石门水电站深孔高压弧形闸门密封方式探讨

胥细望

(水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

0 引 言

高水头作用下深孔高压弧形闸门止水装置的可靠性对于水电站安全运行十分关键，在深孔高压弧门关闭后止水装置主要起到堵塞闸门及门周孔隙的作用，而且水头越高，止水失效及漏水的可能性越大。闸门止水装置细部结构的性能主要受止水型式和密封材料等的影响，弧形闸门止水失效必将引起水电站闸门漏水，加大其水能损失，所产生的缝隙空穴还会加大闸门面板和埋件空蚀磨损，引发闸门振动，严重影响闸门安全运行。水电站冬季运行的过程中，闸门止水尤为重要，在低温环境中闸门结冰后与埋件冻结，影响闸门运行，甚至会引发操作安全事故。

水电站深孔高压弧门对止水有更高要求，尤其是高水头弧形闸门，因其顶止水和侧止水分别布设于不同曲面，水封形状不满足止水要求的情况下便引发止水结构连接处磨损和撕裂，造成漏水，甚至射水的发生，导致胸墙门楣处衬砌钢板掀起，埋件裸露，严重影响水电站深孔高压弧形闸门安全运行。

1 水电站概况

作为石门水利枢纽工程重要部分的石门水电站位于新疆维吾尔自治区呼图壁河流域，水电站设计水位1240.0m，死水位1185.00m，设计库容7751万m3，总装机容量95MW，设计发电量2.30亿kW·h/a。水电站由拦河闸坝、发电厂房、引水系统等建筑物构成，主要建筑物为3级设计标准，次要建筑物为4级设计标准，临时建筑物为5级建筑标准，水电站上游围堰按20a一遇标准395m3/s流量进行挡水设计，挡水水位设计值1250.50m。大坝坝体按混凝土重力坝设计，共由48个坝段组成，其中的中孔泄洪闸主要在38#-44#坝段。水电站中孔泄洪闸坝安装有四扇深孔高压弧形闸门，闸门在防洪泄洪方面发挥着重要作用。孔口尺寸为长×宽3.0m×6.0m，闸门半径7.5m，闸面板弧长4.5m。

石门水电站首台发电机组于1978年投入运行，当前运行过程中其高压弧形闸门因最初安装时精度不够，门体在运行过程中逐渐扭曲变形，导致启闭力增大。闸门橡胶止水结构设计不科学：闸门底、侧和顶橡胶止水分别安装在门叶和门楣上，导致闸门橡胶止水结构整体性较差，底、侧和顶橡胶止水交叉位置密封不佳，漏水量越来越大，影响其止水效果的发挥；高压弧形闸门面板制安精度低，闸门开启全过程内面板与闸顶橡胶止水有压接触，目前，闸门顶止水撕裂，漏水量巨大。

2 深孔高压弧形闸门密封方式选择

水封与密封面的接触应力大小决定着深孔高压弧门止水性能，为起到阻止闸门水封渗漏的目的，水封与密封面接触应力应至少为1.12γH(γ为水容重，H为设计水头)，所以，闸门设计水头越大，所对应的止水结构压缩量也越大，密封面也就越宽，止水结构所承受的摩擦力和启闭机容量也相应增大，止水磨损程度加剧，失效漏水可能性随之增加[1]。可见，深孔高压弧门止水密封结构选型与设计问题对于高水头弧门十分关键。

深孔高压弧形闸门闸顶止水包括预压式、充压式、转绞式和偏心绞压紧式等型式。其中，预压式止水结构无门槽，水流在不同水位条件下较为平顺，止水和弧门结构设计简单，投资低，此型式主要凭借止水密封结构及底板预压缩量达到封水效果，水头越高则预压缩量越大，止水结构磨损和启闭力也会增加，高水头深孔高压弧门承压后弹性变形通常会超过20mm，所以，只采用预压式止水型式很难有效解决高水头弧形闸门有效止水问题，所以常规预压式止水型式的应用受到水头限制，当前水头极限为125m[2]。

此外，对于新建水电站工程，可以根据弧形闸门工作环境、泄洪压力并结合国内外工程实践经验进行闸顶止水型式的选择。但石门水电站弧形闸门改造属于改建工程，如果采用液压式、转绞式和偏心绞压紧式闸顶止水方式，则技术改造过于复杂，还涉及有关建筑物的改动，工程量和投资方面较大。石门水电站中孔原按非常泄水孔设计，使用频率并不高，其弧形闸门并无局部开启以调节流量的设计，其设计水头110m，并未超出常规预压式止水型式应用的水头限制。为此，石门水电站弧形闸门闸顶止水采用常规预压式，二道顶止水，一道P型闸顶橡胶止水设置于闸门，作为上顶止水，另一道P型或Ω型闸顶橡胶止水设置在胸墙门楣，作为下顶止水，同时对其安装于胸墙的P型闸顶橡胶止水结构进行技术改造，才能确保弧形闸门安全运行。以上高压弧形闸门密封组合设计分两个方案进行比较。

