事故閘門

水電站水庫為周公河流域梯級具有年調節能力的龍頭水庫，電站為混合式開發型式。水庫正常蓄水位1080m，設計洪水位1078.87m，校核洪水位1082.76m，最低運行水位1020m。總庫容5.85億m³，調節庫容4.85 億m³，壩高143.26m。設計洪水流量（P=2%）1109.19m³/s，校核洪水流量（P=0.2%）1340.4m³/s。電站裝機容量2×120MW，混流式機組，單機引用流量60m³/s。泄水建築物包括左岸泄洪隧洞和右岸泄洪隧洞2條泄洪隧洞，其中左岸為開敞式表孔，右岸為中孔，為避免中孔頻繁開啓，有利於工程的安全運行及管理，在小洪水時利用左岸泄洪洞調節流量，當庫水位超過表孔單獨泄洪2年一遇洪水位1075.4m時，中孔開啓。中孔事故閘門的佈置和型式需結合工程的整體規劃和水工建築物的總體佈置進行技術經濟比較，其水力學性能以及門體結構動力性能，直接關係到右岸泄洪隧洞工作門及泄洪建築物運行的技術可行性、可靠性、經濟合理性和安全性 ^[1]  。

根據樞紐佈置，在右岸泄洪洞進口布置事故門1扇，泄洪洞工作門佈置在其下游側。事故閘門孔口尺寸為4 m×7m（寬×高），底坎高程1040m，正常蓄水位1080 m，校核洪水位1082.76 m，壩頂平台高程1085.7m。根據樞紐防洪總體方案，該閘門的結構設計及操作水位按校核洪水位考慮，用於泄洪洞弧形工作門門葉及門槽檢修時擋水，或在工作門發生事故時，動水下門切斷水流。閘門為動水下門，靜水啓門，門頂設充水閥充水平壓，設計水頭及下門水頭為42.79m，閉門利用水柱加重，固定捲揚式啓閉機操作。

根據一般的設計準則，要求金屬結構設計在滿足水工總體佈置及安全泄洪的前提下，應使所選設備結構簡單，製造、安裝容易，維修方便，綜合造價最低，運行安全可靠。按以上原則，根據右岸泄洪洞事故閘門孔口尺寸大小、水頭、流速、水流條件及水工佈置通過技術經濟比較做選型，就事故閘門的支承型式，對滑動閘門、定輪閘門進行了綜合比較。

作為依靠自重和水柱動水閉門的平面定輪事故閘門在我國很多工程中有應用，若採用潛孔平面定輪門，定輪門輪壓1900kN，定輪直徑約800mm，啓門力較小；但因為門葉採用水柱下門，頂水封和側水封均佈置在下游，事故門關閉時定輪泡在水中，定輪需設置止水的密封圈，保證軸承的水密性和良好的潤滑至關重要，包括密封的型式、材質、老化及密封的潤滑問題，這樣設計較複雜且密封效果及密封壽命不能100%保證，一旦漏水，水和泥沙進入將使摩阻力急劇增加，導致事故門工作時不能閉門。且定輪佈置需要加深門槽深度，加厚門葉結構。採用潛孔平面定輪門在設計、製造上是可行的，但製造難度相對較大，而且造價也高。

利用水柱下門的潛孔平面滑動門在國內外工程中應用廣泛，在設計、製造、安裝、運行維護等方面均比較成熟，本工程採用滑動門支承線荷載為23013N/mm²，滿足現有滑道材料的抗壓強度，利用全水柱閉門閘門不需加重，動水閉門持住力約為1889.5kN，啓閉機易於選擇，平門的門葉及埋件加工製造難度小，造價低，經濟指標好，因此採用平門方案。

事故閘門孔口尺寸為4 m×7m（寬×高），設計水頭43m。閘門門葉材料為Q235B，採用主樑實腹式焊接結構，門葉分2節制造，工地拼裝，面板佈置在上游側，頂、側水封佈置在下游側，底水封佈置在上游側。頂側水封為橡塑水封，水封寬度4.4 m，水封高度7.1m，支承跨度4.8m，面板厚度14mm，閘門動力系數取1.1。經結構佈置及結構計算，閘門的結構特性如下：面板承受的最大水壓力為12156.1kN；頂主樑跨中斷面彎應力σmax=102.2 MPa，支承斷面剪應力τmax=41.7MPa；底主樑跨中斷面彎應力σmax=104.9MPa；支承斷面剪應力τmax=62.5MPa。閘門主要部位的應力均在許用應力範圍以內。

