深孔出口突擴弧門止水的實踐與研究

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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缺點，弧形閘門有很多優點。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較低，不易產生閘門空蝕。在正確合理的設計下，不容易產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密的要求，該處角隅應力集中，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9m×8m(寬×高下同)，孔口面積為72m²，工作水頭為70m，總水壓力6050t．運行不久即出現頂水封與側水封連接的角隅處水封撕裂，繼而頂水封撕裂，漏水嚴重。一股高速射流導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、孔數多，工況復雜，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，應予以重視。為工程安危有必要進行全面客觀的調查研究，謀求對策，為決策者提供翔實的參謀意見。

2 國內外己建深孔出口突擴弧門的建設與運行

　　根據初步統計國內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。在監測弧門的安全運行時往往會發現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，應設法消除或減免。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。嚴重空蝕破壞及危害性振動會導致閘門變形、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驗與教訓。

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 4.9m×7.3m，設置偏心鉸弧形閘門，設計水頭136m，兩側各突擴0.31m，跌坎高度O.38m。閘門設計精湛，曾采用10項技術革新措施，其中尤以射流節制器及Teflon銀面水封較為突出。1974年8月13日關閘后發現混凝土陡槽底板上，在殘留水泥砂漿塊凸體下游出現空蝕，后來在陡槽的起始段增設挑坎兼作通氣槽，爾后未發現空蝕跡象。弧門在關閉時滴水不漏，止水效果良好。閘下突擴邊墻及突跌底板均未發現空蝕破壞。它是目前在多項技術指標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 前蘇聯努列克工程

　　努列克工程設有5m×6m孔口，110m水頭的偏心鉸弧形閘門。在設計過程中進行了大量科學研究工作。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，尚未發現空蝕破壞等情況。

2.3 前蘇聯克拉斯諾雅爾斯克水電站泄洪底孔

　　為了調節水庫蓄水量和施工期泄洪，該電站設置了8個底孔，弧門孔口為5m×5m，設計水頭100m。弧門出口兩側各突擴0.5m，跌坎以下為混凝土襯砌。1964年建成，1967年投入運行，當時運行水頭為0～60m。1968年發現在4^#、5^#、8^#孔的跌坎下游鄰近弧門底緣的側壁發生空蝕破壞，其中5^#孔的空蝕深1.5m，高5m，長15m。據資料介紹，空蝕成因是由于施工時減小了通氣管的尺寸，并且當冬季運行時，冰凍又進一步凍阻了通氣孔道，導致通氣不足而發生空蝕破壞。

2.4 美國德沃歇克泄水孔

　　該壩設置了3個泄水孔，孔口尺寸為 2.7m×3.8m，設計水頭為81m。采用偏心鉸弧形閘門，出口兩側突擴0.48m，跌坎高度為0.15m。為了進行護面涂料對比試驗。右側泄水孔不加護面。中間泄水孔涂以0.9mm厚的環氧樹脂。左側泄水孔涂以13mm厚環氧砂漿。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，三個泄水孔均發生不同程度的空蝕破壞。特別在左側泄水孔左邊墻護面末端，空蝕最為嚴重。空蝕區長約6m，深0.56m，高3m。據介紹空蝕的成因是邊界不平整導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	2.06×3.66	7.54	61	446		偏心鉸(壓緊式)
2	諾維爾	美國	2.54×3.56	9.04	24.38	204		偏心鉸
3	二瀨	日本	5.00×3.42	16.20	69	1092	1959	偏心鉸
4	大野	日本	4.00×5.32	21.28	35.25	694	1960	偏心鉸
5	湯田	日本	5.18×3.53	18.26	54.96	972	1963	偏心鉸
6	苑原	日本	5.00×3.56	17.80	33.78	570	1964	偏心鉸
7	鶴田	日本	4.30×4.15	17.85	44.08	750	1964	偏心鉸
8	松原	日本	4.40×4.40	17.64	51.50	870	1970	偏心鉸
9	內川	日本	3.50×2.30	5.75	55.18	311	1973	偏心鉸
10	科洛君利	保加利亞		30	64.50	1935		偏心鉸
11	大渡	日本	5.0×5.6	28	60	1680*		偏心鉸
12	阿斯旺	埃及	4.2×3.15	13.23	80	1038		偏心鉸
13	德活歇克	美國	2.75×3.80	10.45	76.2	777		偏心鉸
14	恰爾瓦格	前蘇聯	5×6	30	80	2400*		伸縮式水封
15	薩彥—舒申斯克	前蘇聯	5×6	30	117	3510*		伸縮式水封
16	克拉斯諾雅爾斯克	前蘇聯	5×6	30	98/60	2940*		伸縮式水封
17	努列克	前蘇聯	5×6	30	110	3300*	1973	偏心鉸
18	羅貢	前蘇聯	5×6.7	33.5	200/85	6700*		偏心鉸
19	塔貝拉	巴基斯坦	4.9×7.3	35.77	136	4865*		偏心鉸
20	龍羊峽	中國	5×7	35.00	120	4200*	1987	偏心鉸
21	東江二級	中國	6.4×7.1	45.44	120	5453*	1987	偏心鉸
22	托克托古爾	前蘇聯	5×6×	30.00	112.3	3369*	已建	伸縮式水封
23	布列斯卡雅	前蘇聯	5.5×6	33.00	117	3861*	已建	伸縮式水封
24	魯布革	中國	8.5×9	76.50	55	4207.5	已建	伸縮式水封
25	漫灣	中國	3.5×3.5	12.25	90.5	1109*	1996	伸縮式水封
26	天生橋一級	中國	6.4×7.5	48.00	120	5760*	1997	伸縮式水封
27	小灣	中國	6×5	30.00	111.61	3348.3*	擬建	伸縮式水封
注：P=γHA

