高壓弧門上浮問(wèn)題的探討

劉進(jìn)步 王 鵬

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 陜西 西安 710001）

1 高壓弧門上浮問(wèn)題

壓力洞出口高壓弧形閘門運(yùn)行中常出現(xiàn)的一個(gè)問(wèn)題是閘門在完全關(guān)閉后，水封封水良好，關(guān)閉一段時(shí)間后，閘門底部、頂水封處就開(kāi)始漏水，在漏水量達(dá)到一定程度后基本不在增加（除非閘前水位出現(xiàn)較大變化），這一現(xiàn)象，稱其為“上浮”，這里的上浮是指由于閘門上浮力矩推動(dòng)閘門向上移動(dòng)，一旦閘門向上移動(dòng)，閘門頂、底水封密封壓力不足，造成閘門漏水的現(xiàn)象。該現(xiàn)象最先在二郎壩天生橋水庫(kù)引水發(fā)電洞出口3 m×3m-135m弧門中出現(xiàn)，后在黑河金盆水庫(kù)輸水發(fā)電洞出口2 m×2m-100m弧門、馮家山水庫(kù)泄洪排沙洞出口4.9 m×4.9 m-70 m弧門等多個(gè)工程中也有出現(xiàn)，多見(jiàn)于中、小孔口，中、高水頭的弧形閘門，閘門啟閉機(jī)為液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的工程設(shè)計(jì)中。

2 上浮因素的成因

通過(guò)對(duì)幾個(gè)工程閘門上浮問(wèn)題觀察和分析，造成閘門上浮因素主要有以下幾方面：

2.1 閘門結(jié)構(gòu)因素

閘門結(jié)構(gòu)存在的上浮因素主要是閘門水封布置存在上托力。在閘門關(guān)閉后，閘門面板下部、頂水封處存在水壓產(chǎn)生的上托力；閘門底水封、頂水封處水封預(yù)壓力產(chǎn)生的反彈力（上托力）使閘門產(chǎn)生上浮力矩。在上浮力矩作用下，閘門是否會(huì)上浮，可以通過(guò)基本理論推算進(jìn)行判斷，即假定閘門關(guān)閉后，啟閉機(jī)對(duì)閘門沒(méi)有約束力，閘門和埋件之間為理想狀態(tài)，閘門自重力矩+側(cè)水封摩擦阻力矩是否大于上托力矩。如果大于，閘門在關(guān)閉后，可以維持密封狀態(tài)；如果上托力大，閘門可能會(huì)在上托力作用下促使閘門上浮，在上浮過(guò)程中，頂、底水封預(yù)壓量降低，上托力距也逐漸減小，直到阻力矩和上托力矩達(dá)到平衡。計(jì)算時(shí)，閘門自重考慮門葉、支臂重力矩，水封預(yù)壓及水壓變形和側(cè)軌之間的最小摩擦力矩；上托力矩包括閘門面板下部、頂水封處水壓力上托力矩，閘門底水封、頂水封處水封預(yù)壓力（水封滿足封水要求和水封座板之間的接觸壓力）的上托力矩。這幾個(gè)關(guān)系中，除門葉、支臂自重對(duì)鉸心力矩比較準(zhǔn)確外，其他參數(shù)中的預(yù)壓力、最小摩擦系數(shù)都很難符合實(shí)際，但按照水封預(yù)壓3mm～5mm，按最小摩擦系數(shù)進(jìn)行估算，可以在設(shè)計(jì)初期驗(yàn)證閘門是否會(huì)在關(guān)閉后保持平衡。

2.2 脈動(dòng)水壓因素

黑河金盆水庫(kù)輸水洞出口弧形閘門孔口尺寸2 m×2 m，設(shè)計(jì)靜水頭80.7 m。閘門門葉自重3.3 t，支臂重2.93 t，閘門頂、底水封預(yù)壓5mm。現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，閘門頂、底都漏水，在閘門左下角，會(huì)規(guī)律性的射出一股2 m～2.5 m長(zhǎng)的水流，在射水瞬間，門頂和門底漏水量明顯增加，短暫回落后，又開(kāi)始射水，循環(huán)脈動(dòng)出現(xiàn)。用一張銀行卡，無(wú)法插入閘門頂水封和水封座板間，估計(jì)漏水間隙不會(huì)大于1mm。假定在沒(méi)有啟閉機(jī)約束情況下對(duì)閘門重量和各摩擦力形成的阻力矩和閘門結(jié)構(gòu)所受的上托力矩進(jìn)行平衡驗(yàn)算，閘門在80.7 m～40 m水頭區(qū)間，不能夠自平衡，最大不平衡上托力矩為216.7kN·m，換算成在閘門主梁中心位置的加重量為6.5 t。在2010年4月14日～15日，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了加重試驗(yàn)，閘門配重6 t后，觀察30分鐘，下部不再射水，總漏水量明顯減小，考慮計(jì)算為理想狀態(tài)，多加對(duì)防止漏水有利，但同時(shí)要兼顧啟閉機(jī)的安全運(yùn)行，結(jié)合試驗(yàn)情況，確定加重量8 t，加重后的1天～2天基本不漏水。大約1個(gè)星期后觀察，漏水量和射水情況比加重前得到較大改善，但依然過(guò)大，后補(bǔ)設(shè)機(jī)械鎖方式控制漏水。