2.1 方案一

闸门上顶P型橡胶止水头与楔形水封底座紧贴，孔口四周的侧、底止水共同形成密闭环，闸门闭合后密封效果良好。随着闸门的提升，上顶橡胶止水头逐渐与楔形水封底座脱离，不会发生橡胶止水的磨损与撕裂。闸门下顶P型橡胶止水的设置主要为了预防弧形闸门启闭时门顶射水的不利影响，通过水压力使橡胶止水和闸门面板无缝隙贴合，橡胶止水的压缩量应以不超过2mm为限设计，才能最大程度防止止水橡胶磨损和卷头，确保闸门安全运行。此方案布置结构详见图1。

1-胸墙门楣；2-闸顶上橡胶止水；3-闸顶下橡胶止水；4-弧形闸门面板；5-楔形底座

2.2 方案二

闸门上顶止水设计与方案一完全一致，即闸门上顶P型橡胶止水头与楔形水封底座紧贴，孔口四周的侧、底止水共同形成密闭环，闸门闭合后密封效果良好。闸门下顶Ω型橡胶止水通过螺栓也压力板固定于胸墙门楣，增大橡胶止水结构受力的平稳性和抗撕裂能力。P型橡胶止水结构因不能采用双排螺栓固定而存在较大的单边扭剪力，将其固定于闸门门体，并将接触面密封焊接于门楣，才能保证弧形闸门关闭后P型橡胶止水结构压紧密封。当P型橡胶止水结构和弧形闸门面板紧贴时完全依靠压缩量实现封水，压缩量应控制在4mm以内。与方案一相同的是，孔口四周的侧、底止水共同形成密闭环，闸门闭合后密封效果良好。随着闸门的使用，下顶Ω型橡胶止水能产生足够的压缩量，预防门顶射水，确保闸门安全运行。因下顶Ω型橡胶止水比P型橡胶止水宽，所以，此方案下弧形闸门必须加高85m设计，闸门作用水压增至4.5kN，保证闸门安全运行。

此方案布置结构详见图2。

1-胸墙门楣；2-楔形底板；3-闸顶上橡胶止水；4-闸顶下橡胶止水；5-弧形闸门面板

2.3 方案比选

石门水电站中孔因使用频率不高而按非常泄水孔设计，其弧形闸门并无局部开启以调节流量的设计，使用机会较少，且只要求其弧形闸门全开全关运行。所以，上述两个方案均能达到弧形闸门关闭后良好的密封止水效果，并有效防止闸门启闭时门顶射水不利现象的出现，确保闸门安全稳定运行。若弧形闸门在局部开启状态下运行且有流量调节要求时，则方案二优于方案一。方案一技术简单，只需进行橡胶止水结构及配件的更换，无需加高闸门，但方案二除更换P型和Ω型橡胶止水结构和配件外，还要加高闸门，技术复杂，改造成本较高。

所以，从施工技术、造价、运行稳定的安全性等角度考虑，石门水电站深孔高压弧形闸门闸顶止水应选择预压式止水型式，二道顶止水，就具体止水方案而言，应选择方案一，即闸门上顶P型橡胶止水头与楔形水封底座紧贴，孔口四周的侧、底止水共同形成密闭环，为了预防弧形闸门启闭时门顶射水的不利影响，通过水压力使闸门下顶P型橡胶止水和闸门面板无缝隙贴合。

3 结 论

水电站弧形闸门门型水流条件好，启闭方便，在国内外水电站工程中应用越来越广泛，而且弧形闸门总体上不断向深孔高压高水头方向发展。止水结构在水电站深孔高压弧形闸门安全运行过程中十分关键，通过文章分析表明，预压式止水结构设计简单，投资低，凭借止水密封结构及底板预压缩量便能达到良好的封水效果，但其效果受到水头限制。石门水电站因设计水头未超过预压式止水结构水头极限，故而选用。在预压式止水结构型式下又进行了两种不同弧门密封方式的比较，最终采用闸门上顶P型橡胶止水头与楔形水封底座紧贴，孔口四周的侧、底止水共同形成密闭环，通过水压力使闸门下顶P型橡胶止水和闸门面板无缝隙贴合的止水方案。石门水电站弧门改建完工投入运行以来，闸门运行效果良好，为水电站安全运行提供了保证。