郁江调水工程引水隧洞进水塔事故闸门设计

刘 国 瑞

根据广西计委、水利厅批复的《广西临海工业园供水水源工程规划报告》,钦州沿海工业园区供水所采取的中远期策略,就是先将郁江的水调至钦江,再从钦江引至大风江,最后从大风江输入金窝水库,然后从金窝水库向工业园区的水厂供水。工程建成后,供水能力可达120万m3/d。郁江调水工程是特指将郁江水调至钦江,再从钦江引至大风江的工程部分。郁江调水工程涉及调出和调入两大流域,调出流域即郁江流域,调入流域有钦江流域和大风江流域。

郁江调水工程调水水源地位于郁江西津水库库区支流沙坪河,输水路线是通过引水隧洞实现从沙坪河调水至钦江支流小西江,通过小西江自流引水到钦江久隆镇,经青年水闸调节后,钦江河水通过钦江支流大雾坪河—大风江支流那庆河输水线路实现自流引水到大风江。涉及的工程点有沙坪河输水隧洞进水口、小西江及钦江输水走廊、钦江支流大雾坪河引水口、大风江支流那庆河出水口。其中输水隧洞进口位于沙坪河沙坪镇企石村,出口位于钦江支流小西江旧州镇双龙塘村附近,隧洞长10.5 km。隧洞进口设进水塔1座,进水塔内设拦污栅、事故闸门、工作闸门各1道。其中事故闸门的作用是在引水过程中,其下游的工作闸门或隧洞发生事故时动水下闸切断水流,以防止事故扩大并提供检修条件。闸门孔口尺寸3 m×4 m(宽×高),底槛高程53.2 m,闸门以隧洞最高引水位63 m设计,相应设计水头9.8 m。闸门操作条件为动水闭门,静水启门。

1 门叶结构设计

本闸门采用平面滑动钢闸门,单吊点启吊。闸门的特性见表1。

表1 闸门特性表

门叶采用焊接结构,设3根实腹式焊接组合工字型主梁,门叶中部设1根纵隔板,主梁支承于边柱上,纵隔板兼作竖直次梁并支承于主梁上；水平次梁为连续梁,它通过纵隔板上的预留孔并支承在纵隔板上；闸门梁格为等高布置。为了保证本闸门能够顺利闭门,同时为节约闸门及启闭机的投资,在设计上采用水柱闭门,并利用中主梁承受水柱的作用。为此,闸门面板分成了两部分,上部面板布置于下游面并兼作顶、中主梁的后翼缘,下部面板布置于上游面并兼作底、中主梁的前翼缘。顶止水、侧止水及转角止水布置在门叶下游面,底止水布置在门叶上游面。主支承布置于下游面,反向及侧向支承布置于上游面。闸门底缘下游倾角42.7°,满足规范规定的不小于30°的要求。此外,本事故闸门为静水启门,故在顶主梁处设置了充水阀,以在启门前充水平压。

事故闸门的总体布置如图1所示。

图1 门叶总图(单位:mm)

2 支承行走机构的选择

平面闸门的行走支承型式按闸门启闭时的阻力分滑动式行走支承与滚动式行走支承两大类。滚动式支承的摩阻力较滑动式支承小,可有效降低启闭力,但其结构复杂,投资及维护成本高。本闸门利用水柱动水闭门,只要采用合理的水柱重量,持住力就不会过大；采用充水阀充水平压后静水启门,因此启门力也不会太大。据此,本闸门的主支承采用结构简单,成本较低,易于制造、安装、维护的滑动式支承。目前,滑动支承的材料已有新的发展,产生了一批具有较高的承载能力及较低的摩擦系数的自润滑减摩材料。经过对多种支承材料的研究、比较,最终决定主支承采用郑州华龙机械工程有限公司生产的 “华一HII-11”型滑块,其材料为华龙系列工程塑料合金MGA。滑块的允许线荷载为28 kN/cm,在水中的最大摩擦系数为0.1,最小摩擦系数为0.035。闸门边梁上左右各布置3块,主滑块按等荷载布置。

