水利工程論文-深孔出口突擴(kuò)弧門(mén)止水的實(shí)踐與研究.doc

水利工程論文-深孔出口突擴(kuò)弧門(mén)止水的實(shí)踐與研究摘要：國(guó)內(nèi)外采用弧門(mén)出口突擴(kuò)、突跌止水布置的已建、在建與擬建工程近30座，其中采用偏心餃壓緊式水封的近20座，采用伸縮式水封的10座。在監(jiān)測(cè)弧門(mén)安全運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)一些危害的窄縫高速射流的切割、空化、流激振動(dòng)、空化噪聲及啟閉失靈等隱患。這些故障往往源于止水撕裂失效，造成漏水及射流所致。嚴(yán)重空蝕破壞及危害性振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致閘門(mén)變形、啟閉失靈而無(wú)法使用。三峽工程泄洪深孔的孔口數(shù)量多、尺寸大、運(yùn)用頻繁、歷時(shí)又長(zhǎng)、水頭高且變幅大，有一定風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)孤門(mén)止水問(wèn)題務(wù)持慎重態(tài)度，千萬(wàn)不可視漏水為小事而掉以輕心。關(guān)鍵詞：弧形閘門(mén)三峽工程深孔橡皮止水水封l前言在高壩深孔閘門(mén)選型中，對(duì)比各類閘門(mén)的水力特性與優(yōu)缺點(diǎn)，弧形閘門(mén)有很多優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)榛⌒伍l門(mén)的總水壓力都由徑向通向支鉸軸心，所以其啟閉力較小。又因沒(méi)有門(mén)槽以及閘下出流接近自由流線，所以出流順暢，其流量系數(shù)亦較高，泄流能力較大。在動(dòng)水操作時(shí)容許部分開(kāi)啟并可鎖定。門(mén)體的水流初生空化數(shù)較低，不易產(chǎn)生閘門(mén)空蝕。在正確合理的設(shè)計(jì)下，不容易產(chǎn)生危害性的流激振動(dòng)與水彈性振動(dòng)。然而，以往弧形閘門(mén)的主要缺點(diǎn)是頂止水與側(cè)止水不在同一曲面上，兩者的連接處，水封的形狀不易滿足止水嚴(yán)密的要求，該處角隅應(yīng)力集中，橡膠水封的拐角部分容易撕裂，造成頂水封漏水甚至射水，高速射流容易形成空化源、振動(dòng)源、噪聲源及射流切割源。在已建成工程中閘門(mén)失事的實(shí)例屢見(jiàn)不鮮。例如：碧口工程左岸泄洪洞深孔弧形閘門(mén)，其孔口尺寸9m8m(寬高下同)，孔口面積為72m2，工作水頭為70m，總水壓力6050t運(yùn)行不久即出現(xiàn)頂水封與側(cè)水封連接的角隅處水封撕裂，繼而頂水封撕裂，漏水嚴(yán)重。一股高速射流導(dǎo)致胸墻門(mén)楣襯砌鋼板被大面積掀起破壞，埋件裸露，影響運(yùn)行。因而深孔弧形閘門(mén)的水封漏水，不僅影響觀贍，對(duì)閘門(mén)及大壩安全運(yùn)行亦屬不可忽視的問(wèn)題。三峽工程深孔泄量大、水頭高、孔數(shù)多，工況復(fù)雜，操作頻繁，它是三峽工程舉足輕重的泄水建筑物之一。閘門(mén)起控制流量的重要作用，弧形閘門(mén)的止水型式問(wèn)題十分重要，應(yīng)予以重視。為工程安危有必要進(jìn)行全面客觀的調(diào)查研究，謀求對(duì)策，為決策者提供翔實(shí)的參謀意見(jiàn)。2國(guó)內(nèi)外己建深孔出口突擴(kuò)弧門(mén)的建設(shè)與運(yùn)行根據(jù)初步統(tǒng)計(jì)國(guó)內(nèi)外采用弧門(mén)出口突擴(kuò)、突跌止水布置的建、在建與擬建工程已有28座(詳見(jiàn)表1)，其中采用偏心鉸壓緊式水封的18座，采用伸縮式水封的10座。在監(jiān)測(cè)弧門(mén)的安全運(yùn)行時(shí)往往會(huì)發(fā)現(xiàn)一些危害性窄縫高速射流的切割、空化、流激振動(dòng)，空化噪聲及啟閉失靈等隱患，應(yīng)設(shè)法消除或減免。