蓮花水電站溢洪道弧形工作閘門側水封改造

宋德強，夏春明

（牡丹江水力發電總廠，黑龍江牡丹江157000）

1 工程概況

蓮花水電站位于黑龍江省海林市三道河鄉木蘭集村下游2 km處的牡丹江干流上，距牡丹江市160 km，是牡丹江中下游第一座梯級大型水電站。水庫設計正常蓄水位218 m，壩址以上控制流域面積3.02萬km2，水庫總庫容41.8億m3，為不完全多年調節水庫。電站總裝機容量550 MW，電站樞紐由攔河大壩、二壩、溢洪道、引水系統、發電廠房及開關站組成。

2 問題的提出

蓮花水電站泄洪采用岸坡開敞式溢洪道，設7個溢流表孔，每孔凈寬16 m，設7扇16×13.2m的弧形工作閘門，分別由7臺2×500 kN弧門卷揚式啟閉機操作，可宣泄校核洪水流量18570 m3／s。蓮花水電站溢洪道弧形工作閘門于1997年8月安裝完畢并正式投入運行，閘門止水效果良好。1998年汛前防汛檢查做4號閘門動水啟閉試驗之后，由于水封磨損，造成弧形工作閘門側止水出現少量漏水，隨著庫水位的增高，漏水量也逐漸增大。冬季由于閘門門葉鋼結構和閘墩混凝土結構同時收縮，漏水量逐漸加大，而隨著春季天氣變暖，漏水量又逐漸減小。隨后幾年里，防汛檢查時分別開啟2號、5號和7號閘門，均出現上述漏水缺陷。自2000年底開始，對1號、2號、3號、4號和5號閘門的止水進行了技術改造。改造主要是將閘門側止水橡皮的結構尺寸由原來的空心P60改為實心的P65，目的是通過增加止水的預壓縮量減小閘門漏水。但改造后只解決了夏季閘門漏水問題，并且出現水封磨損過重缺陷。改造后的閘門止水冬季止水效果并不理想，在冬季閘門依然漏水。東北地區閘門適應四季止水、效果理想的解決方案亟待提出。

3 閘門漏水原因分析

蓮花水電站溢洪道弧形工作閘門所采用的側水封形式在我國已建水電工程中應用較多，且未發生過嚴重的漏水情況，應該說這種形式的弧門側止水結構是可行的。而像蓮花水電站出現的這種情況非常少見。分析研究后認為，引起弧門側水封漏水的主要因素如下。

（1）蓮花水電站地處東北地區，一年四季溫差較大，極端最高氣溫37℃，極端最低氣溫為－45.2℃。冬季氣溫低時，閘門門葉鋼結構和閘墩混凝土結構同時收縮，由于溢洪道弧形工作閘門的寬度（16 m）在東北地區已建工程的露頂式弧形閘門中屬尺寸最大的，其收縮量也相應比其它工程大。通過測試計算，單側收縮值（約為8 mm）比按常規設計的閘門側止水4 mm的預壓縮量大，造成閘門門葉兩側與埋件側軌之間的間隙增大。由于原設計閘門側止水是用角鋼（側止水壓板）固定在閘門門葉上的，屬剛性聯接，閘門的側止水無法沿閘門孔口方向自由伸縮。當閘門寬度尺寸縮小時，側止水隨著閘門門葉向孔口中心移動，側止水橡皮頭脫離閘門埋件側軌上的不銹鋼座板，即閘門與埋件之間出現間隙，出現漏水現象。而隨著春季天氣變暖，弧形閘門的伸縮量又相應加大，漏水現象消失。

（2）閘門側止水橡皮的尺寸和埋件側軌上的不銹鋼座板平面度存在制造誤差，兩者之間的相對位置在安裝方面也有誤差，實際安裝后的側止水預壓量可能大于設計值，也可能小于設計值，橡皮頭外形尺寸大的部位和不銹鋼座板表面高的地方先接觸上，而相對尺寸小和表面低的地方待前者壓縮變形后才能接觸上。冬季，由于氣溫低，止水橡皮會變硬，其受壓縮后變形困難，造成橡皮與側軌之間局部存在間隙。總之，通過上面的分析，閘門漏水主要是門體過大加上熱脹冷縮造成的。

4 技術改造的必要性

冬季，由于閘門門體冷凍收縮，造成側止水與側軌之間局部地方出現間隙，庫水通過縫隙漏向下游，首先在門后結冰，隨著結冰范圍逐漸擴大，冰將側止水擠向孔口中心，隨著漏水量逐時逐日增加，在門后及其下游形成冰山，威脅閘門和水工建筑物的安全運行。春季，由于閘門門體受熱膨脹，造成側止水與側軌之間預壓量局部大于設計值，橡皮頭外形尺寸大和不銹鋼座板表面高的地方接觸較大，壓縮變形也較大，隨即出現開啟閘門時側止水局部磨損過大，進而促使冬季漏水加大。上述缺陷對電廠的安全生產和文明生產造成不同程度的損失，因此，對閘門止水進行改造、徹底根治漏水遺難問題十分必要。

