三峡泄洪深孔弧形工作门结构及水封型式研究

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三峡水利枢纽工程泄洪坝段共设23个泄洪深孔，每孔设置三道闸门：孔道进口上游坝面设置反钩式检修叠梁门；孔道中部设平板定轮事故闸门；孔道有压段末端设弧形工作闸门。弧门用摆缸式双作用液压启闭机动水操作，单吊点，吊头与弧门顶吊耳相连，一门一机，启闭容量为4500/1000kN.事故闸门及检修叠梁门由坝顶5000kN/2×630kN门式起重机借助抓梁操作。

　　水库运用条件决定了泄洪深孔具有孔数多，孔口尺寸大，水头高和操作相对频繁的特点，并由此决定了深孔为三峡枢纽正常泄洪的主要通道。

　　根据长江三峡洪水特点、枢纽布置及调度方式，深孔弧门有局部开启的要求。水库初期运行闸门操作水头40～50m（操作水位135～145m）。永久运用期常见操作水头50～60m（操作水位145～155m），更高水头操作的机会较少，闸门多处于挡水状态。

　　1泄洪深孔体型及闸门布置方案研究

　　在初步设计阶段围绕深孔体型及其闸门止水布置方式进行了多种布置方案的比较，并根据泄洪坝段大坝结构布置要求推荐采用孔道为有压短管、工作门采用不突扩常规止水的弧形门布置方案。在1996年技术设计的金属结构专家审查会上专家们提出了很多意见和建议，并认为“大坝泄洪深孔是三峡枢纽宣泄洪水的主要通道，最大流速近35m/s，工作弧门启闭频繁，并有局部开启要求，建议结合深孔掺气减蚀措施研究弧门采用突扩门槽止水方案”。

　　随后，结合深孔孔道水力学及坝体结构分析，对孔道体形及闸门止水布置进行了多种方案的专题研究，并进行了水工模型试验，集中研究门槽突扩突跌、跌坎掺气等布置（对应闸门止水采用液压伸缩式和常规不突扩门槽止水）。试验研究认为突扩与不突扩方案各有优缺点，突扩门槽对闸门止水布置较为有利，在水力学方面均可满足设计要求，在实际工程中均有成功实例，减压试验表明门槽侧扩不是空化源；但从工程实践经验、运行条件、结构复杂程度等方面仍有差异：

　　①从水力学角度，通过优化体形的突扩门槽方案可以做到避免空化，但在侧墙的水舌冲击区存在不稳定的压力分布区，流态复杂，如布置不当，可能使侧壁水流冲击区成为空化源，其整体水力学特性稍次于侧壁水流平顺的跌坎门槽；

　　②三峡深孔运用条件复杂，要求在135～175m水位的各种工况条件下均取得较优的水力学流态，且多在低水位条件下运行，相比之下跌坎掺气门槽方案对各种运行水头适应性较强；

　　③三峡泄洪大坝布置有三层泄洪及导流设施，坝体结构复杂而单薄，突扩门槽对坝体削弱较多。

　　综合以上比较并在1998年8月由三峡总公司技术委员会组织的水工专家进行专题审查讨论会审定采用跌坎掺气门槽方案，跌坎高1.5m.

　　2止水布置及试验研究

　　三峡枢纽泄洪深孔运行期将历经施工导流期、初期发电运行期及永久运行期，工作水头变幅在45～85m之间变化，根据已审定的三峡深孔体型布置方案，并结合其运行的实际情况，经过对国内已建在建工程设计运行实践的调查研究，选定深孔弧门采用不突扩的门槽体型，顶止水采用固定P型水封和转铰式防射水装置，底侧止水为常规预压式。转铰式防射板止水布置在门楣顶部门槽埋件上，借助于不锈钢片和上游库水压力推动止水元件绕转轴转动，压紧在经过机加工的弧门面板上，以适应闸门受水压变形并达到封水目的。这种布置具有适应变形能力强、结构简单、制造加工操作运行方便等特点。为适应三峡各种运行水位，做到在低水位时不漏水，高水位时不致于将止水橡皮压坏，在转铰止水上设置限位支承轮，以控制橡皮压缩量，并起导向作用。由橡胶止水头与面板接触可以适应面板的不平度，同时在频繁操作的条件下可减少对面板防腐涂层的磨损，延长防腐寿命。另在闸门顶部设置1道盖板式顶止水。以确保闸门在全关状态的止水效果。侧止水用方头P型橡皮，摩擦面包四氟减少摩阻力。底部采用刀型橡皮，并与底坎垂直布置。

