水利工程論文-深孔出口突擴弧門止水的實踐與研究.doc

水利工程論文-深孔出口突擴弧門止水的實踐與研究摘要：國內(nèi)外采用弧門出口突擴、突跌止水布置的已建、在建與擬建工程近30座，其中采用偏心餃壓緊式水封的近20座，采用伸縮式水封的10座。在監(jiān)測弧門安全運行時發(fā)現(xiàn)一些危害的窄縫高速射流的切割、空化、流激振動、空化噪聲及啟閉失靈等隱患。這些故障往往源于止水撕裂失效，造成漏水及射流所致。嚴(yán)重空蝕破壞及危害性振動會導(dǎo)致閘門變形、啟閉失靈而無法使用。三峽工程泄洪深孔的孔口數(shù)量多、尺寸大、運用頻繁、歷時又長、水頭高且變幅大，有一定風(fēng)險，對孤門止水問題務(wù)持慎重態(tài)度，千萬不可視漏水為小事而掉以輕心。關(guān)鍵詞：弧形閘門三峽工程深孔橡皮止水水封l前言在高壩深孔閘門選型中，對比各類閘門的水力特性與優(yōu)缺點，弧形閘門有很多優(yōu)點。因為弧形閘門的總水壓力都由徑向通向支鉸軸心，所以其啟閉力較小。又因沒有門槽以及閘下出流接近自由流線，所以出流順暢，其流量系數(shù)亦較高，泄流能力較大。在動水操作時容許部分開啟并可鎖定。門體的水流初生空化數(shù)較低，不易產(chǎn)生閘門空蝕。在正確合理的設(shè)計下，不容易產(chǎn)生危害性的流激振動與水彈性振動。然而，以往弧形閘門的主要缺點是頂止水與側(cè)止水不在同一曲面上，兩者的連接處，水封的形狀不易滿足止水嚴(yán)密的要求，該處角隅應(yīng)力集中，橡膠水封的拐角部分容易撕裂，造成頂水封漏水甚至射水，高速射流容易形成空化源、振動源、噪聲源及射流切割源。在已建成工程中閘門失事的實例屢見不鮮。例如：碧口工程左岸泄洪洞深孔弧形閘門，其孔口尺寸9m8m(寬高下同)，孔口面積為72m2，工作水頭為70m，總水壓力6050t運行不久即出現(xiàn)頂水封與側(cè)水封連接的角隅處水封撕裂，繼而頂水封撕裂，漏水嚴(yán)重。一股高速射流導(dǎo)致胸墻門楣襯砌鋼板被大面積掀起破壞，埋件裸露，影響運行。因而深孔弧形閘門的水封漏水，不僅影響觀贍，對閘門及大壩安全運行亦屬不可忽視的問題。三峽工程深孔泄量大、水頭高、孔數(shù)多，工況復(fù)雜，操作頻繁，它是三峽工程舉足輕重的泄水建筑物之一。閘門起控制流量的重要作用，弧形閘門的止水型式問題十分重要，應(yīng)予以重視。為工程安危有必要進行全面客觀的調(diào)查研究，謀求對策，為決策者提供翔實的參謀意見。2國內(nèi)外己建深孔出口突擴弧門的建設(shè)與運行根據(jù)初步統(tǒng)計國內(nèi)外采用弧門出口突擴、突跌止水布置的建、在建與擬建工程已有28座(詳見表1)，其中采用偏心鉸壓緊式水封的18座，采用伸縮式水封的10座。在監(jiān)測弧門的安全運行時往往會發(fā)現(xiàn)一些危害性窄縫高速射流的切割、空化、流激振動，空化噪聲及啟閉失靈等隱患，應(yīng)設(shè)法消除或減免。這些故障險情往往源出于止水撕裂失效，造成漏水及射流所致。嚴(yán)重空蝕破壞及危害性振動會導(dǎo)致閘門變形、啟閉失靈而無法使用。以下將分述一些典型工程的運行情況及成敗經(jīng)驗與教訓(xùn)。2.1巴基斯坦塔貝拉(Tarbela)工程巴基斯坦塔貝拉三號泄洪洞出口斷面為4.9m7.3m，設(shè)置偏心鉸弧形閘門，設(shè)計水頭136m，兩側(cè)各突擴0.31m，跌坎高度O.38m。閘門設(shè)計精湛，曾采用10項技術(shù)革新措施，其中尤以射流節(jié)制器及Teflon銀面水封較為突出。1974年8月13日關(guān)閘后發(fā)現(xiàn)混凝土陡槽底板上，在殘留水泥砂漿塊凸體下游出現(xiàn)空蝕，后來在陡槽的起始段增設(shè)挑坎兼作通氣槽，爾后未發(fā)現(xiàn)空蝕跡象。弧門在關(guān)閉時滴水不漏，止水效果良好。閘下突擴邊墻及突跌底板均未發(fā)現(xiàn)空蝕破壞。