埃塞俄比亞GIBE Ⅲ水電站中孔附環閘門的設計

陳相楠, 姚昌杰

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

埃塞俄比亞GIBE Ⅲ水電站中孔附環閘門的設計

陳相楠, 姚昌杰

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

附環閘門的設計是我公司在走向國際化市場業務的一次重要技術探索和創新，被應用于埃塞俄比亞GIBE Ⅲ水電站中孔，閘門擋水水頭和操作水頭達到了142 m。本文結合GIBE Ⅲ水電站中孔的流道布置、水力設計及附環閘門的結構特點提出了附環閘門的設計原則、考慮的因素和具體措施。

附環閘門; 結構設計; GIBE Ⅲ水電站

0 前 言

隨著水電事業的發展和高庫大壩的涌現，泄水建筑物的閘門工作水頭日益提高。一方面，現有高水頭大壩的設計一般設置有放空洞，放空洞不考慮參與泄洪，只做水庫放空用，故閘門的擋水水頭可能很高，但動水操作的水頭一般控制在100 m以內;另一方面，國內現有高水頭工作閘門通常采用沖壓止水弧形閘門、偏心鉸弧門，閘門動水操作的水頭一般控制在100 m以內。我公司在開展國際市場業務的過程中，卻遇見業主或者咨詢公司要求大壩的底孔兼具有泄洪與放空的作用。GIBE Ⅲ水電站中孔閘門便是如此，業主要求遇到大洪水時，閘門具備在142 m高水頭工況下動水操作的能力。

GIBE Ⅲ水電站為埃塞俄比亞OMO河梯級開發中的第3級電站，壩型為混凝土重力壩，電站裝設10臺187 MW的混流式水輪發電機組。該項目的業主為埃塞俄比亞國家電力公司，咨詢方為意大利的ER公司和法國的柯因公司，土建承包商為意大利Salini公司，土建設計為意大利的SP公司。東方電氣集團國際合作有限公司為本項目的機電及水工金屬結構設備總承包方，我公司承擔本電站金屬結構設備及機電設備的設計工作。

1 GIBE Ⅲ中孔布置

GIBE Ⅲ水電站大壩設7個溢洪道和2個中孔。2個中孔分別布置于大壩的左右兩側，業主要求滿足蓄水過程中的調節下泄流量、放空水庫和泄洪的功能。電站正常蓄水位為892.00 m，中孔底坎高程為750.00 m。中孔原設計方案設置兩道閘門，流道中部設置事故閘門，出口處設置弧形工作閘門，其孔口尺寸為4 m×5.8 m。2011年5月，土建設計單位告知經水力學模型試驗證實，由于流道的漸變段和閘門門槽部在高水位運行情況下產生較嚴重的空化空蝕，放棄弧形閘門布置方案，要求我公司重新考慮中孔閘門布置型式。在進行了大量的研究工作后，為改善水力學條件，中孔流道除進口為矩形漸變段外，其后均為圓形斷面。我們在中孔流道布置了三道閘門，進口處設置檢修閘門，采用壩頂門機操作；出口處設置事故閘門及工作閘門，事故閘門與工作閘門均采用附環閘門，采用8 000 kN/6 000 kN(啟門力/閉門力)液壓啟閉機操作。新布置方案獲得業主、咨詢公司及土建承包商三方認可，并經水力學模型試驗驗證可行后最終確定(見圖1)。

圖1 GIBE Ⅲ中孔流道布置

2 閘門的水力設計

附環閘門是高水頭平面閘門的一種，在高水頭平面閘門的基礎上于閘門底部增設附環結構，使閘門開啟時，附環結構對門槽部分進行回補后無門槽，以保證整個流道為圓形斷面，減少了流道形狀的變化。泄洪時等于無門槽，出流為圓形斷面，能避免或減少高速水流與門槽的空化空蝕，滿足高速水流下流道的設計要求。GIBE Ⅲ水電站的中孔工作閘門及事故閘門均采用附環閘門，其操作水位達到了142 m，事故閘門的孔口直徑為Φ5.4 m，出口工作閘門直徑為Φ4.6 m，單孔泄洪能力能達到810 m3/s。閘門段進出流條件、門槽的抗空化能力及門槽下游相鄰區域的邊界水力特性等成為水力設計中的關鍵問題，在設計中我們特別加以關注并開展了相關的試驗研究工作(見圖2)。

圖2 附環閘門的操作示意

GIBE Ⅲ水電站的土建設計承包商SP公司在確定中孔閘門布置之后，委托瑞士聯邦理工學院(Swiss Federal Institute of Technology Zurich)展開了中孔流道的水力學試驗研究。同時，我公司也是第一次設計附環閘門，且國內也未曾有類似閘門的設計經驗，我們分析認為，在啟、閉過程中經歷的部分開啟工況，水力流態紊亂。閘門橫向、縱向附加激振力及頻率對閘門結構和啟、閉力會造成大的影響，必須加以研究。附環閘門的動水操作水頭很高，高速水流下若閘門起升的穩定性及閘門的剛、強度和變形得不到有效控制，就可能造成閘門啟閉的困難。故我公司特委托長江科學研究院進行了該閘門的水力學及流激振動模型試驗研究。

