下沉式闸门在古尔图河四级水电站压力前池中的应用

王周奇

(泰安市水利勘测设计研究院有限公司，山东 泰安 271000)

1 工程概况

古尔图河自出山口的新渠首开始建有三级、四级、六级和七级4座梯级径流式电站。古尔图河四级水电站自古尔图河三级水电站尾水渠退水闸引水，下游接古尔图河引水干渠13+500处。四级水电站引水渠设计流量20.0 m3/s,发电流量18.4 m3/s。电站总装机容量19 MW,多年平均发电量7 585万kW·h,装机年利用小时3 992 h,保证出力3.6 MW,供电范围为农七师辖区。

本电站最为突出的特点就是自引水闸开始至尾水渠全线采用了封闭式设计。分布在3个阶地陡坎上的引水渠采用了引水暗渠的形式，渠道断面采用矩形断面，渠底宽度3.2 m,纵坡为1/1 000,冬季暗渠输水流速为1.25 m/s。渠顶盖板为C25钢筋混凝土拱形盖板，跨度为3.2 m，盖板上覆土厚度0.8 m。设计及施工依据地形进行，既避免了滑坡等地质灾害，又避免了大量土方的开挖。紧接其后的压力前池也采用了封闭式，前池钢筋混凝土盖板+溢流侧堰的扦插板构成了封闭结构。采用正向进水、正向引水发电、正向排冰和正向排沙的形式；为双层结构布置，在进水室前增设了1道挡冰墙和挡冰悬板；挡冰悬板底部与压力钢管顶部相齐平，有效阻止了冰凌进入进水室。压力前池后接的是长达2 200 m的长距离压力钢管，压力钢管采用了地埋加防腐的方式接进厂房。

古尔图河四级水电站全部采用全封闭的引水方式，有效解决了北方引水式水电站的冬季运行问题。

2 下沉式闸门的应用

闸门是水利工程常用的挡水结构，结构形式多样，常见的有潜孔式、露顶升卧式和下沉式。在不同建筑物上起不同作用时，受建筑物结构要求的限制。

下沉式闸门是可适应于不同水位和流量的新型挡水闸门，其特点是在水闸底槛以下设门库，需要关闭闸门时，门体从门库升起关闭挡水；需开启闸门时，门体则沉入门库内，仅留门顶盖板露出底槛。

下沉式闸门工作与普通闸门设计原理相同，工作过程正好相反。普通闸门是上提打开，下放挡水，启闭机长期处在放松状态，只有当闸门提升放水时，才处于工作状态；而下沉式闸门是下降打开，上提挡水，启闭机长期处在工作状态，只有当闸门下降到门槽底坎位置时，才处于放松状态。下沉式闸门在平常挡水时，门顶可小流量溢流。

古尔图河四级水电站厂址处多年平均气温为6.3 ℃，其中1月平均气温最低为-2.0 ℃，7月平均气温最高为22.8 ℃。历年极端最高气温为39.0 ℃，最低气温为-27.5 ℃。古尔图河封冻期一般为12月下旬至次年1月，解冻期一般始于2月下旬。每年11月下旬至12月中旬为流冰期，冬季需打冰引水。

古尔图河四级水电站压力前池排冰设计采用的是正向排冰，双层结构布置。在进水室前增设了1道挡冰墙和挡冰悬板(结合水电站压力前池陡坡段布置正好可满足规范(GB/T 50662—2011)第9.2.4条的要求)，挡冰悬板底部与压力钢管顶部相齐平，顶部与冬季正常发电水位齐平。在排冰悬板上设下沉式闸门，且进水室进口与排冰悬板之间距离较短，排冰闸断面比池箱断面小(根据水电站压力前池相关尺寸的计算，进水室挡冰悬板底上部分由5.0 m渐变为3.0 m)；使得水流在此处的速度比池箱断面处的速度大，表层含冰水流靠压低机组负荷后产生的涌波通过下沉式闸门顶部，利用水流的惯性力将冰排入悬板后侧的排冰槽内；排冰槽后为1∶2.5的陡坡。这样冰凌越过悬板后，就只能从陡坡与侧堰相连接的溢流道排入泄水陡槽内。

采用此种排冰形式后，有效阻止了冰凌进入进水室。引水发电水位的变化可以由设在挡冰悬板上的下沉式闸门和溢流侧堰共同进行控制。同时，夏季运行时，漂浮物一般是漂浮在水面上，也可以利用下沉式闸门通过水电站甩负荷的形式予以排除。如改造为自动化控制后，亦可以像侧堰一样，起到稳定水头的作用。

