石門水電站深孔高壓弧形閘門密封方式探討

胥細望

(水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

0 引 言

高水頭作用下深孔高壓弧形閘門止水裝置的可靠性對于水電站安全運行十分關鍵，在深孔高壓弧門關閉后止水裝置主要起到堵塞閘門及門周孔隙的作用，而且水頭越高，止水失效及漏水的可能性越大。閘門止水裝置細部結構的性能主要受止水型式和密封材料等的影響，弧形閘門止水失效必將引起水電站閘門漏水，加大其水能損失，所產生的縫隙空穴還會加大閘門面板和埋件空蝕磨損，引發閘門振動，嚴重影響閘門安全運行。水電站冬季運行的過程中，閘門止水尤為重要，在低溫環境中閘門結冰后與埋件凍結，影響閘門運行，甚至會引發操作安全事故。

水電站深孔高壓弧門對止水有更高要求，尤其是高水頭弧形閘門，因其頂止水和側止水分別布設于不同曲面，水封形狀不滿足止水要求的情況下便引發止水結構連接處磨損和撕裂，造成漏水，甚至射水的發生，導致胸墻門楣處襯砌鋼板掀起，埋件裸露，嚴重影響水電站深孔高壓弧形閘門安全運行。

1 水電站概況

作為石門水利樞紐工程重要部分的石門水電站位于新疆維吾爾自治區呼圖壁河流域，水電站設計水位1240.0m，死水位1185.00m，設計庫容7751萬m3，總裝機容量95MW，設計發電量2.30億kW·h/a。水電站由攔河閘壩、發電廠房、引水系統等建筑物構成，主要建筑物為3級設計標準，次要建筑物為4級設計標準，臨時建筑物為5級建筑標準，水電站上游圍堰按20a一遇標準395m3/s流量進行擋水設計，擋水水位設計值1250.50m。大壩壩體按混凝土重力壩設計，共由48個壩段組成，其中的中孔泄洪閘主要在38#-44#壩段。水電站中孔泄洪閘壩安裝有四扇深孔高壓弧形閘門，閘門在防洪泄洪方面發揮著重要作用。孔口尺寸為長×寬3.0m×6.0m，閘門半徑7.5m，閘面板弧長4.5m。

石門水電站首臺發電機組于1978年投入運行，當前運行過程中其高壓弧形閘門因最初安裝時精度不夠，門體在運行過程中逐漸扭曲變形，導致啟閉力增大。閘門橡膠止水結構設計不科學：閘門底、側和頂橡膠止水分別安裝在門葉和門楣上，導致閘門橡膠止水結構整體性較差，底、側和頂橡膠止水交叉位置密封不佳，漏水量越來越大，影響其止水效果的發揮；高壓弧形閘門面板制安精度低，閘門開啟全過程內面板與閘頂橡膠止水有壓接觸，目前，閘門頂止水撕裂，漏水量巨大。

2 深孔高壓弧形閘門密封方式選擇

水封與密封面的接觸應力大小決定著深孔高壓弧門止水性能，為起到阻止閘門水封滲漏的目的，水封與密封面接觸應力應至少為1.12γH(γ為水容重，H為設計水頭)，所以，閘門設計水頭越大，所對應的止水結構壓縮量也越大，密封面也就越寬，止水結構所承受的摩擦力和啟閉機容量也相應增大，止水磨損程度加劇，失效漏水可能性隨之增加[1]。可見，深孔高壓弧門止水密封結構選型與設計問題對于高水頭弧門十分關鍵。

深孔高壓弧形閘門閘頂止水包括預壓式、充壓式、轉絞式和偏心絞壓緊式等型式。其中，預壓式止水結構無門槽，水流在不同水位條件下較為平順，止水和弧門結構設計簡單，投資低，此型式主要憑借止水密封結構及底板預壓縮量達到封水效果，水頭越高則預壓縮量越大，止水結構磨損和啟閉力也會增加，高水頭深孔高壓弧門承壓后彈性變形通常會超過20mm，所以，只采用預壓式止水型式很難有效解決高水頭弧形閘門有效止水問題，所以常規預壓式止水型式的應用受到水頭限制，當前水頭極限為125m[2]。

此外，對于新建水電站工程，可以根據弧形閘門工作環境、泄洪壓力并結合國內外工程實踐經驗進行閘頂止水型式的選擇。但石門水電站弧形閘門改造屬于改建工程，如果采用液壓式、轉絞式和偏心絞壓緊式閘頂止水方式，則技術改造過于復雜，還涉及有關建筑物的改動，工程量和投資方面較大。石門水電站中孔原按非常泄水孔設計，使用頻率并不高，其弧形閘門并無局部開啟以調節流量的設計，其設計水頭110m，并未超出常規預壓式止水型式應用的水頭限制。為此，石門水電站弧形閘門閘頂止水采用常規預壓式，二道頂止水，一道P型閘頂橡膠止水設置于閘門，作為上頂止水，另一道P型或Ω型閘頂橡膠止水設置在胸墻門楣，作為下頂止水，同時對其安裝于胸墻的P型閘頂橡膠止水結構進行技術改造，才能確保弧形閘門安全運行。以上高壓弧形閘門密封組合設計分兩個方案進行比較。