它是目前在多項技術(shù)指標(biāo)上具有世界最高水平的突擴偏心鉸壓緊式水封的弧形閘門，運行良好，比較成功，在設(shè)計上有特色，加工工藝水平較高，并有豐富的科研成果。2.2前蘇聯(lián)努列克工程努列克工程設(shè)有5m6m孔口，110m水頭的偏心鉸弧形閘門。在設(shè)計過程中進行了大量科學(xué)研究工作。起初擬采用伸縮式變形水封，對水封在高速射流下的振動特性提供了研究成果。由于對水封材質(zhì)及老化等問題有疑慮，最終改用突擴、突跌偏心鉸止水方案，閘門運行良好，尚未發(fā)現(xiàn)空蝕破壞等情況。2.3前蘇聯(lián)克拉斯諾雅爾斯克水電站泄洪底孔為了調(diào)節(jié)水庫蓄水量和施工期泄洪，該電站設(shè)置了8個底孔，弧門孔口為5m5m，設(shè)計水頭100m?；￠T出口兩側(cè)各突擴0.5m，跌坎以下為混凝土襯砌。1964年建成，1967年投入運行，當(dāng)時運行水頭為060m。1968年發(fā)現(xiàn)在4#、5#、8#孔的跌坎下游鄰近弧門底緣的側(cè)壁發(fā)生空蝕破壞，其中5#孔的空蝕深1.5m，高5m，長15m。據(jù)資料介紹，空蝕成因是由于施工時減小了通氣管的尺寸，并且當(dāng)冬季運行時，冰凍又進一步凍阻了通氣孔道，導(dǎo)致通氣不足而發(fā)生空蝕破壞。2.4美國德沃歇克泄水孔該壩設(shè)置了3個泄水孔，孔口尺寸為2.7m3.8m，設(shè)計水頭為81m。采用偏心鉸弧形閘門，出口兩側(cè)突擴0.48m，跌坎高度為0.15m。為了進行護面涂料對比試驗。右側(cè)泄水孔不加護面。中間泄水孔涂以0.9mm厚的環(huán)氧樹脂。左側(cè)泄水孔涂以13mm厚環(huán)氧砂漿。在閘門下游15.2m處涂料護面和原混凝土直接連接。泄水孔泄水一個月后，三個泄水孔均發(fā)生不同程度的空蝕破壞。特別在左側(cè)泄水孔左邊墻護面末端，空蝕最為嚴(yán)重。空蝕區(qū)長約6m，深0.56m，高3m。據(jù)介紹空蝕的成因是邊界不平整導(dǎo)致了水流空化形成空蝕。表1弧形閘門出口突擴布置的工程實例序號工程名稱國家孔口尺寸(寬m高m)孔口面積(m2)設(shè)計運行水頭(m)總水壓力P(t)建成年代止水形式1盧卡蓬特美國2.063.667.5461446偏心鉸(壓緊式)2諾維爾美國2.543.569.0424.38204偏心鉸3二瀨日本5.003.4216.206910921959偏心鉸4大野日本4.005.3221.2835.256941960偏心鉸5湯田日本5.183.5318.2654.969721963偏心鉸6苑原日本5.003.5617.8033.785701964偏心鉸7鶴田日本4.304.1517.8544.087501964偏心鉸8松原日本4.404.4017.6451.508701970偏心鉸9內(nèi)川日本3.502.305.7555.183111973偏心鉸10科洛君利保加利亞3064.501935偏心鉸11大渡日本5.05.628601680*偏心鉸12阿斯旺埃及4.23.1513.23801038偏心鉸13德活歇克美國2.753.8010.4576.2777偏心鉸14恰爾瓦格前蘇聯(lián)5630802400*伸縮式水封15薩彥舒申斯克前蘇聯(lián)56301173510*伸縮式水封16克拉斯諾雅爾斯克前蘇聯(lián)563098/602940*伸縮式水封17努列克前蘇聯(lián)56301103300*1973偏心鉸18羅貢前蘇聯(lián)56.733.5200/856700*偏心鉸19塔貝拉巴基斯坦4.97.335.771364865*偏心鉸20龍羊峽中國5735.001204200*1987偏心鉸21東江二級中國6.47.145.441205453*1987偏心鉸22托克托古爾前蘇聯(lián)5630.00112.33369*已建伸縮式水封23布列斯卡雅前蘇聯(lián)5.5633.001173861*已建伸縮式水封24魯布革中國8.5976.50554207.5已建伸縮式水封25漫灣中國3.53.512.2590.51109*1996伸縮式水封26天生橋一級中國6.47.548.001205760*1997伸縮式水封27小灣中國6530.00111.613348.3*擬建伸縮式水封注：P=HA2.5日本大渡壩的主泄洪設(shè)備大渡壩壩高100m，為混凝土重力壩。