事故閘門為動水下門，其底緣形式的設計很重要。據試驗和很多工程資料表明：閘門底緣型式設計不合理，不僅會產生較大的下吸力（上脱力），更會引起負壓和門槽空蝕，惡化水利條件，導致閘門震動。按照《水利水電工程鋼閘門設計規範》，動水下門時，為避免門底過水的射流衝擊主樑腹板及翼板而形成真空，從而增加閘門振動，下游傾角不小於30°，工程事故門採用全水柱下門，底主樑與底檻的夾角則為30.8°>30°，本閘門底緣的設計符合規範要求。

支承滑道按等荷載佈置，上下2節門葉每側佈置2個滑道，門葉的最大支承荷載為1726 kN，滑道長度L=750mm，支承線荷載為23013N/mm²，考慮該事故閘門的重要性，保證事故門下門順利，應降低事故門的滑動摩擦係數和提高滑道的可靠性，滑道材料採用鋼基銅塑釘板型自潤滑複合材料，滑道和軌道的計算最大摩擦係數取0.13。反向支承採用彈性反輪，可以保證較好的止水效果和減少門葉震動。

事故閘門門槽的設計應注意門槽空化空蝕問題，國內外大量的工程運行經驗表明：平面閘門門槽空化空蝕問題十分嚴重，甚至造成嚴重事故，門槽和軌道的空蝕原因主要是由於門槽漩渦的產生，當高速水流流經門槽段時，突變的邊界會引起槽內漩渦和水流擴散對邊牆衝擊等水力現象，這種狀況存在將誘發門槽的間隙性空化和空蝕。選擇適當的門槽形式以改善門槽附近的水力學條件。

右岸泄洪洞為一孔，設一扇事故門，適合固定式捲揚機啓閉機操作，採用單吊點，啓門時通過設在門頂的充水閥充水平壓（閘門前後水位差不大於3m），事故門不用時鎖定在閘墩平台。固定式捲揚機啓閉機容量由閘門關閉時的持住力所決定，並留有適當裕度。

事故門採用全水柱閉門設計，利用水柱和自重可動水下門，不需加重，計算閉門力水封的最大摩擦力系數取0.2，滑動摩擦係數取0.13。事故閘門關閉時持住力的大小，主要取決於門頂水柱重量、閘門自重、閘門底緣處的壓力、支承行走阻力、水封摩擦阻力等因素。水柱重量根據閘門頂部承載面積和閘門頂部水頭確定；對於支承行走和水封摩擦阻力的計算，按經驗公式估算，計算持住力時水封的最大摩擦力系數取0.05，滑動摩擦係數取0.05；計算閉門力水封的最大摩擦力系數取0.2，滑動摩擦係數取0.13，按工作門全開狀態計算事故門1～6 個開度的持住力，事故閘門在關閉過程中，門頂水壓力與門底水流上託力及摩阻力之差隨開度的增加而增大；當事故閘門連續關閉到0.5 開度時，門頂水壓力與門底水流上託力及摩阻力之差達到最大，此時所需的持住力也最大，計算得最大持住力約為2004 kN。事故門閘門底緣設計雖滿足規範下游傾角的要求，但考慮閘門底緣受邊界幾何條件、水流條件、閘門開度大小和通氣孔位置的影響，較為複雜，啓閉力計算中還有不可預見的因素，考慮了保留一定裕度，因此，固定式捲揚機的容量選用2800kN，啓閉機揚程48m。

事故閘門門型及門槽的選定，經過技術、經濟等各方面的比較分析，泄洪洞事故閘門選用下游止水、水柱下門的平面滑動閘門；門槽型式滿足設計要求，門葉底緣型式合理，啓閉機容量選擇適當。在事故門設計和操作中應注意以下幾點：

（1）應設有可靠的的測壓裝置，以便監視開啓前的平壓情況，防止啓閉機超載運行和閘門結構破壞；

（2）閘門底緣體型和門槽體型應確保下門水柱可靠；

（3）啓閉機的選擇應考慮計算中存在若干不定性和不可預見的因素，在啓閉機容量的選擇上應多方面考慮最後確定 ^[1]  。