三峽泄洪深孔弧形工作門結(jié)構(gòu)及水封型式研究

1、三峽泄洪深孔弧形工作門構(gòu)造及水封型式研究摘要：三峽樞紐泄洪深孔弧形工作門是三峽樞紐最重要的泄洪控制設(shè)備，弧形工作門及其水封型式的設(shè)計經(jīng)過國內(nèi)已建工程運行理論的調(diào)查研究及選定方案的科研試驗，最終選定了主縱梁式弧形門構(gòu)造，水封型式為轉(zhuǎn)鉸式頂止水。本文概述了閘門構(gòu)造布置、水封型式設(shè)計特點及模型試驗研究成果。關(guān)鍵詞：深孔弧門水封構(gòu)造設(shè)計三峽樞紐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(jìn)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。弧門用擺缸式雙作用液壓啟閉機(jī)動水操作,單吊點，吊頭與弧門頂?shù)醵噙B，一門一機(jī),啟閉容量為4500/100

2、0kN。事故閘門及檢修疊梁門由壩頂5000kN/2630kN門式起重機(jī)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，深孔弧門有部分開啟的要求。水庫初期運行閘門操作水頭4050操作水位135145。永久運用期常見操作水頭5060操作水位145155，更高水頭操作的時機(jī)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(jìn)展了多種布置方案的比擬，并根據(jù)泄洪壩段大壩構(gòu)造布置要求推薦采用孔道為有壓短管、工作門采用不突擴(kuò)

3、常規(guī)止水的弧形門布置方案。在1996年技術(shù)設(shè)計的金屬構(gòu)造專家審查會上專家們提出了很多意見和建議，并認(rèn)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35/s，工作弧門啟閉頻繁，并有部分開啟要求，建議結(jié)合深孔摻氣減蝕措施研究弧門采用突擴(kuò)門槽止水方案。隨后，結(jié)合深孔孔道水力學(xué)及壩體構(gòu)造分析，對孔道體形及閘門止水布置進(jìn)展了多種方案的專題研究，并進(jìn)展了水工模型試驗，集中研究門槽突擴(kuò)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(kuò)門槽止水。試驗研究認(rèn)為突擴(kuò)與不突擴(kuò)方案各有優(yōu)缺點，突擴(kuò)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，減壓試驗說明門槽側(cè)擴(kuò)

4、不是空化源；但從工程理論經(jīng)歷、運行條件、構(gòu)造復(fù)雜程度等方面仍有差異：從水力學(xué)角度，通過優(yōu)化體形的突擴(kuò)門槽方案可以做到防止空化，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(dāng)，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；三峽深孔運用條件復(fù)雜，要求在135175水位的各種工況條件下均獲得較優(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；三峽泄洪大壩布置有三層泄洪及導(dǎo)流設(shè)施，壩體構(gòu)造復(fù)雜而薄弱，突擴(kuò)門槽對壩體削弱較多。綜合以上比擬并在1998年8月由三峽總公司技術(shù)委員會組織的水工專家進(jìn)展專題審查討論會審定采

5、用跌坎摻氣門槽方案，跌坎高1.5。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4585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)計運行理論的調(diào)查研究，選定深孔弧門采用不突擴(kuò)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(jī)加工的弧門面板上，以適應(yīng)閘門受水壓變形并到達(dá)封水目的。這種布置具有適應(yīng)變形才能強、構(gòu)造簡單、制造加工操作運行方便等特點。為適應(yīng)三峽各種運行

6、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(kuò)門槽相比在中高水頭弧門運用中具有明顯優(yōu)勢：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；構(gòu)造簡單、操作方便，不需另外設(shè)置偏心鉸操作機(jī)構(gòu)或加壓控制設(shè)備等?？纱蟠蠼档驮靸r和制作難度；孔道平順，水流條

7、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(jìn)展優(yōu)化了設(shè)計。1優(yōu)化連接方式。由于常規(guī)不突擴(kuò)止水所固有的弱點，其頂側(cè)止水的構(gòu)造形式雖較難改變，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)止水角隅部分的連接強度。2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)標(biāo)準(zhǔn)，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

8、性能。根據(jù)工程理論的經(jīng)歷，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)橡膠止水消費廠家和科研單位結(jié)合研究試制，最終選定的硬度為邵氏75，扯斷強度為28.6Pa的橡膠配方材料，其硬度、強度和彈性等綜合指標(biāo)均較優(yōu)。止水?dāng)嗝婺Ｐ秃驼w動態(tài)模型試驗結(jié)果說明：試驗認(rèn)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80100封水要求。頂水封預(yù)壓縮量3，底水封預(yù)壓縮量810，側(cè)水封預(yù)壓縮量35，轉(zhuǎn)鉸水封預(yù)壓縮量34。承壓水頭85，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場；當(dāng)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(dāng)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(dāng)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