建筑淺析電站閘門和啟閉機(jī)設(shè)計(jì)

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1、淺析電站閘門和啟閉機(jī)設(shè)計(jì) 摘　要：水電站泄洪洞、放空洞、引水隧洞和廠房尾水洞的閘門與啟閉機(jī)的總體布置，對(duì)放空洞的工作閘門和事故閘門作了重點(diǎn)介紹。關(guān)鍵詞：平面閘門；啟閉機(jī)；特點(diǎn)；放空洞； 1閘門、啟閉機(jī)的總體布置 1.1　泄洪洞閘門、啟閉機(jī)的布置 泄洪洞長(zhǎng)466．343m，進(jìn)水口為有壓短管型式，無壓洞身，通過豎井消能后與放空洞的下游段結(jié)合。進(jìn)口設(shè)工作閘門，孔口尺寸為3．4m×4m（寬×高，下同），底坎高程2630．00?m，平臺(tái)高程2643．50m，設(shè)計(jì)水頭21m。該門操作頻繁，并有局部開啟工況，考慮到弧形閘門水流條件相對(duì)較好，因此采用弧形閘門作為工作閘門。因閘門需借助啟閉機(jī)的下壓力才

2、能關(guān)閉，故利用一臺(tái)搖擺式雙作用液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作閘門，啟門容量為320kN，閉門容量為30kN，活塞桿行程6m。 為保證工作閘門因故障不能閉門時(shí)能及時(shí)截?cái)嗨鳎箮靺^(qū)水位不再降低，在工作閘門上游設(shè)事故閘門，孔口尺寸為3．4m×4．5m，底坎高程2630．00m，平臺(tái)高程2665．00m，設(shè)計(jì)水頭21m，當(dāng)工作閘門檢修維護(hù)時(shí)，作為檢修閘門擋水。該門采用平面滑動(dòng)閘門，設(shè)計(jì)工況為動(dòng)水閉門，靜水啟門，由一臺(tái)固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)操作，啟閉機(jī)容量630kN，揚(yáng)程40m。1.2　放空（導(dǎo)流）洞閘門、啟閉機(jī)的布置 放空洞長(zhǎng)1?120．177m，在樁號(hào)（放）0＋696．733m處設(shè)工作閘門，工作閘門前為有壓洞，后為

3、無壓洞。工作閘門孔口尺寸為3m×4．5m，底坎高程2540．11m，平臺(tái)高程2549．50m，設(shè)計(jì)水頭110．89m。該門的作用主要為放空水庫，但根據(jù)水庫來水流量，要求能在校核水位開門宣泄洪水，因此其操作水頭也為110．89m。經(jīng)過對(duì)弧形閘門和窄門槽平面閘門的結(jié)構(gòu)剛度、止水嚴(yán)密性、閘室空間布置等方面的比較，考慮到孔口處流速大，門槽前后采用鋼板襯護(hù)。閘門由一臺(tái)垂直式雙作用液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作，啟門容量2×4?500kN，閉門容量2×3?000kN，活塞桿行程5m。 為保證工作閘門發(fā)生故障不能閉門時(shí)能及時(shí)截?cái)嗨?，使庫區(qū)水位不再降低，在工作閘門上游，樁號(hào)（放）0＋519．704m處設(shè)事故閘門，孔口尺寸

4、為3m×4．3m，底坎高程2541．75m，檢修平臺(tái)高程2652．00m，啟閉機(jī)平臺(tái)高程2664．00m，設(shè)計(jì)水頭109．25m，當(dāng)工作閘門檢修維護(hù)時(shí)，該門采用平面滑動(dòng)閘門，設(shè)計(jì)工況為動(dòng)水閉門，靜水啟門，由一臺(tái)固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)操作，啟閉機(jī)容量2?500kN，揚(yáng)程9m，通過拉桿與閘門連接。1.3　引水隧洞閘門、啟閉機(jī)的布置 引水隧洞位于大壩左岸，全長(zhǎng)7?118．78m，進(jìn)口處設(shè)三孔攔污柵，呈拱形布置，孔口中心線間的夾角為60°，底坎高程2590．00m，每孔孔口尺寸為3．6m×8m，按4m水壓差設(shè)計(jì)。因受地形限制，引水隧洞進(jìn)口伸入水庫，平臺(tái)高程2601．30m，位于正常蓄水位以下約50m處，因

