金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的設(shè)計在水電工程中有關(guān)問題的探討

龍朝暉，劉天德

(中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備在電站工程設(shè)計各專業(yè)中是一個很小的部分，占工程投資造價比例也相當(dāng)小，但是，金屬設(shè)備的可靠運行，關(guān)系到施工人員、運行人員、沿河流兩岸老百姓的生命安全，關(guān)系到水工建筑物的運行安全，關(guān)系到發(fā)電設(shè)備的運行安全。每一個電站蓄水發(fā)電前均須通過有關(guān)部門的蓄水安全鑒定，其中，金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備是鑒定專家考核的重點。金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的重要性在電站建設(shè)后期和電站建成投產(chǎn)后，才慢慢突顯出來。做為設(shè)計者，必須未雨綢繆，對各種情況充分考慮，以如履薄冰的態(tài)度開展工作。

近年來，為滿足大型工程的樞紐布置要求，閘門的孔口尺寸與擋水(運行)水頭的組合參數(shù)越來越高，閘門的運行工況越來越復(fù)雜，布置型式越來越多，其中不乏高難度、高風(fēng)險、突破現(xiàn)有技術(shù)的案例。下面就幾個方面談一談我們在設(shè)計中的心得體會。

2 關(guān)于高水頭弧形閘門

我院目前參與的工程中，高壩樞紐較多，因此遇到的高水頭弧形閘門比較多。比如：錦屏一級的放空底孔(5m×6m-131m)、深孔(5m×6m-91m)，官地的中孔(5m×8m-90m)，溪洛渡的深孔(6m×6.7m-104m)，瀑布溝的放空洞(6.5m×8m-126.28m)等等。

為實現(xiàn)高水頭的擋水要求，該類閘門普遍采用帶突擴門槽的伸縮水封的止水型式，門葉結(jié)構(gòu)焊接并消除應(yīng)力后，面板機加工以保證與主止水的配合間隙，門槽焊接并消除應(yīng)力后數(shù)控加工以保證伸縮水封座板、壓板的體型，對工廠制造設(shè)備及加工工藝水平的要求很高。因此編制招標文件時，對合格投標單位的資格等要求應(yīng)更加嚴格，提出合理的設(shè)備、加工工藝、組裝工藝等技術(shù)能力及制造業(yè)績要求。

該類門葉結(jié)構(gòu)多為主縱梁結(jié)構(gòu)，按照左右兩半制造，工地安裝采用高強螺栓拼接成一體，每個安裝起吊單元重量較大(一般在45t左右)。因此，對設(shè)計輸入資料的要求(主要是孔口尺寸)就要綜合工程的施工道路情況、工地現(xiàn)場安裝的起吊設(shè)備條件等因素，與上游專業(yè)充分協(xié)商，盡量降低安裝難度。

對高水頭弧形閘門(擋水水頭超過80m)，液(水)控伸縮止水和偏心鉸壓緊式止水是國內(nèi)外普遍采用的止水型式，均有應(yīng)用實例。偏心鉸壓緊式止水，對操作偏心鉸油缸的行程檢測與電氣聯(lián)鎖、油路系統(tǒng)的蓄能保壓要求較高，對偏心軸部分的材質(zhì)、機械加工要求高，現(xiàn)場安裝調(diào)試也有一定的要求。同時出口部分由于布置要求，水工結(jié)構(gòu)需相應(yīng)加長，投資相對較大，但是，偏心鉸通過施加機械力，能適應(yīng)各種工況下門葉與門槽主止水之間間隙的變化，止水可靠性有保證。操作機構(gòu)均在啟閉機機房內(nèi)且布置緊湊，油壓系統(tǒng)更易于實現(xiàn)自動控制，有利于檢修維護，可實現(xiàn)閘門在非強振區(qū)的局部開啟。液(水)控伸縮止水通過充水(建壓)充氣(卸壓)系統(tǒng)對水封背壓腔的壓力進行控制，實現(xiàn)水封的外伸與回縮，該系統(tǒng)管路復(fù)雜，系統(tǒng)管路的埋設(shè)須貫穿若干壩段(一套系統(tǒng)控制多孔)，與土建的交涉面多，施工時應(yīng)特別注意管路的埋設(shè)避免被雜物封堵，水封背壓腔的工作壓力值很難隨庫壓的變化進行調(diào)節(jié)，因此水封材質(zhì)、質(zhì)量的要求極高。為保證成功卸壓，通常采用空壓機充氣排水與真空泵吸氣卸壓相結(jié)合的措施，弧門局部開啟時主止水禁止投入工作，主止水結(jié)構(gòu)件的制造及安裝要求高。但是，這種止水型式研究較多，水封材質(zhì)目前也有幾個廠家的產(chǎn)品能滿足要求，充水充氣系統(tǒng)也比較成熟，投資相對較低，若閘門操作方式僅全開全關(guān)，液控伸縮式止水還是一個不錯的方案。