在實(shí)施加重時(shí)，閘門處于關(guān)閉狀態(tài)，未進(jìn)行液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作，可排除液壓?jiǎn)㈤]機(jī)因素。發(fā)電洞機(jī)組運(yùn)行時(shí)的脈動(dòng)水壓是弧門上托力處于交變狀態(tài)。閘門在脈動(dòng)水壓下，會(huì)微震，上托力循環(huán)增加、減少，猶如一個(gè)水擊錘一樣向上敲打閘門，一旦閘門微微上浮，就無(wú)法回落，如此循環(huán)，直到上托的水擊力矩和閘門阻力矩平衡。加重試驗(yàn)也驗(yàn)證了脈動(dòng)水壓緩慢推動(dòng)閘門上浮直到新的平衡點(diǎn)。黑河工程中由于無(wú)法對(duì)弧門前脈動(dòng)壓力進(jìn)行觀察，缺少分析脈動(dòng)水壓大小的第一手資料。在其余類似新建工程中，建議在弧門前設(shè)置壓力傳感器，對(duì)門前脈動(dòng)水壓進(jìn)行原型觀察，了解脈動(dòng)水壓大小和頻率，以便對(duì)出口閘門安全進(jìn)行有效設(shè)計(jì)。

2.3 液壓?jiǎn)㈤]機(jī)因素

高壓弧形閘門由于自重輕，需要通過(guò)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)提供閉門力，當(dāng)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)將閘門完全關(guān)閉后，液壓油泵停止運(yùn)行，閘門依靠自重、摩擦阻力維持關(guān)閉位置。活塞桿對(duì)閘門的下壓力也會(huì)隨液壓油的“溫變效應(yīng)”逐漸回歸到0，并出現(xiàn)活塞桿“回抽”現(xiàn)象。液壓油的溫變效應(yīng)是由于油溫的變化，油液容積產(chǎn)生變化。水口船閘下沉式閘門采用2×800kN德國(guó)力士樂(lè)公司液壓系統(tǒng)，對(duì)由于液壓缸油溫變化而導(dǎo)致液壓容積變化引起的閘門下沉進(jìn)行多次試驗(yàn)和精確測(cè)量，溫度變化折合為油缸行程變化值為：0.2mm/℃·m。這個(gè)值看起來(lái)很小，但影響較大。黑河引水洞弧門采用的液壓?jiǎn)㈤]機(jī)QHSY800kN/400kN，最大行程3.3 m，如果油溫有5°的變化，油缸行程變化3.3mm，已經(jīng)不能保證閘門水封的密封性能，漏水就是必然的。“溫變效應(yīng)”引起的油缸行程改變，是隨油溫緩慢變化，通過(guò)液壓油的體積膨脹系數(shù)βt=6.5×10-4/℃和油缸油溫變化，可以計(jì)算出液壓油冷卻后油缸的空腔體積和行程變化量。當(dāng)然，通過(guò)高精度的行程測(cè)量?jī)x和油缸油溫檢測(cè)儀得到的最基本的數(shù)據(jù)更符合工程實(shí)際，了解和掌握每個(gè)工程油缸的這一數(shù)據(jù)，可預(yù)測(cè)油缸活塞桿的自然變位，評(píng)估其對(duì)閘門水封預(yù)壓量、下沉等因素的影響，并采取積極的應(yīng)對(duì)和預(yù)防措施。

