水利工程論文-三峽泄洪深孔弧形工作門(mén)結(jié)構(gòu)及水封型式研究摘要：三峽樞紐泄洪深孔弧形工作門(mén)是三峽樞紐最重要的泄洪控制設(shè)備，弧形工作門(mén)及其水封型式的設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)已建工程運(yùn)行實(shí)踐的調(diào)查研究及選定方案的科研試驗(yàn)，最終選定了主縱梁式弧形門(mén)結(jié)構(gòu)，水封型式為轉(zhuǎn)鉸式頂止水。本文概述了閘門(mén)結(jié)構(gòu)布置、水封型式設(shè)計(jì)特點(diǎn)及模型試驗(yàn)研究成果。關(guān)鍵詞：深孔弧門(mén)水封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三峽樞紐三峽水利樞紐工程泄洪壩段共設(shè)23個(gè)泄洪深孔，每孔設(shè)置三道閘門(mén)：孔道進(jìn)口上游壩面設(shè)置反鉤式檢修疊梁門(mén)；孔道中部設(shè)平板定輪事故閘門(mén)；孔道有壓段末端設(shè)弧形工作閘門(mén)?；￠T(mén)用擺缸式雙作用液壓?jiǎn)㈤]機(jī)動(dòng)水操作,單吊點(diǎn)，吊頭與弧門(mén)頂?shù)醵噙B，一門(mén)一機(jī),啟閉容量為4500/1000kN。事故閘門(mén)及檢修疊梁門(mén)由壩頂5000kN/2630kN門(mén)式起重機(jī)借助抓梁操作。水庫(kù)運(yùn)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(duì)頻繁的特點(diǎn)，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(zhǎng)江三峽洪水特點(diǎn)、樞紐布置及調(diào)度方式，深孔弧門(mén)有局部開(kāi)啟的要求。水庫(kù)初期運(yùn)行閘門(mén)操作水頭4050m（操作水位135145m）。永久運(yùn)用期常見(jiàn)操作水頭5060m（操作水位145155m），更高水頭操作的機(jī)會(huì)較少，閘門(mén)多處于擋水狀態(tài)。1泄洪深孔體型及閘門(mén)布置方案研究在初步設(shè)計(jì)階段圍繞深孔體型及其閘門(mén)止水布置方式進(jìn)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(mén)采用不突擴(kuò)常規(guī)止水的弧形門(mén)布置方案。在1996年技術(shù)設(shè)計(jì)的金屬結(jié)構(gòu)專(zhuān)家審查會(huì)上專(zhuān)家們提出了很多意見(jiàn)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35m/s，工作弧門(mén)啟閉頻繁，并有局部開(kāi)啟要求，建議結(jié)合深孔摻氣減蝕措施研究弧門(mén)采用突擴(kuò)門(mén)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(duì)孔道體形及閘門(mén)止水布置進(jìn)行了多種方案的專(zhuān)題研究，并進(jìn)行了水工模型試驗(yàn)，集中研究門(mén)槽突擴(kuò)突跌、跌坎摻氣等布置（對(duì)應(yīng)閘門(mén)止水采用液壓伸縮式和常規(guī)不突擴(kuò)門(mén)槽止水）。試驗(yàn)研究認(rèn)為突擴(kuò)與不突擴(kuò)方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，突擴(kuò)門(mén)槽對(duì)閘門(mén)止水布置較為有利，在水力學(xué)方面均可滿足設(shè)計(jì)要求，在實(shí)際工程中均有成功實(shí)例，減壓試驗(yàn)表明門(mén)槽側(cè)擴(kuò)不是空化源；但從工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、運(yùn)行條件、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度等方面仍有差異：從水力學(xué)角度，通過(guò)優(yōu)化體形的突擴(kuò)門(mén)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(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(mén)槽；三峽深孔運(yùn)用條件復(fù)雜，要求在135175m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(yùn)行，相比之下跌坎摻氣門(mén)槽方案對(duì)各種運(yùn)行水頭適應(yīng)性較強(qiáng)；三峽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(kuò)門(mén)槽對(duì)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(huì)組織的水工專(zhuān)家進(jìn)行專(zhuān)題審查討論會(huì)審定采用跌坎摻氣門(mén)槽方案，跌坎高1.5m。2止水布置及試驗(yàn)研究三峽樞紐泄洪深孔運(yùn)行期將歷經(jīng)施工導(dǎo)流期、初期發(fā)電運(yùn)行期及永久運(yùn)行期，工作水頭變幅在4585m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(yùn)行的實(shí)際情況，經(jīng)過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)已建在建工程設(shè)計(jì)運(yùn)行實(shí)踐的調(diào)查研究，選定深孔弧門(mén)采用不突擴(kuò)的門(mén)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(mén)楣頂部門(mén)槽埋件上，借助于不銹鋼片和上游庫(kù)水壓力推動(dòng)止水元件繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，壓緊在經(jīng)過(guò)機(jī)加工的弧門(mén)面板上，以適應(yīng)閘門(mén)受水壓變形并達(dá)到封水目的。