在10#14#壩段，每一壩段內(nèi)設(shè)置一扇弧形閘門。閘門寬5m，高5.6m，設(shè)計水頭60m，設(shè)計最大總泄量為3800m3/s。采用突擴、突跌偏心鉸止水型式，根據(jù)已往經(jīng)驗與各項試驗，進行了設(shè)計、制造和安裝，成為運行可靠、功能優(yōu)良的泄洪設(shè)備，充分發(fā)揮了綜合利用大壩泄洪設(shè)備的作用，未見任何空蝕破壞的報導(dǎo)。2.6龍羊峽水電站底孔泄水道弧形工作閘門孔口尺寸為5m7m，采用偏心鉸弧門，設(shè)計水頭120m，孔口兩側(cè)各突擴0.6m，跌坎高度為2m。龍羊峽工程支鉸偏心軸的設(shè)計，是與滾柱軸承的選用及支鉸布置分不開的。因受支鉸體型尺寸的限制滾柱軸承既要滿足額定靜負荷的要求，又要使軸承寬度不宜過寬。據(jù)此，活動鉸鏈選用20771/950四列滾柱軸承。固定支鉸采用調(diào)心40031/800雙列向心球面滾柱軸承，這樣除能滿足軸的結(jié)構(gòu)強度和偏心距布置要求外，門體結(jié)構(gòu)布置勻稱，安裝調(diào)整容易，經(jīng)濟上比較合理。1987年2月15日首次開啟運用，至1989年渡汛，共運用3次，累計過水歷時達7137h。最高運用水頭為89m，最大流速達36m/s。泄槽明渠邊墻，底板及挑流鼻坎等部位發(fā)生較為嚴(yán)重的破壞。1989年汛后，對破壞部位按原設(shè)計體型進行了修復(fù)。修復(fù)后尚未再次過水?；仡?987年底孔過水歷時5417h，最高水頭54.5m，汛后進行檢查，發(fā)現(xiàn)泄槽的不同部位發(fā)生輕微的破壞，主要在泄槽分段結(jié)構(gòu)縫兩側(cè)及下游，1988年過水歷時137h，最高運行水頭46.7m，1989年過水歷時1583h，最高運行水頭89m。過水后進行了較為全面細致的檢查，發(fā)現(xiàn)泄槽部分遭到了比較嚴(yán)重的破壞。在左邊墻距跌坎后37m處最大蝕深2.5m，破壞面積180m2，沖走混凝土約175m3。右邊墻距跌坎后37m處最大蝕深0.7m，破壞面積98m2，沖走混凝土約29m3。根據(jù)有關(guān)資料初步分析沖蝕破壞的原因為：由于運行條件與設(shè)計條件有較大不同，可能導(dǎo)致通氣槽水流摻氣不足，各澆筑分段模板走動，混凝土表面接縫出現(xiàn)錯臺；環(huán)氧砂漿抹面層與老混凝土表面接觸不好；此外，1987年和1988年過水后，局部破壞未及時修復(fù)而形成1989年運行中的空化源。2.7碧口水電站排沙洞出口弧形工作閘門該排沙洞孔口寬4m，高3.15m，設(shè)計水頭90m。頂水封為常規(guī)水封，在門葉上設(shè)一道60mm夾有二層帆布的P型橡皮，另一道設(shè)在門桅埋件上，為鴨咀式圓滾水封，內(nèi)有90mm夾有三層帆布的圓形空心橡皮；側(cè)水封為方頭60mm“P”型(煙斗型)夾有三層帆布的橡皮水封；底水封為刀型止水型式。該門原設(shè)計僅用作排沙，沒有部分開啟運行的要求，后因下游用水和水庫初期蓄水的需要，要求用部分開啟來調(diào)節(jié)流量。自1975年投入運行，至1977年4月共運行8324h，其中部分開啟運行為4674h，而部分開啟又0.2O.5相對開度運行時間為最多，達3954h，部分開啟運行水頭最高達70m左右。維修時，發(fā)現(xiàn)頂水封座板破壞嚴(yán)重，不銹鋼板已被撕裂掀起，固定頂水封壓板的螺栓，有的全部脫出，有的螺栓頭被擠斷脫落，絲桿仍在螺孔內(nèi)，門葉面板上呈現(xiàn)擠壓凹槽，左側(cè)1.4m長的圓滾水封橡皮已蕩然無存。