2.5 日本大渡壩的主泄洪設備

　　大渡壩壩高100m，為混凝土重力壩。在10^#～14^#壩段，每一壩段內設置一扇弧形閘門。閘門寬5m，高5.6m，設計水頭60m，設計最大總泄量為3800m³/s。采用突擴、突跌偏心鉸止水型式，根據已往經驗與各項試驗，進行了設計、制造和安裝，成為運行可靠、功能優良的泄洪設備，充分發揮了綜合利用大壩泄洪設備的作用，未見任何空蝕破壞的報導。

2.6 龍羊峽水電站底孔泄水道

　　弧形工作閘門孔口尺寸為5m×7m，采用偏心鉸弧門，設計水頭120m，孔口兩側各突擴0.6m，跌坎高度為2m。龍羊峽工程支鉸偏心軸的設計，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。據此，活動鉸鏈選用20771/950四列滾柱軸承。固定支鉸采用調心 40031/800雙列向心球面滾柱軸承，這樣除能滿足軸的結構強度和偏心距布置要求外，門體結構布置勻稱，安裝調整容易，經濟上比較合理。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生較為嚴重的破壞。 1989年汛后，對破壞部位按原設計體型進行了修復。修復后尚未再次過水。

　　回顧1987年底孔過水歷時5417h，最高水頭54.5m，汛后進行檢查，發現泄槽的不同部位發生輕微的破壞，主要在泄槽分段結構縫兩側及下游，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，發現泄槽部分遭到了比較嚴重的破壞。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。

　　根據有關資料初步分析沖蝕破壞的原因為：由于運行條件與設計條件有較大不同，可能導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錯臺；環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，設計水頭90m。頂水封為常規水封，在門葉上設一道φ60mm夾有二層帆布的P型橡皮，另一道設在門桅埋件上，為鴨咀式圓滾水封，內有φ90mm夾有三層帆布的圓形空心橡皮；側水封為方頭φ60mm“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節流量。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0.2～O.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，發現頂水封座板破壞嚴重，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，門葉面板上呈現擠壓凹槽，左側1.4m長的圓滾水封橡皮已蕩然無存。1977年4月修復后，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60cm處橡皮水封頭部撕裂。頂、側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，左側長約 90cm的圓滾橡皮斷裂消失，右側端部約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，無論是從全關到全開，或是從全開到全關，都在開度60～80cm處(相對開度n約為O.19～0.26)，啟閉機室亦遭到瞬間射水，后來又將鴨咀內的圓滾止水橡皮改用φ90mm實心橡皮。經過運行，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引起的縫隙漏水，或是設備維修不及時，閘門不能關嚴而引起的縫隙射水，均為空化源。此外在小開度情況下亦會發生縫隙水流空化，這種高速窄縫水流的空化都會導致空蝕破壞。1979年汛后檢查時，發現閘門底部130mm高的范圍內鋼板和水封螺栓孔等處均有空蝕破壞現象。底水封處鑲護的厚30mm的鋼板在200mm寬的范圍內空蝕麻點最深達20mm左右，底板兩側與側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9m×8m，設計水頭70m，采用常規水封，二道P型頂水封，運行不久，頂水封橡皮撕裂，起自角隅；繼而發展至門楣中部，頂水封嚴重漏水形成高速射流，使鋼板襯砌掀起，埋件拔出，破壞嚴重。

2.8 石門水庫底孔

　　該底孔裝有2m×2m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1980～1981年在高水頭下操作頻繁。1982年檢查時，發現閘門及門楣埋件有嚴重空蝕破壞。閘門底部11cm高，長度84cm范圍內面板空蝕破壞成鋸齒形，根據西北水利科學研究所取樣稱得的重量，其失重率達29%，其中最嚴重的一段，失重率達33.4%，許多地方已被蝕穿。閘室側墻護板，在距離底板高度140～155cm范圍內有空蝕現象，最深點左側為7mm，右側為10mm，面積近 70cm²。側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6.4m×7.5m，設計水頭100m，擋水水頭120m，于1983年3月完成設計。1986年8月2日正式投入運行，至1988年2月已連續部分開啟運行了13466h，其操作(調整開度)56次，在水頭55～69.47m時，部分開啟6～18cm，運行了5373h。運行了四年多，工作水頭已接近lOOm，未發現任何險情及損壞，經受了嚴峻的考驗。