這種布置具有適應(yīng)變形能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造加工操作運(yùn)行方便等特點(diǎn)。為適應(yīng)三峽各種運(yùn)行水位，做到在低水位時(shí)不漏水，高水位時(shí)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(shí)在頻繁操作的條件下可減少對(duì)面板防腐涂層的磨損，延長(zhǎng)防腐壽命。另在閘門(mén)頂部設(shè)置1道蓋板式頂止水。以確保閘門(mén)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(mén)槽相比在中高水頭弧門(mén)運(yùn)用中具有明顯優(yōu)勢(shì)：轉(zhuǎn)鉸止水較容易適應(yīng)閘門(mén)徑向變形量，且對(duì)閘門(mén)面板精度要求相對(duì)較低；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jià)和制作難度；孔道平順，水流條件較好，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(shí)其連接多為現(xiàn)場(chǎng)粘接的方式，在閘門(mén)開(kāi)啟過(guò)程中橡皮與側(cè)墻摩擦易產(chǎn)生撕裂損壞。對(duì)此三峽深孔弧門(mén)止水在以下幾方面進(jìn)行優(yōu)化了設(shè)計(jì)。（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(diǎn)，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(chǎng)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(qiáng)頂側(cè)止水角隅局部的連接強(qiáng)度。（2）改善止水橡皮的材料性能。國(guó)內(nèi)止水橡皮是參照前蘇聯(lián)閘門(mén)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(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，封水水頭越高，需止水橡皮材料的硬度和強(qiáng)度就越大，然而橡膠太硬又不易變形，對(duì)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(qiáng)度為28.6MPa的橡膠配方材料，其硬度、強(qiáng)度和彈性等綜合指標(biāo)均較優(yōu)。止水?dāng)嗝婺Ｐ秃驼w動(dòng)態(tài)模型試驗(yàn)結(jié)果表明：試驗(yàn)認(rèn)為在滿足一定橡皮壓縮量條件下設(shè)計(jì)止水方案整體密封效果良好，能滿足80100m封水要求。頂水封預(yù)壓縮量3mm，底水封預(yù)壓縮量810mm，側(cè)水封預(yù)壓縮量35mm，轉(zhuǎn)鉸水封預(yù)壓縮量34mm。承壓水頭85m，通過(guò)反復(fù)啟閉弧門(mén)，使水封與門(mén)槽反復(fù)摩擦，通過(guò)試驗(yàn)可知：水封的磨擦破壞先由聚四氟乙烯開(kāi)始；當(dāng)聚四氟乙烯與橡膠粘結(jié)不好時(shí)，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(shí)，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(mén)全開(kāi)全關(guān)約100次（模型水封反復(fù)開(kāi)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(mén)全開(kāi)全關(guān)約4050次（模型水封反復(fù)開(kāi)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(jìn)一步研究改進(jìn)水封材料。3孔弧門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)泄洪深孔工作閘門(mén)選用弧形門(mén)，孔口尺寸7m9m（寬高），設(shè)計(jì)水位175m，底坎高程90m，設(shè)計(jì)水頭85m，校核水頭90.4m，設(shè)計(jì)總水壓力66000kN，支鉸高程依據(jù)水工模型試驗(yàn)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(mén)的門(mén)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(chǎng)安裝工期緊，數(shù)量多，以及安裝條件的實(shí)際情況，從閘門(mén)結(jié)構(gòu)運(yùn)輸單元?jiǎng)澐帧⒐?jié)間連接方式方面考慮，以盡量減少現(xiàn)場(chǎng)安裝工作量和難度，主要工作均在工廠完成，確保閘門(mén)結(jié)構(gòu)最終的質(zhì)量，提高安裝進(jìn)度。因此閘門(mén)結(jié)構(gòu)按縱向分為左右兩塊，節(jié)間用高強(qiáng)螺栓連接，且門(mén)葉與支臂、支臂與鉸鏈間均采用螺栓連接，避免現(xiàn)場(chǎng)焊接引起的二次變形。閘門(mén)由箱型主縱梁、小縱梁、小橫梁、邊梁及面板組成門(mén)葉梁系焊接結(jié)構(gòu)，門(mén)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(mén)葉面板、左右門(mén)葉連接面進(jìn)行機(jī)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