蓮花水電站溢洪道弧形工作閘門(mén)側(cè)水封改造

宋德強(qiáng)，夏春明

（牡丹江水力發(fā)電總廠，黑龍江牡丹江157000）

1 工程概況

蓮花水電站位于黑龍江省海林市三道河鄉(xiāng)木蘭集村下游2 km處的牡丹江干流上，距牡丹江市160 km，是牡丹江中下游第一座梯級(jí)大型水電站。水庫(kù)設(shè)計(jì)正常蓄水位218 m，壩址以上控制流域面積3.02萬(wàn)km2，水庫(kù)總庫(kù)容41.8億m3，為不完全多年調(diào)節(jié)水庫(kù)。電站總裝機(jī)容量550 MW，電站樞紐由攔河大壩、二壩、溢洪道、引水系統(tǒng)、發(fā)電廠房及開(kāi)關(guān)站組成。

2 問(wèn)題的提出

蓮花水電站泄洪采用岸坡開(kāi)敞式溢洪道，設(shè)7個(gè)溢流表孔，每孔凈寬16 m，設(shè)7扇16×13.2m的弧形工作閘門(mén)，分別由7臺(tái)2×500 kN弧門(mén)卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)操作，可宣泄校核洪水流量18570 m3／s。蓮花水電站溢洪道弧形工作閘門(mén)于1997年8月安裝完畢并正式投入運(yùn)行，閘門(mén)止水效果良好。1998年汛前防汛檢查做4號(hào)閘門(mén)動(dòng)水啟閉試驗(yàn)之后，由于水封磨損，造成弧形工作閘門(mén)側(cè)止水出現(xiàn)少量漏水，隨著庫(kù)水位的增高，漏水量也逐漸增大。冬季由于閘門(mén)門(mén)葉鋼結(jié)構(gòu)和閘墩混凝土結(jié)構(gòu)同時(shí)收縮，漏水量逐漸加大，而隨著春季天氣變暖，漏水量又逐漸減小。隨后幾年里，防汛檢查時(shí)分別開(kāi)啟2號(hào)、5號(hào)和7號(hào)閘門(mén)，均出現(xiàn)上述漏水缺陷。自2000年底開(kāi)始，對(duì)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)和5號(hào)閘門(mén)的止水進(jìn)行了技術(shù)改造。改造主要是將閘門(mén)側(cè)止水橡皮的結(jié)構(gòu)尺寸由原來(lái)的空心P60改為實(shí)心的P65，目的是通過(guò)增加止水的預(yù)壓縮量減小閘門(mén)漏水。但改造后只解決了夏季閘門(mén)漏水問(wèn)題，并且出現(xiàn)水封磨損過(guò)重缺陷。改造后的閘門(mén)止水冬季止水效果并不理想，在冬季閘門(mén)依然漏水。東北地區(qū)閘門(mén)適應(yīng)四季止水、效果理想的解決方案亟待提出。

3 閘門(mén)漏水原因分析

蓮花水電站溢洪道弧形工作閘門(mén)所采用的側(cè)水封形式在我國(guó)已建水電工程中應(yīng)用較多，且未發(fā)生過(guò)嚴(yán)重的漏水情況，應(yīng)該說(shuō)這種形式的弧門(mén)側(cè)止水結(jié)構(gòu)是可行的。而像蓮花水電站出現(xiàn)的這種情況非常少見(jiàn)。分析研究后認(rèn)為，引起弧門(mén)側(cè)水封漏水的主要因素如下。

（1）蓮花水電站地處東北地區(qū)，一年四季溫差較大，極端最高氣溫37℃，極端最低氣溫為－45.2℃。冬季氣溫低時(shí)，閘門(mén)門(mén)葉鋼結(jié)構(gòu)和閘墩混凝土結(jié)構(gòu)同時(shí)收縮，由于溢洪道弧形工作閘門(mén)的寬度（16 m）在東北地區(qū)已建工程的露頂式弧形閘門(mén)中屬尺寸最大的，其收縮量也相應(yīng)比其它工程大。通過(guò)測(cè)試計(jì)算，單側(cè)收縮值（約為8 mm）比按常規(guī)設(shè)計(jì)的閘門(mén)側(cè)止水4 mm的預(yù)壓縮量大，造成閘門(mén)門(mén)葉兩側(cè)與埋件側(cè)軌之間的間隙增大。由于原設(shè)計(jì)閘門(mén)側(cè)止水是用角鋼（側(cè)止水壓板）固定在閘門(mén)門(mén)葉上的，屬剛性聯(lián)接，閘門(mén)的側(cè)止水無(wú)法沿閘門(mén)孔口方向自由伸縮。當(dāng)閘門(mén)寬度尺寸縮小時(shí)，側(cè)止水隨著閘門(mén)門(mén)葉向孔口中心移動(dòng)，側(cè)止水橡皮頭脫離閘門(mén)埋件側(cè)軌上的不銹鋼座板，即閘門(mén)與埋件之間出現(xiàn)間隙，出現(xiàn)漏水現(xiàn)象。而隨著春季天氣變暖，弧形閘門(mén)的伸縮量又相應(yīng)加大，漏水現(xiàn)象消失。