這些故障險(xiǎn)情往往源出于止水撕裂失效，造成漏水及射流所致。嚴(yán)重空蝕破壞及危害性振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致閘門(mén)變形、啟閉失靈而無(wú)法使用。以下將分述一些典型工程的運(yùn)行情況及成敗經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)。2.1巴基斯坦塔貝拉(Tarbela)工程巴基斯坦塔貝拉三號(hào)泄洪洞出口斷面為4.9m7.3m，設(shè)置偏心鉸弧形閘門(mén)，設(shè)計(jì)水頭136m，兩側(cè)各突擴(kuò)0.31m，跌坎高度O.38m。閘門(mén)設(shè)計(jì)精湛，曾采用10項(xiàng)技術(shù)革新措施，其中尤以射流節(jié)制器及Teflon銀面水封較為突出。1974年8月13日關(guān)閘后發(fā)現(xiàn)混凝土陡槽底板上，在殘留水泥砂漿塊凸體下游出現(xiàn)空蝕，后來(lái)在陡槽的起始段增設(shè)挑坎兼作通氣槽，爾后未發(fā)現(xiàn)空蝕跡象?；￠T(mén)在關(guān)閉時(shí)滴水不漏，止水效果良好。閘下突擴(kuò)邊墻及突跌底板均未發(fā)現(xiàn)空蝕破壞。它是目前在多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)上具有世界最高水平的突擴(kuò)偏心鉸壓緊式水封的弧形閘門(mén)，運(yùn)行良好，比較成功，在設(shè)計(jì)上有特色，加工工藝水平較高，并有豐富的科研成果。2.2前蘇聯(lián)努列克工程努列克工程設(shè)有5m6m孔口，110m水頭的偏心鉸弧形閘門(mén)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行了大量科學(xué)研究工作。起初擬采用伸縮式變形水封，對(duì)水封在高速射流下的振動(dòng)特性提供了研究成果。由于對(duì)水封材質(zhì)及老化等問(wèn)題有疑慮，最終改用突擴(kuò)、突跌偏心鉸止水方案，閘門(mén)運(yùn)行良好，尚未發(fā)現(xiàn)空蝕破壞等情況。2.3前蘇聯(lián)克拉斯諾雅爾斯克水電站泄洪底孔為了調(diào)節(jié)水庫(kù)蓄水量和施工期泄洪，該電站設(shè)置了8個(gè)底孔，弧門(mén)孔口為5m5m，設(shè)計(jì)水頭100m?；￠T(mén)出口兩側(cè)各突擴(kuò)0.5m，跌坎以下為混凝土襯砌。1964年建成，1967年投入運(yùn)行，當(dāng)時(shí)運(yùn)行水頭為060m。1968年發(fā)現(xiàn)在4#、5#、8#孔的跌坎下游鄰近弧門(mén)底緣的側(cè)壁發(fā)生空蝕破壞，其中5#孔的空蝕深1.5m，高5m，長(zhǎng)15m。據(jù)資料介紹，空蝕成因是由于施工時(shí)減小了通氣管的尺寸，并且當(dāng)冬季運(yùn)行時(shí)，冰凍又進(jìn)一步凍阻了通氣孔道，導(dǎo)致通氣不足而發(fā)生空蝕破壞。2.4美國(guó)德沃歇克泄水孔該壩設(shè)置了3個(gè)泄水孔，孔口尺寸為2.7m3.8m，設(shè)計(jì)水頭為81m。采用偏心鉸弧形閘門(mén)，出口兩側(cè)突擴(kuò)0.48m，跌坎高度為0.15m。為了進(jìn)行護(hù)面涂料對(duì)比試驗(yàn)。右側(cè)泄水孔不加護(hù)面。中間泄水孔涂以0.9mm厚的環(huán)氧樹(shù)脂。左側(cè)泄水孔涂以13mm厚環(huán)氧砂漿。在閘門(mén)下游15.2m處涂料護(hù)面和原混凝土直接連接。泄水孔泄水一個(gè)月后，三個(gè)泄水孔均發(fā)生不同程度的空蝕破壞。特別在左側(cè)泄水孔左邊墻護(hù)面末端，空蝕最為嚴(yán)重?？瘴g區(qū)長(zhǎng)約6m，深0.56m，高3m。據(jù)介紹空蝕的成因是邊界不平整導(dǎo)致了水流空化形成空蝕。