5、此難以布置永久性起吊設(shè)備。 在樁號(hào)（引）0＋161．00?m處設(shè)工作閘門，底坎高程2590．00m，孔口尺寸為4．6m×4．6m，設(shè)計(jì)水頭61m。該門的作用為控制進(jìn)入引水隧洞的水流，當(dāng)隧洞因故需要維護(hù)檢修時(shí)，動(dòng)水關(guān)閉閘門截?cái)嗨?。由于引水隧洞長(zhǎng)，為提高對(duì)隧洞充水的效率，閘門為動(dòng)水開啟，因此考慮為平面工作閘門，動(dòng)水啟閉，定輪支承，上游止水，閉門需加重。閘門由一臺(tái)高揚(yáng)程固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)操作，容量為2?500kN，揚(yáng)程75m，啟閉機(jī)設(shè)置在2674．50m高程的啟閉機(jī)房?jī)?nèi)。平時(shí)，閘門鎖定在門槽頂部2658．50m高程處。 由于隧洞進(jìn)口水頭較高，為檢修工作閘門門槽，在工作閘門上游樁號(hào)（引）0＋156

6、．27m處設(shè)置一扇平面滑動(dòng)檢修閘門。底坎高程2590．00m，孔口尺寸為4．6m×4．6m，設(shè)計(jì)水頭61m，下游止水，采用滑道支承。閘門為靜水啟閉，啟門時(shí)，先開啟門頂充水閥進(jìn)行充水，待上、下游水壓差小于3m時(shí)啟門，由一臺(tái)高揚(yáng)程固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)操作，容量為630kN，揚(yáng)程80m，啟閉機(jī)設(shè)置在2674．50m高程的啟閉機(jī)房?jī)?nèi)。平時(shí)，閘門鎖定在門槽頂部2658．50m高程處。 電站施工時(shí)，通過3個(gè)施工支洞對(duì)引水隧洞進(jìn)行施工，考慮到發(fā)電后對(duì)隧洞維修檢查方便，在2號(hào)、3號(hào)施工支洞封堵處留進(jìn)人門，并安裝封堵閘門。封堵閘門孔口尺寸為2．4m×1．8m，設(shè)計(jì)水頭為87．1m。閘門為鉸鏈推拉式，封閉時(shí)用螺栓與

7、埋件固定。閘門在無水情況下開啟或封閉。 1.4　廠房尾水閘門、啟閉機(jī)的布置 地下廠房樞紐為兩洞室，即主、副主廠房洞室和尾水閘門室，水輪機(jī)為2臺(tái)沖擊式機(jī)組。為便于檢修機(jī)組和尾水管，在尾水管出口設(shè)置檢修閘門。考慮到閘門操作空間較小，為方便使用，在兩孔尾水出口設(shè)置兩扇平面滑動(dòng)檢修閘門。底坎高程1998．28m，校核尾水位2001．40m，孔口尺寸為4．2m×3．6m，設(shè)計(jì)水頭3．22m，采用滑道支承，上游止水，下游設(shè)彈性反輪對(duì)水封進(jìn)行預(yù)壓。閘門為靜水啟閉，起門時(shí)，閘門小開度充水，待上、下游平壓后，提起閘門。由一臺(tái)移動(dòng)式雙吊點(diǎn)電動(dòng)葫蘆操作，容量2×50kN，揚(yáng)程6m，通過拉桿與閘門相連。電動(dòng)葫蘆軌

8、道安裝在2011．40m高程處梁的底面。平時(shí)，閘門鎖定在門槽頂部2004．28m高程平臺(tái)上。 2　設(shè)計(jì)特點(diǎn) 2.1　放空洞工作閘門 放空洞工作閘門孔口尺寸為3×4．5～110．89m，作為放空水庫控制閘門的同時(shí)，在洪水期還可能參與泄洪。鑒于該工作閘門的工況，綜合水工水道布置，比較了弧形閘門和平面閘門兩種形式?；⌒伍l門門槽雖然水流條件好，但在高水頭工況下上游止水效果不易得到滿足，需要采取專門的止水設(shè)備，如液壓變形止水或偏心鉸壓緊式止水，但構(gòu)造復(fù)雜，檢修維護(hù)繁瑣。由于該孔口尺寸不大，閘門承受水平水壓力為16?500kN，故采用窄門槽平面高壓滑動(dòng)閘門，下游止水，止水為青銅對(duì)不銹鋼的硬止水型式，