　　转铰止水与突扩门槽相比在中高水头弧门运用中具有明显优势：

　　①转铰止水较容易适应闸门径向变形量，且对闸门面板精度要求相对较低；

　　②结构简单、操作方便，不需另外设置偏心铰操作机构或加压控制设备等。可大大降低造价和制作难度；

　　③孔道平顺，水流条件较好，有利于高速水流的衔接。

　　但是由于转铰止水和侧止水布置不在同一曲面上，在顶侧止水连接角隅处易发生漏水。同时其连接多为现场粘接的方式，在闸门开启过程中橡皮与侧墙摩擦易产生撕裂损坏。对此三峡深孔弧门止水在以下几方面进行优化了设计。

　　（1）优化连接方式。由于常规不突扩止水所固有的弱点，其顶侧止水的结构形式虽较难改变，但其连接方式可由现场胶合改为工厂整体模压成型，制成异型连接构件，其与顶止水和侧止水的连接分别在直段胶合，加强顶侧止水角隅局部的连接强度。

　　（2）改善止水橡皮的材料性能。国内止水橡皮是参照前苏联闸门橡胶止水的有关技术规范，用天然橡胶或合成橡胶及优质高效配合剂制作而成，具有优良的弹性、耐磨、抗撕裂等性能。根据工程实践的经验，封水水头越高，需止水橡皮材料的硬度和强度就越大，然而橡胶太硬又不易变形，对封水效果反而不利，经与有关橡胶止水生产厂家和科研单位联合研究试制，最终选定的硬度为邵氏75，扯断强度为28.6MPa的橡胶配方材料，其硬度、强度和弹性等综合指标均较优。

　　止水断面模型和整体动态模型试验结果表明：

　　①试验认为在满足一定橡皮压缩量条件下设计止水方案整体密封效果良好，能满足80~100m封水要求。

　　②顶水封预压缩量3mm，底水封预压缩量8～10mm，侧水封预压缩量3～5mm，转铰水封预压缩量3～4mm.

　　③承压水头85m，通过反复启闭弧门，使水封与门槽反复摩擦，通过试验可知：水封的磨擦破坏先由聚四氟乙烯开始；当聚四氟乙烯与橡胶粘结不好时，聚四氟乙烯易被反复挤压断裂破坏，当聚四氟乙烯与橡胶粘结较好时，聚四氟乙烯被逐渐磨薄而露出橡胶；然后橡胶受磨损坏。当水封聚四氟乙烯与橡胶粘结良好，侧水封经原型弧门全开全关约100次（模型水封反复开启2600次，每次行程50cm），聚四氟乙烯磨损而露出橡胶；转铰水封经原型弧门全开全关约40～50次（模型水封反复开启1200次）后，聚四氟乙烯磨损而露出橡胶（局部有撕裂现象）；聚四氟乙烯磨损而露出橡胶后，水封尚可止水，但耐磨性较差，有待进一步研究改进水封材料。