3 下沉式闸门的设计

3.1 总体布置

排冰闸设计采用的是露顶式，闸门是下沉式平板闸门。设计突破了《水工建筑物抗冰冻设计规范》(SL 211—2006)12.2.6之规定，排冰闸的闸门宜采用弧形闸门和舌瓣闸门或带舌瓣平面闸门及带舌瓣弧形闸门；不宜采用上升式闸门、下沉式闸门和双扉闸门。本次下沉式平板钢闸门在挡冰悬板前侧预埋钢板，同时在预埋钢板(由于此块钢板面积较大且附属有用于加热的槽钢，因此浇筑混凝土时需格外小心，以保证钢板的平整度；必要时预埋灌浆孔)上焊接用于加热空腔的槽钢，用于加热空腔的槽钢与门槽侧加热槽钢相连通。另外，在门槽处及挡冰悬板前侧预埋钢板均采用了电加热装置，以防止冬季闸门结冰不能自由升降，从而保证了排冰效果。

下沉式平板钢闸门的主要作用为古尔图河四级水电站排冰，因此设计水头比较小。古尔图河四级水电站的最高设计水位为805.56 m，因而本闸门的设计水头为最高设计水位减去挡冰底板顶高程，结果为2.88 m。进水室排冰出口底高程802.07 m，孔口尺寸为3.0 m×2.0 m。后接排冰道，排冰道长度为3.0 m，宽度为2.0 m。通过前池1∶5的陡坡段与溢流道及冲沙闸相接。工作闸门为平面钢闸门，孔口尺寸3.0 m×2.0 m，设计水头2.5 m。闸门全开时，门隐藏在水下门库内，不干扰水流；闸门挡水运行时，水流从闸门顶溢流(见图1～图4)。

3.2 闸门基本结构

下沉闸门与普通平面钢闸门在结构设计上基本一致。本闸门采用平面双主横梁焊接结构，水封位于下游后翼缘翼板侧。支撑形式为滑块结构，如果采用滚轮结构的话，很有可能发生混水中的浮沙进入轮轴而发生轮轴转不动的现象。闸门吊耳外伸在门槽内，采用等荷载设计原则，整个闸门荷载由两根主梁承担；采用单轴对称工字形截面焊接组合梁。

3.3 使用工况

闸门由QL—2×50 kN螺杆式启闭机控制，静水启闭。由于下沉式闸门是下降打开，上提挡水，在水闸工作局部开启的时候，由于止水突出于门体，所以开启后门体与门槛之间是有间隙的。由于该间隙的存在，可能造成封水不严的情况；因此对止水的要求相对较高。目前水利工程中广泛采用的是既有弹性又有足够强度的橡胶止水。为了增加水封的密闭性，达到良好的止水效果，采取了如下措施：本次侧止水和底止水全部采用的是W285—1型，采用这种止水可以防止止水橡胶在闸门的升降过程中侧翻。W型聚四氟乙烯复合水封是在W水封的头部粘贴一层聚四氟乙烯，可降低水封橡皮与不锈钢座板间的摩擦系数；当闸门启闭运行时，可降低粘滞力和摩阻力，使水封不致受拉而撕裂。水封预压缩4 mm,在闸门关闭挡水时，利用上游水产生的水压，将水封推向水封座并贴紧座板，利用水压将水封压紧。

在止水与挡冰底板的接触部位采用了一整块钢板，保证了水封在其工作范围内不至于脱离水封座板而发生漏水。同时，在水封座板上增加了电加热装置，以防止闸门结冰不能自由升降，从而保证了排冰效果。夏季的排漂、甩负荷和冬季的排冰，使用比较频繁。同时，为了保证橡胶止水更换方便，固定橡胶止水的压板和螺栓要求采用不锈钢加工，因此委托专业闸门生产厂家进行整体生产加工配套。

3.4 防腐蚀设计

闸门门叶及其门槽埋件等长期处于干湿交替、浸没水下及水流冲刷等环境中，受到大气、日光、温度和水生物的侵蚀以及泥沙和其他漂浮物的冲击摩擦，钢材表面极易发生腐蚀。钢结构发生腐蚀后承载强度会逐渐降低，严重影响工程的安全运行。为有效控制钢材的腐蚀，延长闸门的使用寿命，必须采取有效的防腐措施。

闸门制作完后，对门体进行喷砂除锈和喷锌防腐处理。埋件露出混凝土表面喷锌防腐,喷锌厚0.16 mm,并涂0.05 mm厚环氧云铁防锈漆作封闭涂料,再涂0.08 mm厚氯化橡胶铝粉漆作面漆。

4 结 语

我国北方地区气候以寒冷天气为主，冬季长且严寒,河水冰冻时间长，气温达-30 ℃,冰凌严重,常常堵塞电站进口,影响正常运行。如何确保引水式水电站正常安全的工作是如今北方地区面临最棘手的问题。

通过新疆古尔图河四级水电站自引水闸开始至尾水渠全线采用的全封闭式设计，有效防止了水电站在引水过程中再生冰的形成。其压力前池下沉式闸门的设计通过10多年的冬季运行，取得了预想的效果。

在寒冷的北方，虽然负温历时长，冰害严重，但只要根据气象、水温、冰情、工程条件等，制定符合实际情况的电站设计和运行管理制度，可妥善解决冰冻问题。