3 關(guān)于大孔口事故閘門、工作閘門

泄洪建筑物的設(shè)計中，特別是隧洞式泄洪建筑物的設(shè)計，上游專業(yè)往往主要考慮的是泄流能力、建筑物的基礎(chǔ)地質(zhì)條件、工程造價等主要因素，主要的矛盾解決后，難題就留給了金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)。目前大孔口的工程還是比較多，比如：深溪溝泄洪洞進口15.5m×18.12m-44m事故閘門，錦屏一級泄洪洞12m×15m-50m事故閘門、13m×10.5m-55m弧形閘門，溪洛渡泄洪洞12m×15m-55m事故閘門、14m×12m-65m弧形閘門，長河壩開敞式泄洪洞17m×17m-16.5m弧形閘門，草街沖砂閘14.8m×25.5m-25m弧形閘門等等。深孔閘門承受的水壓力均是上萬噸的水平，平面滑動閘門的支承裝置承載特別大，通常支承滑道沿門葉高度方向幾乎布滿，滑道的計算線壓強超過5kN/mm；表孔閘門孔口高度均較高，為滿足泄流曲線的要求，閘門的開度較大，為滿足液壓啟閉機的行程、容量等組合參數(shù)，尚須綜合考慮液壓啟閉機的制造安裝技術(shù)水平，特別是流道底板為水平體型的結(jié)構(gòu)時，布置較困難。大孔口帶來的問題是一個量變到質(zhì)變的嚴重問題，影響到閘門封水可靠性、閘門結(jié)構(gòu)安全性、啟閉機的制造安裝技術(shù)性突破、啟閉機及閘門操作運行的安全性等等一系列復(fù)雜的環(huán)節(jié)。

雖然，金屬結(jié)構(gòu)在工程可研、建設(shè)階段對于樞紐總體而言畢竟是微不足道的，往往只能硬著頭皮、冒著技術(shù)風(fēng)險，配合工程設(shè)計。但是，工程建成投產(chǎn)后，樞紐的運行安全重擔(dān)實實在在的落到了金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)頭上，無論是發(fā)生天災(zāi)(例如大地震、超規(guī)模洪水、水工建筑物險情等)的工況、還是水庫正常運行的水位流量調(diào)節(jié)(泄洪、引水發(fā)電、機組保護檢修)的工況，金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的安全可靠運行都是人員、樞紐、設(shè)備安全的有效保證，重要性可見一斑。

因此，必要的時候，綜合考慮設(shè)計、制造、安裝、運輸、運行等因素，在工程設(shè)計的前期就要從技術(shù)上否定大孔口的布置方案，降低金屬結(jié)構(gòu)的技術(shù)難度，科學(xué)的、合理的優(yōu)化設(shè)計方案，避免舍質(zhì)量、冒大風(fēng)險、保投資的功利行為。

4 關(guān)于閘門水力學(xué)及流激振動模型試驗工作的開展

工程樞紐的設(shè)計，包括各個重要水工建筑物的設(shè)計，水力學(xué)、水流消能及流激振動等問題，尚不是通過理論計算就能認識清楚的，往往需要進行各種方案的模型試驗進行比較驗證，有的甚至只有通過模型試驗才能認識到設(shè)計方案的問題所在。水利樞紐無論大小，均須進行泄流能力、泄洪消能、流態(tài)觀測等內(nèi)容的模型試驗，工程的重要泄洪建筑物、高水頭大流量引水調(diào)壓保壓建筑物等等尚需進行單體模型試驗研究。金屬結(jié)構(gòu)所研究的問題與水工建筑物是相似的，僅研究對象有混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的差別，因此對于重要部位的金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)該通過模型試驗進行驗證和科學(xué)認知。例如：利用水柱閉門的事故閘門動水閉門過程中閘門各方位的時均壓力值(計算持住力的依據(jù))、高速水流門槽體型的試驗驗證、高水頭動水啟閉(甚至有局開工況)的工作閘門流激振動危害性的認知、新型設(shè)備布置條件下的設(shè)備工作情況認知等等。