表1弧形閘門(mén)出口突擴(kuò)布置的工程實(shí)例序號(hào)工程名稱國(guó)家孔口尺寸(寬m高m)孔口面積(m2)設(shè)計(jì)運(yùn)行水頭(m)總水壓力P(t)建成年代止水形式1盧卡蓬特美國(guó)2.063.667.5461446偏心鉸(壓緊式)2諾維爾美國(guó)2.543.569.0424.38204偏心鉸3二瀨日本5.003.4216.206910921959偏心鉸4大野日本4.005.3221.2835.256941960偏心鉸5湯田日本5.183.5318.2654.969721963偏心鉸6苑原日本5.003.5617.8033.785701964偏心鉸7鶴田日本4.304.1517.8544.087501964偏心鉸8松原日本4.404.4017.6451.508701970偏心鉸9內(nèi)川日本3.502.305.7555.183111973偏心鉸10科洛君利保加利亞3064.501935偏心鉸11大渡日本5.05.628601680*偏心鉸12阿斯旺埃及4.23.1513.23801038偏心鉸13德活歇克美國(guó)2.753.8010.4576.2777偏心鉸14恰爾瓦格前蘇聯(lián)5630802400*伸縮式水封15薩彥舒申斯克前蘇聯(lián)56301173510*伸縮式水封16克拉斯諾雅爾斯克前蘇聯(lián)563098/602940*伸縮式水封17努列克前蘇聯(lián)56301103300*1973偏心鉸18羅貢前蘇聯(lián)56.733.5200/856700*偏心鉸19塔貝拉巴基斯坦4.97.335.771364865*偏心鉸20龍羊峽中國(guó)5735.001204200*1987偏心鉸21東江二級(jí)中國(guó)6.47.145.441205453*1987偏心鉸22托克托古爾前蘇聯(lián)5630.00112.33369*已建伸縮式水封23布列斯卡雅前蘇聯(lián)5.5633.001173861*已建伸縮式水封24魯布革中國(guó)8.5976.50554207.5已建伸縮式水封25漫灣中國(guó)3.53.512.2590.51109*1996伸縮式水封26天生橋一級(jí)中國(guó)6.47.548.001205760*1997伸縮式水封27小灣中國(guó)6530.00111.613348.3*擬建伸縮式水封注：P=HA2.5日本大渡壩的主泄洪設(shè)備大渡壩壩高100m，為混凝土重力壩。在10#14#壩段，每一壩段內(nèi)設(shè)置一扇弧形閘門(mén)。閘門(mén)寬5m，高5.6m，設(shè)計(jì)水頭60m，設(shè)計(jì)最大總泄量為3800m3/s。采用突擴(kuò)、突跌偏心鉸止水型式，根據(jù)已往經(jīng)驗(yàn)與各項(xiàng)試驗(yàn)，進(jìn)行了設(shè)計(jì)、制造和安裝，成為運(yùn)行可靠、功能優(yōu)良的泄洪設(shè)備，充分發(fā)揮了綜合利用大壩泄洪設(shè)備的作用，未見(jiàn)任何空蝕破壞的報(bào)導(dǎo)。2.6龍羊峽水電站底孔泄水道弧形工作閘門(mén)孔口尺寸為5m7m，采用偏心鉸弧門(mén)，設(shè)計(jì)水頭120m，孔口兩側(cè)各突擴(kuò)0.6m，跌坎高度為2m。龍羊峽工程支鉸偏心軸的設(shè)計(jì)，是與滾柱軸承的選用及支鉸布置分不開(kāi)的。因受支鉸體型尺寸的限制滾柱軸承既要滿足額定靜負(fù)荷的要求，又要使軸承寬度不宜過(guò)寬。據(jù)此，活動(dòng)鉸鏈選用20771/950四列滾柱軸承。固定支鉸采用調(diào)心40031/800雙列向心球面滾柱軸承，這樣除能滿足軸的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和偏心距布置要求外，門(mén)體結(jié)構(gòu)布置勻稱，安裝調(diào)整容易，經(jīng)濟(jì)上比較合理。1987年2月15日首次開(kāi)啟運(yùn)用，至1989年渡汛，共運(yùn)用3次，累計(jì)過(guò)水歷時(shí)達(dá)7137h。最高運(yùn)用水頭為89m，最大流速達(dá)36m/s。泄槽明渠邊墻，底板及挑流鼻坎等部位發(fā)生較為嚴(yán)重的破壞。