3 改善上浮因素的措施

通過(guò)布置和結(jié)構(gòu)的細(xì)化，優(yōu)化閘門止水設(shè)計(jì)，盡量減少閘門結(jié)構(gòu)上的上托力，在設(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)先考慮。常規(guī)設(shè)計(jì)把底水封設(shè)在閘門上，這樣設(shè)置的缺點(diǎn)是閘門面板和底水封處都有較大的上托力，而且止水橡皮頭高出面板底沿5mm～10mm，造成閘門開(kāi)啟時(shí)高速過(guò)流面不齊平。如果將封水橡皮固定在底檻上，閘門面板下沿結(jié)構(gòu)就可大大簡(jiǎn)化。面板弧面前緣和底檻上橡皮相接觸，底檻上橡皮采用梯形斷面，用梯形壓板在下游側(cè)向固定在底檻上，壓板及固定螺栓采用不銹鋼材料。這種設(shè)計(jì)在日本宇奈月壩排沙底孔工作弧門中采用。為防止閘門面板底部沖蝕，門體下部約200mm采用304不銹鋼厚鋼板，這樣設(shè)計(jì)可以極大限度的降低來(lái)自閘門底部的上托力。如果門頂水封和門底水封預(yù)壓都設(shè)在豎向壓縮，一旦閘門上浮，頂水封、底水封預(yù)壓均不能滿足封水要求，而將頂水封的水封座板布置在和橡皮頭徑向垂直方向，即便是閘門出現(xiàn)上浮，頂水封的密封不會(huì)受到任何影響。

液壓?jiǎn)㈤]機(jī)附加蓄能器，使液壓油缸上腔始終保持一定的壓力，通過(guò)油缸活塞桿壓緊閘門似乎也是一種解決方式。這種方式對(duì)沒(méi)有脈動(dòng)水壓的壓力洞出口弧門是完全可以接受的；但對(duì)于有脈動(dòng)水壓的壓力洞出口弧門，每次脈動(dòng)水壓都是對(duì)液壓油缸系統(tǒng)的一次沖擊，長(zhǎng)期使用對(duì)油缸安全不利，不建議采用。

采取在門頂設(shè)置機(jī)械鎖定的方式，即將閘門完全關(guān)閉后，用機(jī)械鎖定方式壓緊閘門頂部，是一種可以完全消除上浮因素的方式。對(duì)于已經(jīng)建成的引水發(fā)電洞出口弧門，采取機(jī)械鎖定防止閘門上浮也是最簡(jiǎn)單有效的解決方案。如果機(jī)械鎖定設(shè)計(jì)為機(jī)電一體化的形式，可以通過(guò)控制柜操作按鈕完成，使閘門遠(yuǎn)程操作不受影響，是比較優(yōu)的解決方案。

4 常規(guī)設(shè)計(jì)的替代方案

改變常規(guī)弧門布置方案，完全消除上托力因素，如在某國(guó)外工程，法國(guó)設(shè)計(jì)的引水洞出口小弧門設(shè)計(jì)是將弧門直接布置在引水洞圓管道出口，不采用圓變方的形式，將水封布置在埋件上，閘門關(guān)閉后，完全沒(méi)有上托力，也不需要設(shè)置防止閘門局部開(kāi)啟時(shí)的防射水水封，類似于突擴(kuò)門槽+埋件上布置常規(guī)水封的方式，對(duì)于50 m以下中、低水頭閘門，是比較優(yōu)化的選擇。當(dāng)水頭高于80 m～100m時(shí)，偏心鉸弧門和充壓水封弧門是防止上浮的有效選擇，但相應(yīng)的閘門結(jié)構(gòu)、水工結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用流量調(diào)節(jié)閥（活塞閥）代替弧門進(jìn)行水量和壓力調(diào)節(jié)，對(duì)于通徑DN2000以內(nèi)的過(guò)流斷面，都有較多的生產(chǎn)商供選擇。活塞閥具有承壓高（壓力等級(jí)可達(dá)10 MPa），可以進(jìn)行精確的流量調(diào)節(jié)，可以保持流量與開(kāi)度在全行程的線性比例關(guān)系，無(wú)氣蝕和震動(dòng)，在工程中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。比如磨盤山水庫(kù)供水工程采用3臺(tái)DN1600、2臺(tái)DN1400活塞閥，大伙房水庫(kù)共計(jì)采用活塞閥19臺(tái)，其中DN1600閥9臺(tái)。大隆水利樞紐工程、長(zhǎng)沙引水工程也都采用DN1600活塞閥，山西引黃入晉北干線工程放水洞須消減134 m水頭到接近放空出流，放水流量在0.34m3/s～3.1m3/s，事故過(guò)閥流量6.5m3/s，采用DN1200，PN25活塞閥+補(bǔ)氣系統(tǒng)解決方案調(diào)節(jié)特性。活塞閥閘室結(jié)構(gòu)和水工消能都比偏心鉸和充壓水封弧門簡(jiǎn)單，操作方便，調(diào)節(jié)特性好，是解決中、小流量，中、高壓力出口流量調(diào)節(jié)的很好選擇。