（2）閘門(mén)側(cè)止水橡皮的尺寸和埋件側(cè)軌上的不銹鋼座板平面度存在制造誤差，兩者之間的相對(duì)位置在安裝方面也有誤差，實(shí)際安裝后的側(cè)止水預(yù)壓量可能大于設(shè)計(jì)值，也可能小于設(shè)計(jì)值，橡皮頭外形尺寸大的部位和不銹鋼座板表面高的地方先接觸上，而相對(duì)尺寸小和表面低的地方待前者壓縮變形后才能接觸上。冬季，由于氣溫低，止水橡皮會(huì)變硬，其受壓縮后變形困難，造成橡皮與側(cè)軌之間局部存在間隙。總之，通過(guò)上面的分析，閘門(mén)漏水主要是門(mén)體過(guò)大加上熱脹冷縮造成的。

4 技術(shù)改造的必要性

冬季，由于閘門(mén)門(mén)體冷凍收縮，造成側(cè)止水與側(cè)軌之間局部地方出現(xiàn)間隙，庫(kù)水通過(guò)縫隙漏向下游，首先在門(mén)后結(jié)冰，隨著結(jié)冰范圍逐漸擴(kuò)大，冰將側(cè)止水?dāng)D向孔口中心，隨著漏水量逐時(shí)逐日增加，在門(mén)后及其下游形成冰山，威脅閘門(mén)和水工建筑物的安全運(yùn)行。春季，由于閘門(mén)門(mén)體受熱膨脹，造成側(cè)止水與側(cè)軌之間預(yù)壓量局部大于設(shè)計(jì)值，橡皮頭外形尺寸大和不銹鋼座板表面高的地方接觸較大，壓縮變形也較大，隨即出現(xiàn)開(kāi)啟閘門(mén)時(shí)側(cè)止水局部磨損過(guò)大，進(jìn)而促使冬季漏水加大。上述缺陷對(duì)電廠的安全生產(chǎn)和文明生產(chǎn)造成不同程度的損失，因此，對(duì)閘門(mén)止水進(jìn)行改造、徹底根治漏水遺難問(wèn)題十分必要。

5 技術(shù)改造方案

閘門(mén)止水改造主要是對(duì)側(cè)止水結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面更換，從止水橡皮的斷面尺寸和材質(zhì)兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。

露頂式弧形閘門(mén)的側(cè)止水常采用的斷面型式有“P”型和“L”型兩大類(lèi)?？紤]到蓮花水電站溢洪道弧形工作閘門(mén)側(cè)止水以前采用“P”型斷面出現(xiàn)的問(wèn)題，本次改造設(shè)計(jì)采用“L”型斷面?zhèn)戎顾?/p>

設(shè)計(jì)的原則是：保留閘門(mén)門(mén)葉上的側(cè)止水螺孔，并滿(mǎn)足“L”型側(cè)止水的橡皮頭與原埋件側(cè)軌上的不銹鋼座板的位置相適應(yīng)，以此確定“L”型斷面?zhèn)戎顾闹饕Y(jié)構(gòu)尺寸，側(cè)止水壓板改用平板型壓板。

根據(jù)蓮花水電站溢洪道弧形工作閘門(mén)的寬度在冬季收縮變形大的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)加大了側(cè)止水的預(yù)壓縮量。為防止因預(yù)壓量大引起“L”型止水橡皮在拐角處撕裂，或因閘門(mén)門(mén)葉側(cè)邊與側(cè)軌之間的間隙大，“L”型止水橡皮的一邊受水壓力后翻向下游造成“L”型止水橡皮在拐角處撕裂，采用的止水橡皮其板厚由常規(guī)的15 mm改為30 mm。

為了保證止水具有足夠的剛度，防止側(cè)止水因?yàn)轭A(yù)壓縮量過(guò)大造成橡皮翻轉(zhuǎn)，同時(shí)使橡皮頭具有一定的柔韌性，以適應(yīng)不銹鋼座板表面不平，止水橡皮板與止水橡皮頭擬分別采用不同硬度的橡膠材質(zhì)。

為減少閘門(mén)啟閉過(guò)程中對(duì)側(cè)止水的磨損，在止水橡皮頭與不銹鋼座板面接觸的部位表面用聚四氟乙烯層進(jìn)行保護(hù)。由于橡膠與聚四氟乙烯的熱膨脹系數(shù)有差別，對(duì)蓮花水電站不宜采用粘貼聚四氟乙烯層，而是采用噴涂聚四氟乙烯層，聚四氟乙烯涂層的厚度為0.5±0.1 mm，噴涂工作在安裝現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。

