莲花水电站溢洪道弧形工作闸门侧水封改造

宋德强，夏春明

（牡丹江水力发电总厂，黑龙江牡丹江157000）

1 工程概况

莲花水电站位于黑龙江省海林市三道河乡木兰集村下游2 km处的牡丹江干流上，距牡丹江市160 km，是牡丹江中下游第一座梯级大型水电站。水库设计正常蓄水位218 m，坝址以上控制流域面积3.02万km2，水库总库容41.8亿m3，为不完全多年调节水库。电站总装机容量550 MW，电站枢纽由拦河大坝、二坝、溢洪道、引水系统、发电厂房及开关站组成。

2 问题的提出

莲花水电站泄洪采用岸坡开敞式溢洪道，设7个溢流表孔，每孔净宽16 m，设7扇16×13.2m的弧形工作闸门，分别由7台2×500 kN弧门卷扬式启闭机操作，可宣泄校核洪水流量18570 m3／s。莲花水电站溢洪道弧形工作闸门于1997年8月安装完毕并正式投入运行，闸门止水效果良好。1998年汛前防汛检查做4号闸门动水启闭试验之后，由于水封磨损，造成弧形工作闸门侧止水出现少量漏水，随着库水位的增高，漏水量也逐渐增大。冬季由于闸门门叶钢结构和闸墩混凝土结构同时收缩，漏水量逐渐加大，而随着春季天气变暖，漏水量又逐渐减小。随后几年里，防汛检查时分别开启2号、5号和7号闸门，均出现上述漏水缺陷。自2000年底开始，对1号、2号、3号、4号和5号闸门的止水进行了技术改造。改造主要是将闸门侧止水橡皮的结构尺寸由原来的空心P60改为实心的P65，目的是通过增加止水的预压缩量减小闸门漏水。但改造后只解决了夏季闸门漏水问题，并且出现水封磨损过重缺陷。改造后的闸门止水冬季止水效果并不理想，在冬季闸门依然漏水。东北地区闸门适应四季止水、效果理想的解决方案亟待提出。

3 闸门漏水原因分析

莲花水电站溢洪道弧形工作闸门所采用的侧水封形式在我国已建水电工程中应用较多，且未发生过严重的漏水情况，应该说这种形式的弧门侧止水结构是可行的。而像莲花水电站出现的这种情况非常少见。分析研究后认为，引起弧门侧水封漏水的主要因素如下。

（1）莲花水电站地处东北地区，一年四季温差较大，极端最高气温37℃，极端最低气温为－45.2℃。冬季气温低时，闸门门叶钢结构和闸墩混凝土结构同时收缩，由于溢洪道弧形工作闸门的宽度（16 m）在东北地区已建工程的露顶式弧形闸门中属尺寸最大的，其收缩量也相应比其它工程大。通过测试计算，单侧收缩值（约为8 mm）比按常规设计的闸门侧止水4 mm的预压缩量大，造成闸门门叶两侧与埋件侧轨之间的间隙增大。由于原设计闸门侧止水是用角钢（侧止水压板）固定在闸门门叶上的，属刚性联接，闸门的侧止水无法沿闸门孔口方向自由伸缩。当闸门宽度尺寸缩小时，侧止水随着闸门门叶向孔口中心移动，侧止水橡皮头脱离闸门埋件侧轨上的不锈钢座板，即闸门与埋件之间出现间隙，出现漏水现象。而随着春季天气变暖，弧形闸门的伸缩量又相应加大，漏水现象消失。

（2）闸门侧止水橡皮的尺寸和埋件侧轨上的不锈钢座板平面度存在制造误差，两者之间的相对位置在安装方面也有误差，实际安装后的侧止水预压量可能大于设计值，也可能小于设计值，橡皮头外形尺寸大的部位和不锈钢座板表面高的地方先接触上，而相对尺寸小和表面低的地方待前者压缩变形后才能接触上。冬季，由于气温低，止水橡皮会变硬，其受压缩后变形困难，造成橡皮与侧轨之间局部存在间隙。总之，通过上面的分析，闸门漏水主要是门体过大加上热胀冷缩造成的。

4 技术改造的必要性

冬季，由于闸门门体冷冻收缩，造成侧止水与侧轨之间局部地方出现间隙，库水通过缝隙漏向下游，首先在门后结冰，随着结冰范围逐渐扩大，冰将侧止水挤向孔口中心，随着漏水量逐时逐日增加，在门后及其下游形成冰山，威胁闸门和水工建筑物的安全运行。春季，由于闸门门体受热膨胀，造成侧止水与侧轨之间预压量局部大于设计值，橡皮头外形尺寸大和不锈钢座板表面高的地方接触较大，压缩变形也较大，随即出现开启闸门时侧止水局部磨损过大，进而促使冬季漏水加大。上述缺陷对电厂的安全生产和文明生产造成不同程度的损失，因此，对闸门止水进行改造、彻底根治漏水遗难问题十分必要。