　　3孔弧门结构设计

　　泄洪深孔工作闸门选用弧形门，孔口尺寸7m×9m（宽×高），设计水位175m，底坎高程90m，设计水头85m，校核水头90.4m，设计总水压力66000kN，支铰高程依据水工模型试验的水面曲线定为103.0m（至底坎13m），面板曲率半径16m（约孔口高的1.8倍）。深孔弧门的门体结构型式根据孔口尺寸为窄高型而采用主纵梁布置，并结合施工现场安装工期紧，数量多，以及安装条件的实际情况，从闸门结构运输单元划分、节间连接方式方面考虑，以尽量减少现场安装工作量和难度，主要工作均在工厂完成，确保闸门结构最终的质量，提高安装进度。因此闸门结构按纵向分为左右两块，节间用高强螺栓连接，且门叶与支臂、支臂与铰链间均采用螺栓连接，避免现场焊接引起的二次变形。

　　闸门由箱型主纵梁、小纵梁、小横梁、边梁及面板组成门叶梁系焊接结构，门叶结构采用焊后整体退火处理消除焊接应力及变形。门叶面板、左右门叶连接面进行机加工。支臂结构为箱型断面Q345D低合金钢板焊接结构，焊后整体退火处理消除焊接应力，板厚30mm，断面轮廓尺寸1.0m×1.2m.并按有关设计规范进行强度稳定计算。上、下、左、右支臂支杆间由连系杆件连成整体。上支臂在裤衩处用法兰螺栓连接。左右门叶在工地安装后弧面拼缝用V型坡口水密焊。弧门支铰采用圆柱铰，铰座铰链均采用45?#铸钢，支铰轴为40Cr锻钢，表面镀铬，轴瓦采用进口（DEVA）铜基镶嵌自润滑免维护轴承，轴承内径?800mm，内设密封圈。

　　4孔闸门水力学设计

　　根据最终审定的深孔闸门布置方案，按照九五科研计划分别委托北京水科院和长江科学院进行大比尺深孔闸门水力学及动力特性模型试验研究，为三峡深孔弧门的设计和安全运行提供依据和可靠保证。

　　模型试验表明：各种泄流条件下，深孔闸门段未发现特殊流态，作用于孔壁与弧门面板上的时均压力随水位升高而增大，随流速增加而减少，符合一般规律。

　　流激振动试验结果表明：

　　①作用在弧形闸门上的动水荷载，主要为高速水流的压力脉动和止水漏水缝隙射流形成的动水荷载，该荷载不但对结构强度产生影响，且可能诱发闸门振动，1∶26模型试验进行两组库水位175.0m及180.4m和弧门开度0.1~0.9九种工况的脉动压力测试，压力大小与上游水位，闸门开度及测点位置有关，其随闸门开度的增加而增大，靠近侧止水的边柱及门的底缘处，脉动压力较大。

　　②全水弹性模型闸门在各种泄流条件下试验表明，在常规的不模拟侧止水条件下，作用在闸门上的脉动压力的优势频率都在6.0Hz以内频带上，按水弹性模型中的脉动压力频率比尺换算到原型，则作用在原型闸门上的脉动荷载能量大的频率分量分布在1.34Hz以内频带上。模态分析已知原型闸门的第一阶自振动频率为3.96Hz，闸门自振频率远离脉动荷载优势频率，因此，闸门不会与其发生共振，而6.0Hz（原型为1.34Hz）以上某些脉动压力频率分量能量较小，不足以对闸门产生明显动力放大作用。振动将以随机强迫振动为主。

　　③振动位移随上游库水位增加而增大，位移的最大均方根值为431.23μm，出现在主纵梁与闸门底缘交接处，动应力最大均方根值为3.77MPa，出现在弧门面板顶部中间位置。有限元计算假定弧门两侧边为自由边，而在设计中除了加强了边柱，底缘，支臂的刚度采取有效措施外，还在侧向限制了约束，即侧止水橡皮压缩量取值为5mm，侧轮与轨板间隙按常规设计为5mm，因而弧门实际运行时振动位移及止水漏水缝隙射水的脉动影响将减小到最低程度。

　　三峡深孔弧形门结构及止水布置型式，经国内外已建工程的运行经验调查、方案比较、科学试验并经国内同行业专家充分讨论审查，确定并完成了设计，现已全部制造安装到位，我们将特别关注其运行情况及原型观察，总结经验。