夹岩放空洞高水头平面工作闸门的设计分析

陶光慧,徐国杨,黄臣勇

(贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550002)

1 工程概况

贵州省夹岩水利枢纽工程具有供水、灌溉及发电综合功能，并为区域生态环境的改善创造有利条件，为区域脱贫攻坚提供坚实保障。主要由水源工程、毕大供水工程、灌区骨干输水工程三部分组成[1]。水源坝址位于乌江流域六冲河中游河段上。按SL 252—2000，属Ⅰ等大(1)型工程。枢纽建筑物主要由面板坝挡水建筑，左岸开敞式溢洪道、泄洪洞、放空洞泄水建筑物，右岸坝后引水发电系统取水建筑物组成。放空洞处于左岸最低位，主要承担水库泄洪洞底板以下部位检修维护的放空任务，不参与泄洪。

2 放空洞及金属结构布置

《混凝土面板堆石坝设计规范》SL 228—2013规范修编后，对于大型项目及地震烈度影响较大的面板高坝，要求设置相应的放空设施，以确保面板坝的低位检修及挡水大坝重大事故处置安全储备，项目初设时根据规范的要求增加了低位放空洞。为了方便低部位趾板、面板出现开裂等情况，满足放空水库方便检修操作的需要，根据可研审查意见“研究降低进水口底槛高程的必要性”的要求。经研究认为夹岩水库泥沙含沙量较高，泄洪洞进口高程是按150年泥沙淤积设计的，其进口底板高程为1265 m，闸门前运行水头已达58 m，若再降低底槛，闸门的启闭将非常困难，因此，在可研基础上新增放空洞，其取水口高程按高于30年的水库淤沙高程进行控制，其运行水头为1265～1242 m，1265 m以上的放空仍然用泄洪洞进行。

2.1 金属结构方案比选

金属结构主要从平门+平门方案及平门+弧门方案进行方案比较。

采用平门+平门，井筒长度较短，可大大地缩短井筒工期，但平门门槽突变，在高速水流的条件下流态不稳定，水力学条件不好，需要对流道进行防破坏处理。

采用平门+弧门方案，井筒长度尺寸、体型会较大，工期会较长，弧形工作闸门门槽无突变，水力学条件较好，可适应高流速的影响。

因本部位为新增，同时设定其正常运行条件为泄洪洞高程以下水库放空，常态下运行水头不高，最终选定平门+平门方案。

2.2 闸门设置

竖井内顺水流方向分别布置一扇平面事故闸门及一扇平面工作闸门，仅作水库放空1265.00 m以下库水位使用，不参与水库的泄洪工作，操作情况为全开全关。当大坝需要检修低部位时，由溢洪道及泄洪洞联合放水至1265.00 m后方打开放空洞工作门进行放空，开启放水后，门后应保持明流状态。平时由放空洞工作闸门关闭挡水。该放空洞只考虑40年淤沙高程1240.91 m的影响。

根据放空洞布置形式，工作闸门采用平面滚动钢闸门，主支承为简支式定轮，采用下游面板及止水，本闸门常规状态下仅挡水，只有应急情况下方打开放空。启闭机采用固定卷扬机，并配套拉杆与闸门相连接，当放空时提起一节拉杆锁定即可，完成放空任务后低水头动水下闸挡水。主要工作闸门实现高水头挡水，低水头放空的任务。

3 放空洞及金属结构方案论证

为验证方案的可行性，进行了方案的水工模型试验，通过低位放空隧洞推荐布置方案试验取得了水流流态、挑射特征等项资料，论证了放空洞推荐布置方案的合理性及其优越性。

3.1 放空洞推荐方案动水时均压力测试

(1)放空洞工作门前为压力流区间，底板和侧墙时均动水压力大，且自进口至工作门出口在闸门全开运行时动水压力沿流程逐渐降低，至闸门出口达到最低，试验测得进口底板及侧墙时均动水压力最大值分别为29.583×9.8 kPa和22.98×9.8 kPa，而工作门前则降至7.07×9.8 kPa和1.54×9.8 kPa，事故门门槽和工作门门槽动水时均压力较高，试验测得在库水位为1271.0 m时分别为7.23×9.8 kPa和6.88×9.8 kPa。

