高桥水电厂升卧式平板闸门无法闭落原因分析与处理方案

胡 力

（国家电投集团江西电力有限公司江口水电厂，江西 新余 338025）

升卧式平板闸门结合了直升式闸门和弧形闸门的优点，使闸门在弧形轨道上作弧形运动，有利于提高抗震性能，减少工程投资，但因施工不当的原因，在实际应用中有可能出现在正常工况下无法完全闭落的问题。本文以高桥水电厂冲砂闸为案例，分析此类问题的原因并提出对应的处理方案。

1 工程背景

高桥水电厂位于江西省永新县高桥楼乡龙江村附近，是一座IV 等小（1）型水利工程，正常蓄水位94.0 m，为日调节河床式水电站。主要水工建筑物由溢流坝、水力自控翻板坝、冲砂闸、发电厂房、升压站等组成，其中冲砂闸为四孔向下游转动的升卧式平板钢闸门，由QPQ-2×25T 卷扬启闭机进行启闭。闸门每扇门高7.2 m，门宽8.0 m，闸门底槛高程87.0 m，闸门支承跨度8.3 m，吊点中心距7.0 m，设计水头8.058 m，设计总水压力2520.0 kN，门体净重15.5 t。

2 问题概况

高桥水电厂水库防洪调度任务设计主要由15 孔水力自控翻板坝担负，其特点为根据库水位自动启闭，一旦启动即为15孔门叶全部开启，无法根据下游情况对泄洪进行有效控制，而四孔冲砂闸门在原设计主要任务为水库冲淤，同时兼有配合水力自控翻板坝泄洪任务，在入库洪水较小的情况下，提前利用冲砂闸调控库水位更有利于保障下游安全。为此，水电厂自2006 年5 月1 日建成投运以来，在遭遇设计标准以下入库洪水时多启动冲砂闸进行泄洪调控，因此冲砂闸启闭较为频繁。2010 年～2014 年，四孔闸门陆续出现在正常蓄水位94.0 m 工况下无法完全闭落至底坎的情况，必须将库水位降低至92.0 m 以下才能完全闭落，致使闸门漏水严重，影响正常发电生产。更为严重的是，在2015 年～2016 年期间，由于闸门启闭动作不平衡，冲砂闸陆续出现闸门钢丝绳断裂问题，既威胁到闸室底板安全也对防洪度汛工作造成不利影响。为解决这个问题，根据历年运行情况变迁以及工程设计以及施工资料，对此问题进行了跟踪调查以及深入分析，力求查明原因，进行有针对性的处理[1]。

3 原因分析

3.1 现场检查

闸门在闭门状态下，外观检测发现闸门侧水封多处破损，且止水水封与导水板之间间隙较大，漏水较严重且容易卡塞树枝竹竿等杂物，进而加剧侧止水的磨损速度导致水封破损，并且造成侧止水摩阻力发生较大变化；闸门主导轮轴套在闸门漏水情况下有可能存在不同程度锈蚀问题；闸墩表面多有凿除修补痕迹，有可能因为施工质量问题导致闸墩表面局部尺寸不满足闸门安装尺寸要求，从而进行凿除修补；闸门门体目测整体存在扭曲变形。

闸门在启门状态下，外观检测发现闸门启闭动作时存在整体偏移、倾斜的情况；侧水封及底水封止水座板等部件变形严重，说明水封受力有可能超过了原设计限值；启吊钢丝绳水下滑轮组锈蚀破损严重，绳孔有明显摩擦切割痕迹。

3.2 初步分析

分析闸门无法正常闭落的原因，需结合升卧式平板闸门的结构特点以及外观检测实际情况进行，原因主要有：闸门自重无法克服摩阻力导致无法闭落；门槽的弧轨段起点太低或半径太小，导致高水头工况闭门时闸门主轮停滞于弧轨段无法闭落。由于电站投运初期闸门工作正常，因此可以排除第二种情况，仅需分析闸门自重与摩阻力的问题。

升卧式平板闸门的结构特点：门叶不进入左右两门槽内，即门叶宽度略小于闸孔净宽，每侧与闸墩之间存在3 cm～4 cm的间隙；门叶侧止水装在面板两侧与闸墩表面的导轨严密接触达到封水目的；向下游转动升卧式闸门启吊钢丝绳浸在水中容易锈蚀从而缩短寿命；闸门在启闭过程中侧水封水下部分会超出闸墩上的封水导板，若闸墩混凝土表面高于封水导板，有可能会导致侧水封磨损，对闸墩混凝土浇筑要求较高。

1）根据高桥冲砂闸施工设计图，每扇闸门除了4 个悬臂式主轮外，还在门体边梁上设计了4 个侧导轮以及相应门槽内侧轨，但从现场情况核实，实际上施工中闸门未按设计装设侧导轮以及相应侧轨，门体在启闭动作过程中缺乏横向约束。在这种情况下，结合现场外观检测，闸门有可能因两侧主导轮摩阻力、侧止水摩阻力不一致等因素导致动作不平衡，进而致使门体发生横向水平偏移以及倾斜。

2）在闸门闭门过程中，受动水压力的作用，随着闸门工作水头不断增加，两侧主导轮摩阻力、侧止水摩阻力也进一步加大，当闸门摩阻力超过闸门自重时，闸门将无法克服摩阻力从而导致闸门无法正常闭落。分析摩阻力的构成，主要涉及到支承部件主导轮轴套以及轮轴的滑动摩擦阻力，以及止水与止水导板之间的滑动摩擦阻力，需进行闭门力校核计算。