1977年4月修復(fù)后，運行約一個月，部分開啟時間為260h，基本上處于0.5相對開度，并且在水頭63m左右連續(xù)運行了110h，頂水封又遭破壞。門葉上頂水封P型橡皮中心偏左側(cè)60cm處橡皮水封頭部撕裂。頂、側(cè)水封接頭處因在安裝時未膠合完善，有明顯的縫隙，在鴨咀中，左側(cè)長約90cm的圓滾橡皮斷裂消失，右側(cè)端部約70cm長的圓滾橡皮亦蕩然無存，而且兩端各脫落一個固定頂水封壓板用的螺栓埋頭孔的封閉鉛彈。通過操作閘門觀察，無論是從全關(guān)到全開，或是從全開到全關(guān)，都在開度6080cm處(相對開度n約為O.190.26)，啟閉機室亦遭到瞬間射水，后來又將鴨咀內(nèi)的圓滾止水橡皮改用90mm實心橡皮。經(jīng)過運行，仍遭破壞。由于該門每年汛期操作頻繁，頂水封在高水頭情況下長時期射水，造成頂部縫隙水流空化，因而除門楣埋體被空蝕破壞外，土建部分的混凝土表面亦遭空蝕剝落；還有閘門底止水不嚴(yán)引起的縫隙漏水，或是設(shè)備維修不及時，閘門不能關(guān)嚴(yán)而引起的縫隙射水，均為空化源。此外在小開度情況下亦會發(fā)生縫隙水流空化，這種高速窄縫水流的空化都會導(dǎo)致空蝕破壞。1979年汛后檢查時，發(fā)現(xiàn)閘門底部130mm高的范圍內(nèi)鋼板和水封螺栓孔等處均有空蝕破壞現(xiàn)象。底水封處鑲護的厚30mm的鋼板在200mm寬的范圍內(nèi)空蝕麻點最深達20mm左右，底板兩側(cè)與側(cè)護板交接處亦有手指可伸進的洞穴。另外，碧口左岸泄洪洞弧形閘門孔口尺寸為9m8m，設(shè)計水頭70m，采用常規(guī)水封，二道P型頂水封，運行不久，頂水封橡皮撕裂，起自角隅；繼而發(fā)展至門楣中部，頂水封嚴(yán)重漏水形成高速射流，使鋼板襯砌掀起，埋件拔出，破壞嚴(yán)重。2.8石門水庫底孔該底孔裝有2m2m水頭70m弧形工作閘門，自從1973年投入運行后，部分開啟運行時間較長，特別是19801981年在高水頭下操作頻繁。1982年檢查時，發(fā)現(xiàn)閘門及門楣埋件有嚴(yán)重空蝕破壞。閘門底部11cm高，長度84cm范圍內(nèi)面板空蝕破壞成鋸齒形，根據(jù)西北水利科學(xué)研究所取樣稱得的重量，其失重率達29%，其中最嚴(yán)重的一段，失重率達33.4%，許多地方已被蝕穿。閘室側(cè)墻護板，在距離底板高度140155cm范圍內(nèi)有空蝕現(xiàn)象，最深點左側(cè)為7mm，右側(cè)為10mm，面積近70cm2。側(cè)護板與底板交接處有高7cm，深約20cm的空蝕洞穴，底水封附近底板蝕深為2cm左右；閘門底水封橡皮殘留部分僅剩左側(cè)40cm，其它都已消失殆盡。2.9東江水電站偏心鉸弧形閘門東江水電站二級放空洞偏心鉸弧形閘門，孔口尺寸為6.4m7.5m，設(shè)計水頭100m，擋水水頭120m，于1983年3月完成設(shè)計。1986年8月2日正式投入運行，至1988年2月已連續(xù)部分開啟運行了13466h，其操作(調(diào)整開度)56次，在水頭5569.47m時，部分開啟618cm，運行了5373h。運行了四年多，工作水頭已接近lOOm，未發(fā)現(xiàn)任何險情及損壞，經(jīng)受了嚴(yán)峻的考驗。2.10漫灣水電站沖沙洞該電站大壩左、右岸各設(shè)一條沖沙洞，工作閘門為弧形閘門，其孔口尺寸為3.5m3.5m，承壓水頭分別為90.5m和88m，弧門為直支臂，圓柱鉸?；￠T出口每邊突擴0.6m，突跌1m，在突跌部位設(shè)置通氣孔，閘門水封采用液控式伸縮水封，在同一曲面上呈口字型。另設(shè)常規(guī)水封輔助。1993年6月28日第一臺機組發(fā)電，水庫水位974m，左、右岸沖沙洞弧形工作閘門承壓水頭分別為68.5m和70.5m。當(dāng)時弧門的液壓伸縮性水封尚未安裝，只用常規(guī)水封止水，兩座弧門均有不同程度的漏水，右岸沖沙洞弧門漏水較為嚴(yán)重。1995年4月對兩座弧門進行了檢