1989年汛后，對(duì)破壞部位按原設(shè)計(jì)體型進(jìn)行了修復(fù)。修復(fù)后尚未再次過(guò)水?；仡?987年底孔過(guò)水歷時(shí)5417h，最高水頭54.5m，汛后進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)泄槽的不同部位發(fā)生輕微的破壞，主要在泄槽分段結(jié)構(gòu)縫兩側(cè)及下游，1988年過(guò)水歷時(shí)137h，最高運(yùn)行水頭46.7m，1989年過(guò)水歷時(shí)1583h，最高運(yùn)行水頭89m。過(guò)水后進(jìn)行了較為全面細(xì)致的檢查，發(fā)現(xiàn)泄槽部分遭到了比較嚴(yán)重的破壞。在左邊墻距跌坎后37m處最大蝕深2.5m，破壞面積180m2，沖走混凝土約175m3。右邊墻距跌坎后37m處最大蝕深0.7m，破壞面積98m2，沖走混凝土約29m3。根據(jù)有關(guān)資料初步分析沖蝕破壞的原因?yàn)椋河捎谶\(yùn)行條件與設(shè)計(jì)條件有較大不同，可能導(dǎo)致通氣槽水流摻氣不足，各澆筑分段模板走動(dòng)，混凝土表面接縫出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)；環(huán)氧砂漿抹面層與老混凝土表面接觸不好；此外，1987年和1988年過(guò)水后，局部破壞未及時(shí)修復(fù)而形成1989年運(yùn)行中的空化源。2.7碧口水電站排沙洞出口弧形工作閘門(mén)該排沙洞孔口寬4m，高3.15m，設(shè)計(jì)水頭90m。頂水封為常規(guī)水封，在門(mén)葉上設(shè)一道60mm夾有二層帆布的P型橡皮，另一道設(shè)在門(mén)桅埋件上，為鴨咀式圓滾水封，內(nèi)有90mm夾有三層帆布的圓形空心橡皮；側(cè)水封為方頭60mm“P”型(煙斗型)夾有三層帆布的橡皮水封；底水封為刀型止水型式。該門(mén)原設(shè)計(jì)僅用作排沙，沒(méi)有部分開(kāi)啟運(yùn)行的要求，后因下游用水和水庫(kù)初期蓄水的需要，要求用部分開(kāi)啟來(lái)調(diào)節(jié)流量。自1975年投入運(yùn)行，至1977年4月共運(yùn)行8324h，其中部分開(kāi)啟運(yùn)行為4674h，而部分開(kāi)啟又0.2O.5相對(duì)開(kāi)度運(yùn)行時(shí)間為最多，達(dá)3954h，部分開(kāi)啟運(yùn)行水頭最高達(dá)70m左右。維修時(shí)，發(fā)現(xiàn)頂水封座板破壞嚴(yán)重，不銹鋼板已被撕裂掀起，固定頂水封壓板的螺栓，有的全部脫出，有的螺栓頭被擠斷脫落，絲桿仍在螺孔內(nèi)，門(mén)葉面板上呈現(xiàn)擠壓凹槽，左側(cè)1.4m長(zhǎng)的圓滾水封橡皮已蕩然無(wú)存。1977年4月修復(fù)后，運(yùn)行約一個(gè)月，部分開(kāi)啟時(shí)間為260h，基本上處于0.5相對(duì)開(kāi)度，并且在水頭63m左右連續(xù)運(yùn)行了110h，頂水封又遭破壞。門(mén)葉上頂水封P型橡皮中心偏左側(cè)60cm處橡皮水封頭部撕裂。頂、側(cè)水封接頭處因在安裝時(shí)未膠合完善，有明顯的縫隙，在鴨咀中，左側(cè)長(zhǎng)約90cm的圓滾橡皮斷裂消失，右側(cè)端部約70cm長(zhǎng)的圓滾橡皮亦蕩然無(wú)存，而且兩端各脫落一個(gè)固定頂水封壓板用的螺栓埋頭孔的封閉鉛彈。通過(guò)操作閘門(mén)觀察，無(wú)論是從全關(guān)到全開(kāi)，或是從全開(kāi)到全關(guān)，都在開(kāi)度6080cm處(相對(duì)開(kāi)度n約為O.190.26)，啟閉機(jī)室亦遭到瞬間射水，后來(lái)又將鴨咀內(nèi)的圓滾止水橡皮改用90mm實(shí)心橡皮。經(jīng)過(guò)運(yùn)行，仍遭破壞。