(2)水流出工作闸门后底板及侧墙动水压力迅速降低，并逐步过渡至平稳状态，试验测得门后洞内底板最低动水压力3.53×9.8 kPa(F16测点)，而侧墙最低动水压力-1.55×9.8 kPa(G16测点)，随后逐步回升至正常压力水平但略低于洞内水深。

(3)水流进入反弧后，水流沿圆曲线边界流动，水流法向加速度使底板压力增大，在反弧后半部位由于受到离心力影响，底板压力达到最大，闸门全开运行最大底板压力8.60×9.8 kPa，发生在反弧中后部F40测点，往后压力逐渐减小，至鼻坎顶部减至最小；侧墙时均动水压力变化特征与底板类似闸门全开运行侧墙最大动水压力时均压力为5.63×9.8 kPa，发生在反弧中后部G40测点。

3.2 方案设计合理性分析

放空洞在校核水位下运行、闸门敞开泄洪时闸前闸后洞身均为满管压力流，满管流状态一直持续到洞尾出口，洞尾检修门井水深约为5.95～6.30 m，门槽自底板上方2.45 m以上存在立轴旋转水流，但能量不大，试验测得泄洪放空洞挑射水舌内缘挑距约为45.50～47.25 m，外缘挑距约为57.75～61.25 m，冲砸河床宽度约为14.00～15.75 m，出口挑射流速约为18.28 m/s,抛射水舌冲砸区域基本位于河心位置，随着库水位降低，水舌挑距逐渐缩短，但水舌冲砸区域仍偏向河心，跌落本岸时则流量较小，冲击压力较弱，出口体型设计较为合理。

从试验的反馈来看，与设计设想基本吻合，设计方案合理可行。

4 放空洞工作闸门设计

4.1 设计分析

当闸门在动水启闭过程中，闸门底缘的形式及闸门的相对开度等直接影响闸门底缘上的动水压力分布，若底缘形状恰为自由流线时，底缘上的压力分布为零值，此状态较为理想。若底缘上游倾角设计值小于底缘的临界角度，则底缘上游倾斜面承受负压，对运行不利，从众多实验来看，当角度α=45°～60°时，在闸下自流出流及底流水流不出现分离现象的条件下，βt=0.7～1.0[2]。对于有动水启闭运行要求的平面闸门，对闸门底缘的布置要求比较高，下游倾角应不小于30°，对于部分利于水柱的平面闸门，其上游倾角不应小于45°，宜采用60°[3]。

从规范的角度来看，工作闸门上游角度不宜过小。因此底主梁位置距底缘较高，荷载较大增加底主梁的形体尺寸，同时对支承滚轮的布置影响较极大，极大地增加了下主轮的荷载，对支承的选材、加工等造成了较大困难。同时造成主轮及主梁受力荷载严重不均，因此梁格布置难度大。若采用平面滑动则为增大启闭机容量，同时启闭机排架荷载较重，设计难度增大，因本工程为放空洞，采用溢洪道及泄洪道联合泄放库水位至1265 m时方开启工作闸门，因此其正常运行的水头不高，但其挡水水头较高，同时要求非常情况下需要全水头下亦可打开，启闭机容量需要满足全水头启门的运行要求。

4.2 设计成果

在进口事故闸门的下游处设置有1扇平面工作闸门，作水库放空1265.00 m以下库水位使用。工作闸门底板高程为1242.00 m，闸门检修高程为1329.00 m。当工作闸门需要维护检修时，关闭上游的事故闸门即可进行操作[4]。