改造后的底止水?dāng)嗝嫠庋b配尺寸及各種工況如圖1所示。

圖1 側(cè)止水的斷面水封裝配尺寸及各種工況圖Fig.1 Assembly dimension of the water seal and different kinds of conditions

6 改造施工技術(shù)要求

6.1 引用標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程規(guī)范

水封的改造按現(xiàn)行DL／T5018-2004《水電水利工程鋼閘門(mén)制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范》中的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

6.2 橡膠水封的質(zhì)量要求

水封采用專(zhuān)業(yè)廠家的品牌產(chǎn)品。

閘門(mén)側(cè)水封、底水封的物理機(jī)械性能見(jiàn)表1。

表1 側(cè)水封、底水封的物理機(jī)械性能Table 1:Physical mechanical properties of the side water seal and bottom water seal

橡膠水封表面應(yīng)光滑平直，其厚度極限偏差為±1.0 mm，截面其他尺寸的允許偏差為設(shè)計(jì)尺寸的2%。

6.3 閘門(mén)水封聚四氟乙烯涂層的施工

聚四氟乙烯涂層的施工應(yīng)在氣溫5℃以上的晴天或在較好的氣候條件下進(jìn)行，其步驟如下。

（1）打磨

先將水封被涂部位用細(xì)砂紙打毛，并用干凈的布或毛巾擦去水封上的細(xì)砂粒及其它雜物。

（2）清洗

用無(wú)水乙醇清洗被打磨部位2～3次，并晾干。

（3）涂層

待清洗晾干后，用水封廠提供的涂料進(jìn)行涂層的涂裝。涂裝的層數(shù)、每層厚度、間隔時(shí)間、調(diào)配方法和涂裝時(shí)注意事項(xiàng)等，應(yīng)按水封制造廠提供的說(shuō)明書(shū)規(guī)定執(zhí)行。

6.4 橡膠水封的安裝

橡膠水封的螺孔位置應(yīng)與門(mén)葉及水封壓板上的螺孔位置一致，孔徑應(yīng)比螺栓小1.0 mm，應(yīng)采用專(zhuān)用空心鉆頭掏孔并嚴(yán)禁燙孔。

所有閘門(mén)橡膠水封接頭的粘接，應(yīng)用水封廠家提供的粘接劑膠合，并按水封廠家提供的技術(shù)說(shuō)明書(shū)進(jìn)行。接頭的抗拉強(qiáng)度應(yīng)不低于表1中橡膠水封抗拉強(qiáng)度的85%。

6.5 橡膠水封的檢查

橡膠水封安裝后，在閘門(mén)全關(guān)位置，橡膠水封的壓縮量應(yīng)符合設(shè)計(jì)圖紙規(guī)定，并進(jìn)行透光檢查，不應(yīng)有透亮或間隙。

6.6 閘門(mén)啟閉試驗(yàn)

水封安裝好后，應(yīng)作閘門(mén)啟閉試驗(yàn)。

（1）無(wú)水情況下全行程啟閉試驗(yàn)

本項(xiàng)試驗(yàn)過(guò)程中，檢查支鉸轉(zhuǎn)動(dòng)情況，應(yīng)做到啟閉過(guò)程平穩(wěn)無(wú)卡阻、水封橡皮無(wú)損傷。必須對(duì)水封橡皮與不銹鋼水封座板的接觸面采用清水沖淋潤(rùn)滑，以防損壞水封橡皮。

（2）動(dòng)水啟閉試驗(yàn)

試驗(yàn)水頭應(yīng)盡量接近設(shè)計(jì)操作水頭，動(dòng)水啟閉試驗(yàn)包括全程啟閉試驗(yàn)和局部開(kāi)啟試驗(yàn)，檢查支鉸轉(zhuǎn)動(dòng)、閘門(mén)振動(dòng)、水封密封等有無(wú)異常情況。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)更換“L”型斷面?zhèn)戎顾軌蛴行Х乐股徎ㄋ娬疽绾榈阑⌒喂ぷ鏖l門(mén)夏季受熱膨脹引起側(cè)止水與側(cè)軌之間預(yù)壓量局部大于設(shè)計(jì)值，壓縮變形也較大，隨即出現(xiàn)開(kāi)啟閘門(mén)時(shí)側(cè)止水局部磨損過(guò)大，進(jìn)而冬季漏水加大的缺陷。

幾年的運(yùn)行使用觀察表明，“L”型斷面?zhèn)戎顾軌蜻m應(yīng)閘門(mén)門(mén)體受熱膨脹、遇冷收縮的變化，不僅解決了多年來(lái)的漏水與水封磨損缺陷，而且節(jié)省了每年近六十萬(wàn)元的維護(hù)費(fèi)用?！癓”型斷面?zhèn)戎顾谏徎ㄋ娬疽绾榈阑⌒喂ぷ鏖l門(mén)上的成功應(yīng)用，為解決寒冷地區(qū)閘門(mén)漏水與水封磨損缺陷提供了成熟經(jīng)驗(yàn)?！?/p>