3）由于闸门为向下游转动，因此闸门启吊钢丝绳以及滑轮组浸于水中，存在较为严重的锈蚀问题，特别是滑轮组由于材质以及钢丝绳摩擦原因，与钢丝绳互相切割摩擦，容易造成钢丝绳断股导致其安全系数减小。同时由于闸门两侧摩阻力不一致的原因，在闸门开启时两侧钢丝绳受力不均，当某一侧受力超过钢丝绳极限时即会造成断裂的问题。

结合高桥冲砂闸实际运用情况的历史变化，证明了以上分析。

3.3 闭门力校核计算

1）闭门力计算采用公式为：

式（1）中：FW表示闭门力，t；NT表示摩擦阻力的安全系数，一般取 1.2；Tzd表示支承摩擦阻力，t；Tzs表示止水摩擦阻力，t；NG表示计算闭门力的门重修正系数，取1.0；G 表示闸门活动部分的自重，t；PT表示上浮力，对于露顶式闸门可忽略不计。

2）支承摩擦阻力（滑动支承）计算公式为

式（2）中：P 表示作用在闸门上总水压力，t；R 表示滚轮半径，cm；r 表示轮轴的半径，cm；f1表示轮轴滑动摩擦系数，取0.3 cm；f2表示滚轮的摩擦力臂，取0.1 cm。

3）止水摩擦阻力计算公式为

式（3）中：f3表示止水与止水座的滑动摩擦系数，橡胶对钢板为0.65；Pzs表示作用在止水上的水压力，t。

当FW计算为负值时，表示闸门可依靠自重闭落。

4）闭门力计算

①闸门自重G 计算：根据闸门装配竣工图，考虑钢板厚度负偏差及省略了侧轮等原因，推算G 为15.5 t。

②闸门水压力 P 计算：按水压力计算公式 P=Sρg（h1-h2）/2，其中ρ 为水密度，g 为重力加速度，S 为闸门挡水面积，h1为库水位，h2为闸门底坎高程。当库水位h1=94.0 m 时，闸门挡水面积S=7×8=56 m2,此时闸门承受水压力计算为1920.8 kN,换算为196 t；当库水位h1=92.0 m 时，闸门挡水面积S=5×8=40 m2,此时闸门承受水压力计算为980 kN，换算为100 t。

③闸门滚动摩擦阻力Tzd计算：根据式（2），当库水位94.00 m时，门叶滚动摩擦阻力约12.6 t；当库水位92.00 m 时，门叶滚动摩擦阻力约6.4 t；

④止水摩擦阻力Tzs计算：根据式（3），当库水位94.00 m时侧水封由水压引起的摩擦阻力约1.1 t；当库水位92.00 m时，侧水封由水压引起的摩擦阻力约0.6 t。

⑤根据公式（1）以及Tzd、Tzs以及闸门自重等参数，可计算出：当库水位94.00 m 时闭门力为-0.39 t，当库水位92.00 m时闭门力为-7.79 t。

从以上理论计算结果表明，闸门在94.00 m 工况时闭门力没有富余，若考虑闸门未装设侧导轮导致动作不平衡等不利因素，闸门闭门力即无法满足要求，导致闸门在94.00m 工况下无法正常闭落。

4 改造方案

根据以上分析，解决问题的方案核心是按设计增加侧导轮以及侧轨，以达到对闸门启闭动作施加横向约束，在控制闸门止水与止水座滑动摩阻力的同时，达到保证两侧摩阻力的均衡以及闸门动作平稳的目的。要点是必须根据侧导轮安装位置进行闸门启闭动作轨迹线计算，并保证侧轨的水平度，确保侧导轮与侧轨的配合，减少侧导轮摩阻力，防止侧导轮损坏闸墩。同时从改善滚轮摩阻力及止水摩阻力着手：①对主导轮轮轴进行拆解保养，对锈蚀轮轴以及轴套进行更换，进一步减少轮轴摩擦系数；②重新制作并更换因超载变形的止水压板，并对侧水封安装预压缩量进行精准调整，减少侧水封摩擦系数，尽量降低闸门闭落时的摩阻力，确保闭门力满足正常闭落要求。

根据以上方案，高桥水电厂于2018 年8 月～12 月期间对冲砂闸进行了技术改造，并取得了预期成效。

5 结语

升卧式平板闸门在中小型水利工程具有较为广发的应用，为保证闸门动作平稳，安全工作，切实保障防洪度汛以及水工建筑物安全，在施工和运用中应注意以下几点：注重侧导轮对保持升卧式闸门动作平稳的重要作用，在施工中要综合考虑，严格按照设计要求实施，不得遗漏；在施工中关注闸墩混凝土立模以及浇筑质量，从严控制闸墩混凝土表面尺寸以及平整度，确保不超过导水板以免导致侧水封磨损；在侧水封安装施工中还应注意按设计要求调整好侧止水的预压缩量，过大会导致侧止水摩阻力增大，过小也会导致门侧漏水；在实际运用中还应注意主导轮轴套的定期维护保养，防止轴套及轴承锈蚀加大摩阻力。