由于該門(mén)每年汛期操作頻繁，頂水封在高水頭情況下長(zhǎng)時(shí)期射水，造成頂部縫隙水流空化，因而除門(mén)楣埋體被空蝕破壞外，土建部分的混凝土表面亦遭空蝕剝落；還有閘門(mén)底止水不嚴(yán)引起的縫隙漏水，或是設(shè)備維修不及時(shí)，閘門(mén)不能關(guān)嚴(yán)而引起的縫隙射水，均為空化源。此外在小開(kāi)度情況下亦會(huì)發(fā)生縫隙水流空化，這種高速窄縫水流的空化都會(huì)導(dǎo)致空蝕破壞。1979年汛后檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)閘門(mén)底部130mm高的范圍內(nèi)鋼板和水封螺栓孔等處均有空蝕破壞現(xiàn)象。底水封處鑲護(hù)的厚30mm的鋼板在200mm寬的范圍內(nèi)空蝕麻點(diǎn)最深達(dá)20mm左右，底板兩側(cè)與側(cè)護(hù)板交接處亦有手指可伸進(jìn)的洞穴。另外，碧口左岸泄洪洞弧形閘門(mén)孔口尺寸為9m8m，設(shè)計(jì)水頭70m，采用常規(guī)水封，二道P型頂水封，運(yùn)行不久，頂水封橡皮撕裂，起自角隅；繼而發(fā)展至門(mén)楣中部，頂水封嚴(yán)重漏水形成高速射流，使鋼板襯砌掀起，埋件拔出，破壞嚴(yán)重。2.8石門(mén)水庫(kù)底孔該底孔裝有2m2m水頭70m弧形工作閘門(mén)，自從1973年投入運(yùn)行后，部分開(kāi)啟運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，特別是19801981年在高水頭下操作頻繁。1982年檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)閘門(mén)及門(mén)楣埋件有嚴(yán)重空蝕破壞。閘門(mén)底部11cm高，長(zhǎng)度84cm范圍內(nèi)面板空蝕破壞成鋸齒形，根據(jù)西北水利科學(xué)研究所取樣稱得的重量，其失重率達(dá)29%，其中最嚴(yán)重的一段，失重率達(dá)33.4%，許多地方已被蝕穿。閘室側(cè)墻護(hù)板，在距離底板高度140155cm范圍內(nèi)有空蝕現(xiàn)象，最深點(diǎn)左側(cè)為7mm，右側(cè)為10mm，面積近70cm2。側(cè)護(hù)板與底板交接處有高7cm，深約20cm的空蝕洞穴，底水封附近底板蝕深為2cm左右；閘門(mén)底水封橡皮殘留部分僅剩左側(cè)40cm，其它都已消失殆盡。2.9東江水電站偏心鉸弧形閘門(mén)東江水電站二級(jí)放空洞偏心鉸弧形閘門(mén)，孔口尺寸為6.4m7.5m，設(shè)計(jì)水頭100m，擋水水頭120m，于1983年3月完成設(shè)計(jì)。1986年8月2日正式投入運(yùn)行，至1988年2月已連續(xù)部分開(kāi)啟運(yùn)行了13466h，其操作(調(diào)整開(kāi)度)56次，在水頭5569.47m時(shí)，部分開(kāi)啟618cm，運(yùn)行了5373h。運(yùn)行了四年多，工作水頭已接近lOOm，未發(fā)現(xiàn)任何險(xiǎn)情及損壞，經(jīng)受了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。2.10漫灣水電站沖沙洞該電站大壩左、右岸各設(shè)一條沖沙洞，工作閘門(mén)為弧形閘門(mén)，其孔口尺寸為3.5m3.5m，承壓水頭分別為90.5m和88m，弧門(mén)為直支臂，圓柱鉸?；￠T(mén)出口每邊突擴(kuò)0.6m，突跌1m，在突跌部位設(shè)置通氣孔，閘門(mén)水封采用液控式伸縮水封，在同一曲面上呈口字型。另設(shè)常規(guī)水封輔助。1993年6月28日第一臺(tái)機(jī)組發(fā)電，水庫(kù)水位974m，左、右岸沖沙洞弧形工作閘門(mén)承壓水頭分別為68.5m和70.5m。當(dāng)時(shí)弧門(mén)的液壓伸縮性水封尚未安裝，只用常規(guī)水封止水，兩座弧門(mén)均有不同程度的漏水，右岸沖沙洞弧門(mén)漏水較為嚴(yán)重。1995年4月對(duì)兩座弧門(mén)進(jìn)行了檢