4.2.1 闸门结构设计

放空洞底板高程1242.00 m，工作闸门孔口尺寸4 m×5 m，最高挡水水头84 m，正常条件下启闭水头29 m，总水压力21 771 kN(1.2的动水系数)。选定为潜孔式平面定轮钢闸门型式，主支承采用偏心定轮装置，轴承形式为自润滑滑动轴承，门体上边梁左右对称各设置4套主轮，侧支承为侧轮(Φ240H225)，反支承为Φ300铰式反轮，为利用水柱，闸门面板及止水设置在下游侧，门体两侧及顶部三边采用实心头P60-A橡塑无节型整体门型水封，底部水封采用I130-20型。自重闭门不够部分由水柱加重实现闭门。工作闸门主梁采用多主梁型式，闸门横向区分7格，纵向区分5格，梁格长边方向与主横梁轴线方向平行，以增强门体刚度和整体性，采用实腹式齐平连接[5]。共布置6根主梁，底主梁为箱形体，其余主梁为工字形，梁高1 m，箱形主梁腹板及后翼缘板开设有工艺孔。门叶体形为1000 mm×5700 mm×6275 mm(厚×宽×高)，为满足水力学条件，门底设有上游45°倾角，同时设有底封板同时面板加强板并设有铆焊孔。门体主材选用Q345B低合金结构钢，更好地满足强度及防腐要求，门体含拉杆共重50 t。紧接门后隧洞孔部设有1000 mm×4000 mm通气孔，闸门检修高程为1329.20 m。采用Ⅱ型门槽，埋件工作主轨主材选用ZG35Cr1Mo合金铸钢，调质处理，为了满足门槽的防护，采用整体门槽型式，设置一、二期钢衬护面，埋件重102.5t (含一期钢衬)。

4.2.2 机电工程设计

本工作闸门的设计运行条件为设计全水头挡水，正常运行情况下为低水头动水启闭，利用闸门自重闭门，紧急情况下可全水头动水提门泄水。启闭机配置1套型号为QP4000 kN-15 m的单吊点固定卷扬机。启门力为4000 kN，主起升扬程为15 m。整机工作级别为Q3中型，单机架布置，单电机驱动模式。滑轮组采用8倍率。电动机YZR 400L1-10 FC=40% 电机功率160 kW。启闭机的动力电源采用交流380V，50 Hz，控制电源采用交流220 V，50 Hz。启闭机安装高程为1329.20 m。为方便辅助上游的事故闸门和该工作闸门的启闭机等零部件的安装、维护检修等的操作，低位放空洞启闭机室内启闭机上方设置辅助检修用单梁桥吊，单梁桥吊的容量为160 kN，扬程为15 m。

4.2.3 监控与应急系统设计

本闸门设置有水位监控及开度监控系统各1套，便于监控闸门的运行等情况，确保金属结构设备安全运行。作为大(1)型项目泄水系统工作闸门，其启闭机设置配置1套失电液控应急操作器及动力单元，其功能主要在完全失电的极端情况下，仍可向启闭机输出动力，实现闸门的泄放功能[6-7]。

5 结 语

随着主支承新材料如钢基铜基复合板、铸造油尼龙、填充聚四氟乙烯板等成功研用，平面滑动钢闸门应用已往高水头方向延伸。复合材料滑道具有较高的承载力，较小的摩擦系数，解决了因为滑块摩擦系数较大带来启闭设备容量较大的难题。而国内众多的成熟厂家，从质量与工期上均可以加以保证。加上主滑块设置对不同的门叶结构布置形式均有较强的适应性，使得平面滑动钢闸门在高水头运用中存在了可能。但随着水头的增加，主滑块荷载增大，对复合材料滑块来说依然存在较大挑战，尤其是重载作用下的动力效果很难保证。作为一个不常用的泄水系统方案是可行的，但是作为一个常用特高水头泄水系统，整体方案还有优化的需要。