本闸门的反向支承采用弹性反轮,靠橡皮垫块的弹性将门叶向下游主轨侧挤压,以避免闸门启闭时发生前后晃动,从而实现顺利平稳下闸,同时也提高了设置在下游的顶、侧水封的止水效果。侧向支承采用悬臂侧轮,以有效降低闸门启闭时左右晃动的幅度,避免闸门因左右倾斜而卡阻。

3 止水装置设计

止水漏水会引起闸门产生震动和空蚀,导致闸门结构、埋件以及止水本身的破坏,影响闸门的正常工作。对兼作检修闸门的事故闸门而言,止水的密封效果不但决定着闸门能否有效截断水流,还关系到检修人员的工作条件和安全。因此,必须确保闸门的止水效果良好。

本闸门利用水柱闭门,顶止水、侧止水及转角止水布置在门叶下游面,底止水布置在门叶上游面,实现了水柱的有效利用和闸门在水压作用下的可靠止水,避免了由于主梁和主支承在高水头下产生变形而影响闸门的止水效果。为保证止水严密并降低止水与座板之间的摩阻力,对不锈钢止水座板进行了机加工。

底止水采用条形止水,止水预压缩5 mm,考虑压缩后体积膨胀的因素,以及使水流流态良好,底止水下端切成45°坡口。顶、侧及转角止水采用P型止水,止水预压缩4 mm,为避免橡皮圆头翻卷及压板边缘切割橡皮,止水压板的边缘加工为圆弧状。为了减少止水与座板间的摩阻力,并提高止水的耐磨性,顶、侧及转角止水的材料均采用橡塑复合型橡皮。底止水采用整体成型,各止水之间的连接采用热胶合,以消除止水橡皮接缝处的漏水隐患。

4 门槽设计

水流经过门槽段时,边界的突变会引起水流压力的急剧变化,易形成涡流并产生负压,在一定条件下还会产生空穴和闸门震动,导致门槽及其埋件的空蚀。空蚀后的固体表面又会使空穴现象激化,加剧空蚀作用,造成更严重的空蚀破坏。为了防止门槽段产生空蚀,除了考虑泄水建筑物总体布置、闸门底缘型式和门后通气等因素外,一般尚应选择合理的门槽型式。

初生空穴数是表示空穴现象发生条件的参数,它反映物体形状的空穴特性。不同体形的门槽具有不同的初生空穴数,初生空穴数越小,说明体形越好,越不容易发生空穴现象。选择门槽型式,首先应计算出水流空穴数,若其大于所选门槽型式的初生空穴数,则所选门槽一般不会发生空穴。通常可根据计算出的水流空穴数选择Ⅰ型或Ⅱ型门槽。

通过计算可知本闸门门槽的水流空穴数K=85.6,据此选用Ⅰ型门槽。门槽宽W=700mm,深D=400mm,宽深比W/D=1.75,在规范规定的较优取值范围内。门槽初生空穴数Ki=0.67,所选门槽的水流空穴数大于其初生空穴数。

5 启闭机选择

事故闸门的启闭机是实现顺利闭门的重要设备,其布置与选型在工程设计中甚为关键。应根据闸门的操作条件以及水工建筑物的布置等因素,经技术经济比较后确定。

固定卷扬式启闭机结构紧凑,承载能力大,运行平稳可靠且安装维护方便,使用最为广泛,主要用于靠自重、水柱或其他加重方式关闭孔口的闸门。本闸门利用水柱闭门,且启闭机的布置空间有限,因此启闭设备宜采用固定卷扬式启闭机。鉴于事故闸门的重要性,为了确保闸门在需要时可以及时闭门,卷扬启闭机配备了柴油发电机作为备用动力。

6 结 语

事故闸门的门叶结构布置,主支承、止水、门槽设计以及启闭机选择等关键问题直接影响到闸门的安全可靠运行,在本闸门的设计中,我们对这些问题进行了具体的分析和研究,并提出了相应的解决方案,其设计具有一定的代表性和典型性。

事故闸门关系着水工建筑物、设备及检修人员的安全,其设计、制作、安装和运用过程中仍有不少问题值得探讨和深入研究,希望本文能抛砖引玉,以引起广大同仁对此类闸门的足够重视。