但是，重要建筑物的單體模型試驗研究重點是進行整體的水力學(xué)相關(guān)研究，為滿足模型試驗設(shè)備、場地等條件的要求，通常模型比尺較小(大多是1∶60以下)，由于金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備規(guī)模相對于水工建筑物單體的規(guī)模較小，如果將閘門、啟閉機考慮在這樣的模型中，是不可能模擬出閘門結(jié)構(gòu)的真實體型的，也不可能在微小的閘門模型上裝設(shè)試驗檢測設(shè)備。因此，必須根據(jù)試驗設(shè)備及試驗人員技術(shù)能力、場地等情況進行較大比尺(通常在1∶30以上)的細部模型試驗，充分認知金屬結(jié)構(gòu)在不同運行工況下的各種規(guī)律。同時，有條件時還應(yīng)盡量增加模型的比尺，降低模型試驗的比尺效應(yīng)。

5 關(guān)于有施工期擋水要求的閘門

水電工程建設(shè)周期較長，短的三五年，長的十來年，原則上考慮制造安裝技術(shù)能力及便于靈活調(diào)度，發(fā)電機組都是多臺布置。隨著工程的建設(shè)進度，水工建筑物達到一定規(guī)模并滿足機組發(fā)電死水位的蓄水面貌時，均存在首臺機發(fā)電其余機組繼續(xù)安裝調(diào)試的工況特點，此時，繼續(xù)安裝調(diào)試的機組的進(尾)水口流道往往需要采用已經(jīng)安裝調(diào)試后的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備進行擋水。與首臺機組相關(guān)的設(shè)備受到重點關(guān)注，安裝調(diào)試的質(zhì)量比較讓人放心，但是，由于諸如搶工期等種種原因，其余需要擋水的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備往往沒有進行很好的安裝和調(diào)試，有的甚至連啟閉設(shè)備都沒有安裝，閘門均是通過其它設(shè)備(如壩頂門機、施工起吊設(shè)備等)放入孔口，閘門沒有進行無水試運行試驗，水封與門槽的配合沒有得到驗證，帶來的后果是初期蓄水時閘門漏水量偏大，危急到下游流道的施工及后續(xù)發(fā)電機組的正常安裝。

例如：深溪溝電站設(shè)4臺機組，每臺機組進口設(shè)有3扇事故閘門(6.2m×16.229m-56.071m)，1號機組發(fā)電時，其余3臺機組還處于不同的安裝工序中，此時利用進水口事故閘門擋水，底水封封水效果較差。分析原因后認為，閘門底坎成1∶2的斜坡即閘門底水封與底坎座板成63.43°的較大角度，底坎的安裝精度并沒有可靠保證；閘門落到底坎上時，水封橡皮沿底坎表面壓縮極不均勻，導(dǎo)致?lián)跛缶植康姿饴┧枯^大，有點地方甚至成射水狀態(tài)；射水工況持續(xù)的時間越長，縫隙水流對水封橡皮的破壞就越大，如此惡性循環(huán)，將導(dǎo)致底水封完全破壞，失去止水作用，嚴重影響機組的安裝施工，并威脅著施工人員的安全。我們經(jīng)過現(xiàn)場處理，針對閘門底水封和底坎的安裝現(xiàn)狀對水封橡皮進行了處理，有效地解決了射水問題。

總結(jié)此案例，我們認為，綜合考慮制造安裝的技術(shù)水平，機組引用流道的體型特別是底坎的體型不宜傾斜太多，且最好是水平布置，從理論上避免底水封不能有效壓縮的情況；現(xiàn)場安裝調(diào)試必須對每扇閘門進行無約束的無水調(diào)試試驗，檢測封水面的配合情況，防止因安裝誤差引起水封壓縮不均勻。