9、有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。因此在工程中，也采用了這種型式。 窄門槽高壓滑動(dòng)閘門因最早作為高壓閥門而又稱閘閥，門葉為6根主梁與面板、邊梁組成的剛體結(jié)構(gòu)，面板在上游側(cè)。為保證閘門在動(dòng)水啟閉過程中水流順暢，避免負(fù)壓，底緣設(shè)計(jì)成45°傾角的斜面并采用圓弧與垂直面板過渡，邊梁為一厚板（195mm）；下游支承面設(shè)計(jì)有青銅滑道，同時(shí)兼作硬止水，其加工精度要求高，與門葉的裝配采用螺栓連接，為保證止水的嚴(yán)密，裝配好后用環(huán)氧樹脂充填縫隙。門槽段分為上、下游框架及腰箱，分塊加工，安裝時(shí)用螺栓連接成整體結(jié)構(gòu)，與門葉配合面設(shè)有材質(zhì)為1Cr13的不銹鋼作為支承面及止水座板。為了保證門葉支承滑道兼硬止水與門槽的配合精度，在門葉焊

10、接后應(yīng)進(jìn)行整體退火處理，對(duì)配合面整體加工，并在廠內(nèi)整體組裝，廠內(nèi)組裝和工地安裝調(diào)試對(duì)配合面的要求均為“用0．03mm塞尺每隔30mm量一次，不得貫穿”。 平面閘門有門槽，高速水流流經(jīng)門槽時(shí)由于邊界條件發(fā)生了變化，水力學(xué)問題比較突出，因此針對(duì)該閘門，委托南科院水工所作了閘門水力學(xué)及流激振動(dòng)試驗(yàn)，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)門槽附近流道體型進(jìn)行了優(yōu)化，改善了出口壓坡斜度、跌坎高度、挑坎尺寸、擴(kuò)散角等窄門槽平面滑動(dòng)閘門的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，提高了門槽的抗空化、空蝕能力，所有測(cè)點(diǎn)的門槽空化數(shù)均大于規(guī)范的規(guī)定值（K＝0．4～0．6），并具有一定的安全裕度。 為保證工作閘門門槽后水流上部自由水面挾氣和表面拖曳力產(chǎn)生的輸

11、氣量，以及由于設(shè)置跌坎而形成的射流底空腔的輸氣量，在門槽后設(shè)有兩處通氣孔，一處在洞頂，一處在跌坎側(cè)面，尺寸分別為圓孔1?000mm和方孔（600×600）mm2。試驗(yàn)表明，洞頂通氣孔的輸氣量大于跌坎側(cè)面通氣孔的輸氣量，最大輸氣量出現(xiàn)在閘門開度為n＝0．5時(shí)，風(fēng)速分別為50m／s和45m／s，當(dāng)工作閘門全開時(shí)，分別降為16m／s和11m／s，說明通氣孔的尺寸是合適的。 啟閉閘門的設(shè)備選用雙缸雙作用式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，容量為2×4500／2×300kN，油缸安裝在門槽腰箱上端法蘭盤上，為鋼性支座、螺栓連接并設(shè)有密封裝置以封水。液壓?jiǎn)㈤]機(jī)活塞桿上加工有螺紋，直接與門葉上的套筒相連并采用承載螺母固定。啟閉

12、機(jī)活塞桿最大行程5m，工作行程4．7?m，缸徑630mm，桿徑300mm；液壓系統(tǒng)采用插裝閥組，先導(dǎo)閥為YUKEN產(chǎn)品，高壓球閥為HYDAC產(chǎn)品，其余閥組均為榆次油研產(chǎn)品；行程監(jiān)測(cè)裝置由兩套CAP2000內(nèi)置式傳感器組成，測(cè)得的數(shù)據(jù)通過PLC匯總分析，達(dá)到監(jiān)測(cè)兩個(gè)油缸活塞桿位置的目的，從而監(jiān)測(cè)閘門的開度。雙缸同步精度要求為10mm，是通過行程監(jiān)測(cè)裝置和液壓系統(tǒng)中的旁路糾偏回路以及PLC等控制元件實(shí)現(xiàn)的。泵站為臥式布置，兩套電動(dòng)機(jī)—油泵組互為備用，油箱及管路材料均為不銹鋼。 2.2　放空洞事故閘門的設(shè)計(jì) 放空洞事故閘門孔口尺寸為3×4．3—109．25m，在工作閘門出現(xiàn)故障不能閉門時(shí)，需要放