5 技术改造方案

闸门止水改造主要是对侧止水结构进行全面更换，从止水橡皮的断面尺寸和材质两个方面进行改进。

露顶式弧形闸门的侧止水常采用的断面型式有“P”型和“L”型两大类。考虑到莲花水电站溢洪道弧形工作闸门侧止水以前采用“P”型断面出现的问题，本次改造设计采用“L”型断面侧止水。

设计的原则是：保留闸门门叶上的侧止水螺孔，并满足“L”型侧止水的橡皮头与原埋件侧轨上的不锈钢座板的位置相适应，以此确定“L”型断面侧止水的主要结构尺寸，侧止水压板改用平板型压板。

根据莲花水电站溢洪道弧形工作闸门的宽度在冬季收缩变形大的特点，设计加大了侧止水的预压缩量。为防止因预压量大引起“L”型止水橡皮在拐角处撕裂，或因闸门门叶侧边与侧轨之间的间隙大，“L”型止水橡皮的一边受水压力后翻向下游造成“L”型止水橡皮在拐角处撕裂，采用的止水橡皮其板厚由常规的15 mm改为30 mm。

为了保证止水具有足够的刚度，防止侧止水因为预压缩量过大造成橡皮翻转，同时使橡皮头具有一定的柔韧性，以适应不锈钢座板表面不平，止水橡皮板与止水橡皮头拟分别采用不同硬度的橡胶材质。

为减少闸门启闭过程中对侧止水的磨损，在止水橡皮头与不锈钢座板面接触的部位表面用聚四氟乙烯层进行保护。由于橡胶与聚四氟乙烯的热膨胀系数有差别，对莲花水电站不宜采用粘贴聚四氟乙烯层，而是采用喷涂聚四氟乙烯层，聚四氟乙烯涂层的厚度为0.5±0.1 mm，喷涂工作在安装现场进行。

改造后的底止水断面水封装配尺寸及各种工况如图1所示。

图1 侧止水的断面水封装配尺寸及各种工况图Fig.1 Assembly dimension of the water seal and different kinds of conditions

6 改造施工技术要求

6.1 引用标准和规程规范

水封的改造按现行DL／T5018-2004《水电水利工程钢闸门制造安装及验收规范》中的有关规定执行。

6.2 橡胶水封的质量要求

水封采用专业厂家的品牌产品。

闸门侧水封、底水封的物理机械性能见表1。

表1 侧水封、底水封的物理机械性能Table 1:Physical mechanical properties of the side water seal and bottom water seal

橡胶水封表面应光滑平直，其厚度极限偏差为±1.0 mm，截面其他尺寸的允许偏差为设计尺寸的2%。

6.3 闸门水封聚四氟乙烯涂层的施工

聚四氟乙烯涂层的施工应在气温5℃以上的晴天或在较好的气候条件下进行，其步骤如下。

（1）打磨

先将水封被涂部位用细砂纸打毛，并用干净的布或毛巾擦去水封上的细砂粒及其它杂物。

（2）清洗

用无水乙醇清洗被打磨部位2～3次，并晾干。

（3）涂层

待清洗晾干后，用水封厂提供的涂料进行涂层的涂装。涂装的层数、每层厚度、间隔时间、调配方法和涂装时注意事项等，应按水封制造厂提供的说明书规定执行。

6.4 橡胶水封的安装

橡胶水封的螺孔位置应与门叶及水封压板上的螺孔位置一致，孔径应比螺栓小1.0 mm，应采用专用空心钻头掏孔并严禁烫孔。

所有闸门橡胶水封接头的粘接，应用水封厂家提供的粘接剂胶合，并按水封厂家提供的技术说明书进行。接头的抗拉强度应不低于表1中橡胶水封抗拉强度的85%。

6.5 橡胶水封的检查

橡胶水封安装后，在闸门全关位置，橡胶水封的压缩量应符合设计图纸规定，并进行透光检查，不应有透亮或间隙。

6.6 闸门启闭试验

水封安装好后，应作闸门启闭试验。

（1）无水情况下全行程启闭试验

本项试验过程中，检查支铰转动情况，应做到启闭过程平稳无卡阻、水封橡皮无损伤。必须对水封橡皮与不锈钢水封座板的接触面采用清水冲淋润滑，以防损坏水封橡皮。

（2）动水启闭试验

试验水头应尽量接近设计操作水头，动水启闭试验包括全程启闭试验和局部开启试验，检查支铰转动、闸门振动、水封密封等有无异常情况。

7 结语

通过更换“L”型断面侧止水，能够有效防止莲花水电站溢洪道弧形工作闸门夏季受热膨胀引起侧止水与侧轨之间预压量局部大于设计值，压缩变形也较大，随即出现开启闸门时侧止水局部磨损过大，进而冬季漏水加大的缺陷。

几年的运行使用观察表明，“L”型断面侧止水能够适应闸门门体受热膨胀、遇冷收缩的变化，不仅解决了多年来的漏水与水封磨损缺陷，而且节省了每年近六十万元的维护费用。“L”型断面侧止水在莲花水电站溢洪道弧形工作闸门上的成功应用，为解决寒冷地区闸门漏水与水封磨损缺陷提供了成熟经验。■