2.1 出口錐管設計

由于高速水流下，附環閘門的附環結構與圓形流道的圓周能否對齊，是避免流道內產生有害漩渦或空穴的主要措施。在設計附環閘門門槽時,我們在其出口設計了錐管段，流道由事故閘門處的Φ5.4 m壓縮至出口處工作閘門的Φ4.6 m，以提高錐管前壓力，錐管后無壓泄流。借此消除流道表面和附環突出部分的空蝕現象，并能適應附環閘門處于全開位置時，自行下沉而形成凹凸不平的錯臺。設計時，要求液壓啟閉機在附環閘門下滑達到2 cm時，啟動回升裝置。

試驗研究表明門槽段及鄰近區域的時均壓力分布正常，沿程壓力變化平緩，附環閘門門槽段及鄰近區域的水流脈動壓力均較小；事故閘門前后水流空化數較大，無空蝕危險；臨近工作閘門槽的流道末端水流空化數相對較小。事故閘門附環與流道形成±0.10 m的錯臺后，附環閘門門槽段及鄰近區域水流順暢，未見不良流態；凸坎及凹槽前后的時均壓力均有一定升降，時均壓力最大變化約7×9.81 kPa，水流脈動壓力也有不同程度的增加，但鑒于該段流道的時均壓力值較大，該區段的水流空化數變化不大，亦不會產生空蝕現象。

2.2 門槽下游邊界設計

在工作水頭下，附環閘門出閘水流流速接近50 m/s，若出口處門槽體型設計不當，門槽后邊墻會出現局部負壓區，這意味著該區將面臨空蝕破壞的危害。在泄水道運行時，出閘水流以射流形態向下游泄放。下泄水流對下游邊界可能誘發空化空蝕問題。設計時，我們借鑒以往的高水頭平面滑動研究成果，盡量采用門槽下游錯距加擴散角的門槽體型以形成超空穴狀態，避免射流與邊壁發生碰觸。經試驗研究確定，錯距為400 mm，擴散角為25°。

試驗研究表明,中孔附環閘門在正常開啟泄洪條件下，附環閘門門槽段及鄰近區域水流順暢，未出現旋滾、氣囊，事故門井內充盈水體；水體出工作閘門后呈平拋射出，水流整體呈現規則圓柱狀，水柱與工作閘門閘室段邊界有足夠距離，無水體擊打工作閘門后突擴門槽閘室段。工作閘門門槽后射流水體脫離過流壁面，對流道壁面不會產生空蝕破壞(見圖3)。

2.3 附環閘門后摻氣設計

GIBE Ⅲ中孔事故閘門與工作閘門緊挨著布置，瑞士聯邦理工學院試驗研究表明,當工作閘門在啟閉過程中出現事故時需要事故閘門動水閉門，事故閘門后會產生漩渦與負壓，導致門槽被空化空蝕破壞。試驗測得50 m水頭下，最大負壓為-60×9.81 kPa，且該負壓會隨著水頭的升高而增大，故需考慮采取措施控制和避免空穴的產生(見圖4)。

設計時，在事故閘門后，錐管段前設置了兩根Φ250 mm的自動吸排氣裝置，以減少漩渦的產生和負壓。增設摻氣裝置后，在很小的一段開度范圍內，水體強烈摻氣，此時通氣孔較強進氣，測得風速約30 m/s，布設測點壓力均為負壓，最大負壓為-2.68×9.81 kPa，較好地解決了漩渦與負壓的問題。

圖3 GIBE Ⅲ中孔門槽布置

模型試驗結果表明，在各級水位下，附環閘門門槽無漩渦，流態平順，壓力分布合理。

3 閘門的結構設計

附環閘門的門槽結構、門葉結構及止水設計較常規平面閘門設計難度大。閘門結構作為運行安全控制的主體部分，結構設計需從如下幾方面加以考慮。

3.1 門槽結構設計

(1)工作閘門門槽支承結構設計。GIBE Ⅲ水電站中孔工作閘門的尺寸為Φ4.6 m，擋水水頭為142 m，總水壓力為28 154 kN，同時，工作閘門在動水啟閉的過程中，在不同開度區間閘門水流向會因為水流激發而產生振動，這就要求工作閘門的門槽支承結構做得盡可能強。而工作閘門位于大壩后部，門槽下游邊界為避免射流與邊壁發生碰觸，工作閘門后的門槽擴散角要求達到25°，這導致工作閘門門槽的支承混凝土比較薄弱。設計過程中，我們考慮將工作閘門的門槽支承通過鋼梁結構傳遞至上游的中孔鋼襯上去，并在事故閘門與工作閘門之間的混凝土增設支承臺階以提升門槽的支承強度。同時，土建設計將工作閘門門槽后混凝土通過錨索的方式與大壩相連，進一步增強工作閘門門槽的支承。