2.1 方案一

閘門上頂P型橡膠止水頭與楔形水封底座緊貼，孔口四周的側、底止水共同形成密閉環，閘門閉合后密封效果良好。隨著閘門的提升，上頂橡膠止水頭逐漸與楔形水封底座脫離，不會發生橡膠止水的磨損與撕裂。閘門下頂P型橡膠止水的設置主要為了預防弧形閘門啟閉時門頂射水的不利影響，通過水壓力使橡膠止水和閘門面板無縫隙貼合，橡膠止水的壓縮量應以不超過2mm為限設計，才能最大程度防止止水橡膠磨損和卷頭，確保閘門安全運行。此方案布置結構詳見圖1。

1-胸墻門楣；2-閘頂上橡膠止水；3-閘頂下橡膠止水；4-弧形閘門面板；5-楔形底座

2.2 方案二

閘門上頂止水設計與方案一完全一致，即閘門上頂P型橡膠止水頭與楔形水封底座緊貼，孔口四周的側、底止水共同形成密閉環，閘門閉合后密封效果良好。閘門下頂Ω型橡膠止水通過螺栓也壓力板固定于胸墻門楣，增大橡膠止水結構受力的平穩性和抗撕裂能力。P型橡膠止水結構因不能采用雙排螺栓固定而存在較大的單邊扭剪力，將其固定于閘門門體，并將接觸面密封焊接于門楣，才能保證弧形閘門關閉后P型橡膠止水結構壓緊密封。當P型橡膠止水結構和弧形閘門面板緊貼時完全依靠壓縮量實現封水，壓縮量應控制在4mm以內。與方案一相同的是，孔口四周的側、底止水共同形成密閉環，閘門閉合后密封效果良好。隨著閘門的使用，下頂Ω型橡膠止水能產生足夠的壓縮量，預防門頂射水，確保閘門安全運行。因下頂Ω型橡膠止水比P型橡膠止水寬，所以，此方案下弧形閘門必須加高85m設計，閘門作用水壓增至4.5kN，保證閘門安全運行。

此方案布置結構詳見圖2。

1-胸墻門楣；2-楔形底板；3-閘頂上橡膠止水；4-閘頂下橡膠止水；5-弧形閘門面板

2.3 方案比選

石門水電站中孔因使用頻率不高而按非常泄水孔設計，其弧形閘門并無局部開啟以調節流量的設計，使用機會較少，且只要求其弧形閘門全開全關運行。所以，上述兩個方案均能達到弧形閘門關閉后良好的密封止水效果，并有效防止閘門啟閉時門頂射水不利現象的出現，確保閘門安全穩定運行。若弧形閘門在局部開啟狀態下運行且有流量調節要求時，則方案二優于方案一。方案一技術簡單，只需進行橡膠止水結構及配件的更換，無需加高閘門，但方案二除更換P型和Ω型橡膠止水結構和配件外，還要加高閘門，技術復雜，改造成本較高。

所以，從施工技術、造價、運行穩定的安全性等角度考慮，石門水電站深孔高壓弧形閘門閘頂止水應選擇預壓式止水型式，二道頂止水，就具體止水方案而言，應選擇方案一，即閘門上頂P型橡膠止水頭與楔形水封底座緊貼，孔口四周的側、底止水共同形成密閉環，為了預防弧形閘門啟閉時門頂射水的不利影響，通過水壓力使閘門下頂P型橡膠止水和閘門面板無縫隙貼合。

3 結 論

水電站弧形閘門門型水流條件好，啟閉方便，在國內外水電站工程中應用越來越廣泛，而且弧形閘門總體上不斷向深孔高壓高水頭方向發展。止水結構在水電站深孔高壓弧形閘門安全運行過程中十分關鍵，通過文章分析表明，預壓式止水結構設計簡單，投資低，憑借止水密封結構及底板預壓縮量便能達到良好的封水效果，但其效果受到水頭限制。石門水電站因設計水頭未超過預壓式止水結構水頭極限，故而選用。在預壓式止水結構型式下又進行了兩種不同弧門密封方式的比較，最終采用閘門上頂P型橡膠止水頭與楔形水封底座緊貼，孔口四周的側、底止水共同形成密閉環，通過水壓力使閘門下頂P型橡膠止水和閘門面板無縫隙貼合的止水方案。石門水電站弧門改建完工投入運行以來，閘門運行效果良好，為水電站安全運行提供了保證。