13、下事故閘門及時(shí)截?cái)嗨鳎苊庠斐伤膿p失，因此其工況為動(dòng)水閉門、靜水啟門。事故閘門一般為平面閘門，就支承型式而言有定輪和滑道之分，就封水方式而言有上游封水和下游封水之別。由于水頭高，水壓力達(dá)15?450kN，若采用上游封水，僅利用閘門自重動(dòng)水閉門不能實(shí)現(xiàn)，需設(shè)置加重，而采用下游止水，可以利用門上水柱動(dòng)水閉門。該門尺寸較小，定輪裝置結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，定輪的布置與梁格的布置易產(chǎn)生沖突。最近幾年隨著滑道材料技術(shù)的發(fā)展，其摩擦系數(shù)可以達(dá)到一個(gè)較低的水平（0．08～0．12），計(jì)算閉門力時(shí)對(duì)水柱的利用可以相對(duì)較少，而計(jì)算持住力時(shí)取較高的最小摩擦系數(shù)有利于降低啟閉機(jī)容量。因此，放空洞事故閘門采用了平面滑動(dòng)閘門。

14、 閘門由5根主梁與下游面板、邊梁組成剛體結(jié)構(gòu)，為使動(dòng)水閉門過程中水流平順，避免負(fù)壓，底緣上游傾角取60°，下游傾角取30°，動(dòng)水閉門時(shí)水柱作用在最下面的主梁上。門槽為Ⅱ型門槽，寬深比為1．683，錯(cuò)距比為0．05，二期混凝土范圍內(nèi)設(shè)有鋼板襯砌。模型試驗(yàn)表明，該門槽體型抗空化、空蝕能力較強(qiáng)。 事故閘門門槽后洞頂設(shè)有通氣孔，尺寸為800mm×2000mm，其運(yùn)行控制條件為在工作閘門全開情況下，事故閘門局部開啟的輸氣量。模型試驗(yàn)表明，最大通氣孔風(fēng)速出現(xiàn)在n＝0．1～0．3開度時(shí)，為65m／s，已經(jīng)超出了隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范要求的60m／s、閘門設(shè)計(jì)規(guī)范要求的40～50m／s之值。這是由于閘后流態(tài)特殊，閉

15、門過程中水流沖擊門槽后產(chǎn)生反彈，加劇了紊動(dòng)，導(dǎo)致水流挾氣顯著增加而致。由于閘門底緣負(fù)壓量實(shí)測(cè)值在常規(guī)范圍內(nèi)，且該門的事故閉門工況較少出現(xiàn)，因此通氣孔的尺寸是適宜的。 操作事故閘門的啟閉設(shè)備為固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)。由于閘門為下游止水，啟閉機(jī)鋼絲繩有可能長(zhǎng)期浸入水中，為保證動(dòng)水閉門過程中與閘門的連接可靠，采用拉桿裝置與閘門門葉相連。經(jīng)計(jì)算，初選啟閉機(jī)容量為2?000kN。由于該啟閉機(jī)容量的控制為動(dòng)水閉門過程中的閘門持住力，不同的開度，持住力的變化較大，根據(jù)模型試驗(yàn)得出的閘門在閉門過程中的凈動(dòng)水作用力，包括水柱重量、上托力、下吸力，以及不同開度水平方向的水壓力等，以滑動(dòng)副的摩擦系數(shù)計(jì)算得出啟閉機(jī)的容量應(yīng)增加到2?500kN。 3　結(jié)束語 大壩為心墻堆石壩，泄洪系統(tǒng)僅靠一條泄洪洞和一條放空洞實(shí)現(xiàn)，雖然閘門、啟閉機(jī)等設(shè)備總量并不大，但就放空洞而言，工作閘門和事故閘門的擋水水頭、運(yùn)行水頭等技術(shù)參數(shù)較高，設(shè)計(jì)有一定的難度。