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三峽泄洪深孔弧形工作門結(jié)構(gòu)及水封型式研究論文
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(jì)經(jīng)過國內(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結(jié)構(gòu)，水封型式為轉(zhuǎn)鉸式頂止水。本文概述了閘門結(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：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�；￠T用擺缸式雙作用液壓啟閉機(jī)動(dòng)水操作,單吊點(diǎn)，吊頭與弧門頂?shù)醵噙B，一門一機(jī),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(jī)借助抓梁操作。
水庫運(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)長江三峽洪水特點(diǎn)、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(yùn)行閘門操作水頭40～50m（操作水位135～145m）。永久運(yùn)用期常見操作水頭50～60m（操作水位145～155m），更高水頭操作的機(jī)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(jì)階段圍繞深孔體型及其閘門止水布置方式進(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、工作門采用不突擴(kuò)常規(guī)止水的弧形門布置方案。在1996年技術(shù)設(shè)計(jì)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(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(kuò)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(jìn)行了多種方案的專題研究，并進(jìn)行了水工模型試驗(yàn)，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(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(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：
①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槽；
②三峽深孔運(yùn)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(yùn)行，相比之下跌坎摻氣門槽方案對各種運(yùn)行水頭適應(yīng)性較強(qiáng)；
�、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(kuò)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(jìn)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(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(yùn)行的實(shí)際情況，經(jīng)過對國內(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(dòng)止水元件繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，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(yùn)用中具有明顯優(yōu)勢：
�、俎D(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；
②結(jié)構(gòu)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(jià)和制作難度；
�、劭椎榔巾�，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)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(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：
�、僭囼�(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。
�、鄢袎核^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(yàn)可知：水封的磨擦破壞先由聚四氟乙烯開始；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(jìn)一步研究改進(jìn)水封材料。
3孔弧門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
泄洪深孔工作閘門選用弧形門，孔口尺寸7m×9m（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(shí)際情況，從閘門結(jié)構(gòu)運(yùn)輸單元?jiǎng)澐�、�?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(jìn)度。因此閘門結(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(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，斷面輪廓尺寸1.0m×1.2m。并按有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行強(qiáng)度穩(wěn)定計(jì)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(jìn)口（DEVA）銅基鑲嵌自潤滑免維護(hù)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(jì)
根據(jù)最終審定的深孔閘門布置方案，按照九五科研計(jì)劃分別委托北京水科院和長江科學(xué)院進(jìn)行大比尺深孔閘門水力學(xué)及動(dòng)力特性模型試驗(yàn)研究，為三峽深孔弧門的設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行提供依據(jù)和可靠保證。
模型試驗(yàn)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(shí)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(dòng)試驗(yàn)結(jié)果表明：
①作用在弧形閘門上的動(dòng)水荷載，主要為高速水流的壓力脈動(dòng)和止水漏水縫隙射流形成的動(dòng)水荷載，該荷載不但對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度產(chǎn)生影響，且可能誘發(fā)閘門振動(dòng)，1∶26模型試驗(yàn)進(jìn)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(dòng)壓力測試，壓力大小與上游水位，閘門開度及測點(diǎn)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(dòng)壓力較大。
②全水彈性模型閘門在各種泄流條件下試驗(yàn)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(dòng)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(dòng)壓力頻率比尺換算到原型，則作用在原型閘門上的脈動(dòng)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(dòng)頻率為3.96Hz，閘門自振頻率遠(yuǎn)離脈動(dòng)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(dòng)壓力頻率分量能量較小，不足以對閘門產(chǎn)生明顯動(dòng)力放大作用。振動(dòng)將以隨機(jī)強(qiáng)迫振動(dòng)為主。
�、壅駝�(dòng)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(dòng)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(jì)算假定弧門兩側(cè)邊為自由邊，而在設(shè)計(jì)中除了加強(qiáng)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(jì)為5mm，因而弧門實(shí)際運(yùn)行時(shí)振動(dòng)位移及止水漏水縫隙射水的脈動(dòng)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(yùn)行經(jīng)驗(yàn)調(diào)查、方案比較、科學(xué)試驗(yàn)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(jì)，現(xiàn)已全部制造安裝到位，我們將特別關(guān)注其運(yùn)行情況及原型觀察，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。
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