5 技術改造方案

閘門止水改造主要是對側止水結構進行全面更換，從止水橡皮的斷面尺寸和材質兩個方面進行改進。

露頂式弧形閘門的側止水常采用的斷面型式有“P”型和“L”型兩大類。考慮到蓮花水電站溢洪道弧形工作閘門側止水以前采用“P”型斷面出現的問題，本次改造設計采用“L”型斷面側止水。

設計的原則是：保留閘門門葉上的側止水螺孔，并滿足“L”型側止水的橡皮頭與原埋件側軌上的不銹鋼座板的位置相適應，以此確定“L”型斷面側止水的主要結構尺寸，側止水壓板改用平板型壓板。

根據蓮花水電站溢洪道弧形工作閘門的寬度在冬季收縮變形大的特點，設計加大了側止水的預壓縮量。為防止因預壓量大引起“L”型止水橡皮在拐角處撕裂，或因閘門門葉側邊與側軌之間的間隙大，“L”型止水橡皮的一邊受水壓力后翻向下游造成“L”型止水橡皮在拐角處撕裂，采用的止水橡皮其板厚由常規的15 mm改為30 mm。

為了保證止水具有足夠的剛度，防止側止水因為預壓縮量過大造成橡皮翻轉，同時使橡皮頭具有一定的柔韌性，以適應不銹鋼座板表面不平，止水橡皮板與止水橡皮頭擬分別采用不同硬度的橡膠材質。

為減少閘門啟閉過程中對側止水的磨損，在止水橡皮頭與不銹鋼座板面接觸的部位表面用聚四氟乙烯層進行保護。由于橡膠與聚四氟乙烯的熱膨脹系數有差別，對蓮花水電站不宜采用粘貼聚四氟乙烯層，而是采用噴涂聚四氟乙烯層，聚四氟乙烯涂層的厚度為0.5±0.1 mm，噴涂工作在安裝現場進行。

改造后的底止水斷面水封裝配尺寸及各種工況如圖1所示。

圖1 側止水的斷面水封裝配尺寸及各種工況圖Fig.1 Assembly dimension of the water seal and different kinds of conditions

6 改造施工技術要求

6.1 引用標準和規程規范

水封的改造按現行DL／T5018-2004《水電水利工程鋼閘門制造安裝及驗收規范》中的有關規定執行。

6.2 橡膠水封的質量要求

水封采用專業廠家的品牌產品。

閘門側水封、底水封的物理機械性能見表1。

表1 側水封、底水封的物理機械性能Table 1:Physical mechanical properties of the side water seal and bottom water seal

橡膠水封表面應光滑平直，其厚度極限偏差為±1.0 mm，截面其他尺寸的允許偏差為設計尺寸的2%。

6.3 閘門水封聚四氟乙烯涂層的施工

聚四氟乙烯涂層的施工應在氣溫5℃以上的晴天或在較好的氣候條件下進行，其步驟如下。

（1）打磨

先將水封被涂部位用細砂紙打毛，并用干凈的布或毛巾擦去水封上的細砂粒及其它雜物。

（2）清洗

用無水乙醇清洗被打磨部位2～3次，并晾干。

（3）涂層

待清洗晾干后，用水封廠提供的涂料進行涂層的涂裝。涂裝的層數、每層厚度、間隔時間、調配方法和涂裝時注意事項等，應按水封制造廠提供的說明書規定執行。

6.4 橡膠水封的安裝

橡膠水封的螺孔位置應與門葉及水封壓板上的螺孔位置一致，孔徑應比螺栓小1.0 mm，應采用專用空心鉆頭掏孔并嚴禁燙孔。

所有閘門橡膠水封接頭的粘接，應用水封廠家提供的粘接劑膠合，并按水封廠家提供的技術說明書進行。接頭的抗拉強度應不低于表1中橡膠水封抗拉強度的85%。

6.5 橡膠水封的檢查

橡膠水封安裝后，在閘門全關位置，橡膠水封的壓縮量應符合設計圖紙規定，并進行透光檢查，不應有透亮或間隙。

6.6 閘門啟閉試驗

水封安裝好后，應作閘門啟閉試驗。

（1）無水情況下全行程啟閉試驗

本項試驗過程中，檢查支鉸轉動情況，應做到啟閉過程平穩無卡阻、水封橡皮無損傷。必須對水封橡皮與不銹鋼水封座板的接觸面采用清水沖淋潤滑，以防損壞水封橡皮。

（2）動水啟閉試驗

試驗水頭應盡量接近設計操作水頭，動水啟閉試驗包括全程啟閉試驗和局部開啟試驗，檢查支鉸轉動、閘門振動、水封密封等有無異常情況。

7 結語

通過更換“L”型斷面側止水，能夠有效防止蓮花水電站溢洪道弧形工作閘門夏季受熱膨脹引起側止水與側軌之間預壓量局部大于設計值，壓縮變形也較大，隨即出現開啟閘門時側止水局部磨損過大，進而冬季漏水加大的缺陷。

幾年的運行使用觀察表明，“L”型斷面側止水能夠適應閘門門體受熱膨脹、遇冷收縮的變化，不僅解決了多年來的漏水與水封磨損缺陷，而且節省了每年近六十萬元的維護費用。“L”型斷面側止水在蓮花水電站溢洪道弧形工作閘門上的成功應用，為解決寒冷地區閘門漏水與水封磨損缺陷提供了成熟經驗。■