三峽泄洪深孔弧形工作門結(jié)構(gòu)及水封型式研究

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三峽水利樞紐工程泄洪壩段共設(shè)23個(gè)泄洪深孔,每孔設(shè)置三道閘門:孔道進(jìn)口上游壩面設(shè)置反鉤式檢修疊梁門;孔道中部設(shè)平板定輪事故閘門;孔道有壓段末端設(shè)弧形工作閘門。弧門用擺缸式雙作用液壓?jiǎn)㈤]機(jī)動(dòng)水操作,單吊點(diǎn),吊頭與弧門頂?shù)醵噙B,一門一機(jī),啟閉容量為4 500/1 000 kN.事故閘門及檢修疊梁門由壩頂5 000 kN/2×630 kN門式起重機(jī)借助抓梁操作。
    水庫(kù)運(yùn)用條件決定了泄洪深孔具有孔數(shù)多,孔口尺寸大,水頭高和操作相對(duì)頻繁的特點(diǎn),并由此決定了深孔為三峽樞紐正常泄洪的主要通道。
    根據(jù)長(zhǎng)江三峽洪水特點(diǎn)、樞紐布置及調(diào)度方式,深孔弧門有局部開啟的要求。水庫(kù)初期運(yùn)行閘門操作水頭40~50 m(操作水位135~145 m)。永久運(yùn)用期常見操作水頭50~60 m(操作水位145~155 m),更高水頭操作的機(jī)會(huì)較少,閘門多處于擋水狀態(tài)。
    1 泄洪深孔體型及閘門布置方案研究
    在初步設(shè)計(jì)階段圍繞深孔體型及其閘門止水布置方式進(jìn)行了多種布置方案的比較,并根據(jù)泄洪壩段大壩結(jié)構(gòu)布置要求推薦采用孔道為有壓短管、工作門采用不突擴(kuò)常規(guī)止水的弧形門布置方案。在1996年技術(shù)設(shè)計(jì)的金屬結(jié)構(gòu)專家審查會(huì)上專家們提出了很多意見和建議,并認(rèn)為“大壩泄洪深孔是三峽樞紐宣泄洪水的主要通道,流速近35 m/s,工作弧門啟閉頻繁,并有局部開啟要求,建議結(jié)合深孔摻氣減蝕措施研究弧門采用突擴(kuò)門槽止水方案”。
    隨后,結(jié)合深孔孔道水力學(xué)及壩體結(jié)構(gòu)分析,對(duì)孔道體形及閘門止水布置進(jìn)行了多種方案的專題研究,并進(jìn)行了水工模型試驗(yàn),集中研究門槽突擴(kuò)突跌、跌坎摻氣等布置(對(duì)應(yīng)閘門止水采用液壓伸縮式和常規(guī)不突擴(kuò)門槽止水)。試驗(yàn)研究認(rèn)為突擴(kuò)與不突擴(kuò)方案各有優(yōu)缺點(diǎn),突擴(kuò)門槽對(duì)閘門止水布置較為有利,在水力學(xué)方面均可滿足設(shè)計(jì)要求,在實(shí)際工程中均有成功實(shí)例,減壓試驗(yàn)表明門槽側(cè)擴(kuò)不是空化源;但從工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、運(yùn)行條件、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度等方面仍有差異:
    ①?gòu)乃W(xué)角度,通過優(yōu)化體形的突擴(kuò)門槽方案可以做到避免空化,但在側(cè)墻的水舌沖擊區(qū)存在不穩(wěn)定的壓力分布區(qū),流態(tài)復(fù)雜,如布置不當(dāng),可能使側(cè)壁水流沖擊區(qū)成為空化源,其整體水力學(xué)特性稍次于側(cè)壁水流平順的跌坎門槽;
    ②三峽深孔運(yùn)用條件復(fù)雜,要求在135~175 m水位的各種工況條件下均取得較優(yōu)的水力學(xué)流態(tài),且多在低水位條件下運(yùn)行,相比之下跌坎摻氣門槽方案對(duì)各種運(yùn)行水頭適應(yīng)性較強(qiáng);
    ③三峽泄洪大壩布置有三層泄洪及導(dǎo)流設(shè)施,壩體結(jié)構(gòu)復(fù)雜而單薄,突擴(kuò)門槽對(duì)壩體削弱較多。
    綜合以上比較并在1998年8月由三峽總公司技術(shù)委員會(huì)組織的水工專家進(jìn)行專題審查討論會(huì)審定采用跌坎摻氣門槽方案,跌坎高1.5 m.
    2止水布置及試驗(yàn)研究
    三峽樞紐泄洪深孔運(yùn)行期將歷經(jīng)施工導(dǎo)流期、初期發(fā)電運(yùn)行期及永久運(yùn)行期,工作水頭變幅在45~85 m之間變化,根據(jù)已審定的三峽深孔體型布置方案,并結(jié)合其運(yùn)行的實(shí)際情況,經(jīng)過對(duì)國(guó)內(nèi)已建在建工程設(shè)計(jì)運(yùn)行實(shí)踐的調(diào)查研究,選定深孔弧門采用不突擴(kuò)的門槽體型,頂止水采用固定P型水封和轉(zhuǎn)鉸式防射水裝置,底側(cè)止水為常規(guī)預(yù)壓式。轉(zhuǎn)鉸式防射板止水布置在門楣頂部門槽埋件上,借助于不銹鋼片和上游庫(kù)水壓力推動(dòng)止水元件繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng),壓緊在經(jīng)過機(jī)加工的弧門面板上,以適應(yīng)閘門受水壓變形并達(dá)到封水目的。這種布置具有適應(yīng)變形能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造加工操作運(yùn)行方便等特點(diǎn)。為適應(yīng)三峽各種運(yùn)行水位,做到在低水位時(shí)不漏水,高水位時(shí)不致于將止水橡皮壓壞,在轉(zhuǎn)鉸止水上設(shè)置限位支承輪,以控制橡皮壓縮量,并起導(dǎo)向作用。由橡膠止水頭與面板接觸可以適應(yīng)面板的不平度,同時(shí)在頻繁操作的條件下可減少對(duì)面板防腐涂層的磨損,延長(zhǎng)防腐壽命。另在閘門頂部設(shè)置1道蓋板式頂止水。以確保閘門在全關(guān)狀態(tài)的止水效果。側(cè)止水用方頭P型橡皮,摩擦面包四氟減少摩阻力。底部采用刀型橡皮,并與底坎垂直布置。
    轉(zhuǎn)鉸止水與突擴(kuò)門槽相比在中高水頭弧門運(yùn)用中具有明顯優(yōu)勢(shì):
    ①轉(zhuǎn)鉸止水較容易適應(yīng)閘門徑向變形量,且對(duì)閘門面板精度要求相對(duì)較低;
    ②結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便,不需另外設(shè)置偏心鉸操作機(jī)構(gòu)或加壓控制設(shè)備等??纱蟠蠼档驮靸r(jià)和制作難度;
    ③孔道平順,水流條件較好,有利于高速水流的銜接。