運行時振動位移及止水漏水縫隙射水的脈動影響將減小到最低程度。

　　三峽深孔弧形門結(jié)構(gòu)及止水布置型式，經(jīng)國內(nèi)外已建工程的運行經(jīng)驗調(diào)查、方案比較、科學(xué)試驗并經(jīng)國內(nèi)同行業(yè)專家充分討論審查，確定并完成了設(shè)計，現(xiàn)已全部制造安裝到位，我們將特別關(guān)注其運行情況及原型觀察，總結(jié)經(jīng)驗。