(2)門槽結構強度設計。GIBE Ⅲ水電站中孔工作閘門平常處于關閉狀態，事故閘門門槽內有庫水。事故閘門與工作閘門的布置距離僅有4 m，土建承包商擔心事故閘門與工作閘門門槽間的混凝土難以承受142 m水頭庫水壓力，要求我公司計算門槽結構強度能單獨承受水壓作用。我們考慮在門槽結構的上游側做加強工字型鋼梁，下游側通過與工作閘門門槽連接，形成較大尺寸的箱型梁以滿足要求(見圖5)。

(3)下沉腔設計。事故閘門由于附環閘門結構的需要，閘門門槽需設計下沉腔，閘門下沉擋水時，附環部分下沉腔中。下沉腔需考慮排沙及檢修時的排水要求，我們在腔底部設置了斜坡，并設置閥門適應上述要求。

圖4 未摻氣附環閘門事故閉門過程產生的漩渦

圖5 門槽結構強度設計

3.2 門葉結構設計

附環閘門設計時與普通平面閘門的不同在于附環閘門所受水壓力為圓形斷面，并且由于閘門擋水水頭很高，對止水面的撓度要求較高。通過結構靜力分析：在靜水壓力作用下，最大彎矩出現在閘門的中間部位，頂部止水處水壓力雖距支承距離較遠，但壓力作用面積較小，撓度能有較好的控制。GIBE Ⅲ中孔的工作閘門與事故閘門由于布置位置的不同，附環部分的結構設計也略有不同。

(1)工作閘門門葉。流道泄流時，工作閘門作為操作閘門，其后進行了較大的突擴以滿足水力學的要求，工作閘門的附環亦不需要一個完整的圓形斷面，只取上半圓部分。為減少底緣形式對閘門的空化空蝕和振動，改善運行條件，附環下游傾角要求不低于30°。這種底緣形式的壓力分布及減震效果較好。因此，水流平順，減少了對門槽內水流的擾動，減少空化空蝕(見圖6)。

圖6 工作閘門門葉結構

(2)事故閘門門葉。事故閘門附環結構主要用于流道泄流時，對附環閘門門槽部分的回補，以保證整個流道為圓形斷面，減少流道形狀的空化空蝕。由于事故閘門后采用錐管設計，使得附環結構與泄水流道邊緣的錯距在允許范圍內能被接受，所以附環結構的直徑應略大于流道的直徑，取Φ5.44 m(見圖7)。

圖7 事故閘門門葉結構

3.3 止水設計

GIBE Ⅲ中孔閘門擋水水頭高，達到142 m，有效的止水設計成為附環閘門設計的關鍵所在。我們考慮采取引庫水壓充壓止水的形式進行止水。為便于布管引庫水壓止水，我們將止水裝置布置于門槽結構上。止水裝置包含引庫水管道、水封裝置及泄水裝置。啟門操作時先關閉引庫水通道閥門，再開啟泄水端閥門泄壓后啟門；閉門后先開啟引庫水管道閥門，延時關閉泄水裝置閥門進行充壓止水。由于中孔流道還肩負蓄水過程中下泄流量的要求，蓄水過程的水壓可能不足以使充壓水封充壓伸出止水，所以我們將充壓水封與止水座板的間隙進行了控制。水封自由狀態有3 mm的預壓縮量，同時，水封底部與止水座的間隙也控制為3 mm，以滿足上述要求。止水座板焊接在門葉結構上，采用不銹鋼，板厚5 mm，以避免水封在閘門啟閉過程中被磨損(見圖8)。

圖8 GIBE Ⅲ中孔閘門止水裝置

4 結 語

附環閘門的設計是我公司在走向國際化市場業務的一次重要技術探索和創新，被應用于埃塞俄比亞GIBE Ⅲ水電站中孔，閘門擋水水頭和操作水頭達到了142 m。由于附環閘門整個流道為圓形斷面，減少了流道形狀的變化，且泄洪時無門槽，出流為圓形斷面，能避免或減少高速水流與門槽的空化空蝕，滿足高速水流下流道的設計要求，比普通平面閘門水力學條件更好，為高水頭大壩的泄洪底孔與放空洞結合起來所面臨的閘門操作水頭過高的問題提供了一條解決思路和辦法。

2017-01-12

陳相楠(1985-)，男，四川成都人，工程師，從事水電站金屬結構設計工作。

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