2.10 漫灣水電站沖沙洞

　　該電站大壩左、右岸各設一條沖沙洞，工作閘門為弧形閘門，其孔口尺寸為3.5m～3.5m，承壓水頭分別為90.5m和88m，弧門為直支臂，圓柱鉸。弧門出口每邊突擴0.6m，突跌1m，在突跌部位設置通氣孔，閘門水封采用液控式伸縮水封，在同一曲面上呈口字型。另設常規水封輔助。

　　1993年6月28日第一臺機組發電，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。當時弧門的液壓伸縮性水封尚未安裝，只用常規水封止水，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重。1995年4月對兩座弧門進行了檢修，并按設計要求安裝液壓伸縮型水封。當工作水頭在80m以下時，常規水封的止水效果尚可，但在80～90m時水封接頭及拐角處出現射水，射水現象隨水庫水位的增長而越來越嚴重。當液壓伸縮型水封投入使用后，射水現象方徹底消除。該型水封運行到現在，止水效果令人滿意。當弧門開啟后水封頭部已退回水封壓板下面，高速水流在突擴、突跌處摻氣良好，并形成沿水流流向長達4m左右的空腔，水封與壓板與高速水流互不干擾，完全分開，閘門全開后高速水流不會損壞水封。

2.11 山西汾河水庫弧形閘門

　　由于水封漏水，P型橡膠在高速射流下發生振動，產生噪聲；周圍幾里內可以聽見，此為閘門水封漏水成為噪聲源的工程實例之一，通過原型觀測及實地考查，分析研究，將水封壓板加長增強，使P型水封的懸臂部分縮短并壓緊，從而消除了振動與噪聲源，使噪聲消失。眾所周知，液控伸縮型止水國外已有不少成功經驗。如前蘇聯托克托古爾水電站5m×6m水頭 112.3m深孔弧門，布列斯卡雅水電站5m×6m水頭117m深孔弧門等已運行多年，未見空蝕破壞報導。國內對該種水封的應用如雨后春筍屢見不鮮。例如，魯布革水電站左岸泄洪洞8.5m×9m水頭55m工作弧門頂水封，漫灣水電站左、右岸沖砂底孔3.5m×3.5m水頭90.5m工作弧門，天生橋一級水電站放空洞6.4m×7.5m水頭120m弧形工作門均采用了液控伸縮水封。

　　在28例弧門出口突擴、突跌止水方案中，僅三例因閘門下游泄水道過水表面不平整或通氣孔冰凌阻塞而發生空蝕破壞，并非突擴之咎，其余諸工程實例均安全運行，獲得成功。

　　總之，根據弧門止水布置的目前發展動向，縱觀已建工程實踐正反兩方面的經驗，經過相應的專題試驗研究，天生橋一級水電站放空洞6.4m×7.5m水頭120m弧形工作門均采用了液控伸縮水封，二灘、小浪底及小灣等工程均相繼采用弧門出口突擴突跌，配以偏心鉸壓緊式水封或液壓伸縮型水封。

3 三峽工程深孔弧形閘門止水方案的優化

　　長江委設計院對深孔弧門的止水方案已有初步設計，是本文研究的依據。若決策采用液控伸縮式水封后，可進一步參照水利水電昆明設計院、黃委設計院及成都設計院與國外類似工程的經驗，進一步開展硅橡膠弧門止水的優化設計。水封橡皮一般是嵌裝于門框埋件的凹槽上并用螺栓壓板固定，由于它位于孔口周界之外，因此不會受到高速水流的沖擊。水封背壓與橡皮材料的特性有關，水封橡皮的材質，最好用硅橡膠。水封型式選擇可參閱昆明水電設計研究院的專題研究及小灣工程的具體設計。通盤考慮后選定水封型式時可采用類似南京橡膠廠的新產品W型或小灣工程所用型式。

　　三峽工程深孔弧形閘門的主水封宜采用液控伸縮性水封。它是通過止水元件背部充壓，使水封膨脹外伸，緊壓在弧門面板上，達到止水目的。止水元件橡膠制品的物理力學性質、結構體型、外表和內腔尺寸與形狀以及止水壓板的長度、體型、接觸面的粗糙度等都有相互關系。軟一些的橡皮水封，其背壓較小。

　　對于突擴門槽止水的弧形閘門，采用液控伸縮性水封。由于閘門開啟過程中，水封脫離弧門面板，保持一定間隙，若不采取相應措施，閘門四周高壓水流的噴射，可能引起射流切割、空化剝蝕與嘯叫，或誘發閘門振動。為確保弧門在任意開度下運行時均能防止狹縫射水，弧門兩側可采用預壓式輔助止水。門頂除主水封以外可增設彈簧鋼板，使之與弧門面板壓緊阻滯漏水。國外類似工程及國內漫灣、天生橋一級及小灣等工程都有相應的設計圖紙與試驗成果，可資借鑒。必要時尚須對硅橡膠的伸縮性水封的背壓進行專門的補充試驗。精心設計、精心制造、精心安裝可使三峽深孔弧門的止水問題妥善解決。