6 關(guān)于下放生態(tài)流量的閘門

對于長引水隧洞式水電站，壩與廠房之間的距離較遠，長達幾公里到數(shù)十公里，電站枯水期運行時，區(qū)間幾乎沒有流量，這種工況對區(qū)間河床的生態(tài)影響是巨大的。從環(huán)境保護的角度，必須有可靠的措施實現(xiàn)區(qū)間生態(tài)流量的控泄。為保證泄放生態(tài)流量相對穩(wěn)定，綜合考慮壩前水位的正常變幅，下泄流道的斷面必須具有隨水位變化的調(diào)節(jié)功能。

對于新建工程，考慮到閘門局開時產(chǎn)生的振動是一個復(fù)雜的過程，與閘門結(jié)構(gòu)型式、流道體型、水流狀態(tài)、啟閉機型式等等因素均有密切關(guān)系。這里面有水力學(xué)、彈塑性力學(xué)、振動力學(xué)等問題，未能認知的東西太多，風(fēng)險較大，應(yīng)該盡量避免采用閘門局開控泄，應(yīng)優(yōu)先考慮埋設(shè)單獨的生態(tài)供水管道，并在出口設(shè)錐型閥進行調(diào)控及消能，這種措施相對安全可靠。

對于已建工程，樞紐布置格局已定，迫不得已采用工作閘門控泄生態(tài)流量時，應(yīng)請電站運行單位進行充分的、各種水位對應(yīng)開度的閘門運行原型觀測試驗，形成閘門局開工況是否有危害性振動的明確結(jié)論，并以此為閘門可靠安全運行的依據(jù)，結(jié)合不同水位控泄生態(tài)流量的計算開度值，確定控泄生態(tài)流量的閘門開啟方案。

7 關(guān)于長引水隧洞調(diào)壓井設(shè)快速閘門的擔(dān)憂

發(fā)電機組以及廠房安全的保護，在水電站布置設(shè)計中是很重要的，相關(guān)規(guī)范對機組的保護也有比較明確的要求。對于長引水隧洞，且機組引用流量較大、水頭較高時，往往現(xiàn)階段水機專業(yè)涉及的設(shè)備的動水保護作用不可靠(如筒閥)或因引用流量大現(xiàn)有設(shè)備不能滿足尺寸規(guī)模(如蝶閥)，機組的保護重擔(dān)又落到了金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備上。

一般這種引水型式均設(shè)有上游調(diào)壓井，并在壓力鋼管的前端設(shè)事故閘門，若采用事故閘門保護機組，必然要有快速關(guān)閉的時間要求。目前水機專業(yè)通常提出的關(guān)閉時間要求很短(大多是2min)，考慮到啟閉設(shè)備的運行速度，快速閘門平時一般要停放在孔口上方1～2m的位置，并依賴啟閉設(shè)備持住。由于這類布置型式的機組引用流量大、水頭高，甩負荷產(chǎn)生的涌浪較高，而且涌浪的流態(tài)與調(diào)壓井的結(jié)構(gòu)型式、阻抗孔的細部結(jié)構(gòu)、門槽的細部結(jié)構(gòu)、涌浪發(fā)生時對應(yīng)的水頭和流量、機組導(dǎo)葉的有效關(guān)閉情況等因素均有密切關(guān)系，很復(fù)雜，難以認知。通常啟閉設(shè)備的布置高程需要高于調(diào)壓井的最高涌浪水位并滿足閘門安裝、檢修條件，啟閉設(shè)備與閘門之間有相當(dāng)遠的距離，需要通過一定的設(shè)備進行連接。有快速關(guān)閉要求的事故閘門停放在孔口上方時，涌浪對其的影響難以判斷。但可以判斷，涌浪對閘門產(chǎn)生的浮力和橫向的擾動是較大的，涌浪威脅著閘門及啟閉設(shè)備、連接設(shè)備的運行安全，后果難以估計。后果嚴重則導(dǎo)致連接設(shè)備破壞、閘門失去持住、啟閉機發(fā)生破壞，進而失去對機組的保護作用；后果較輕則導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生移位或變形，失去正常的配合關(guān)系，從而影響設(shè)備以后的正常運行。

目前已有一些工程采用這樣的模式進行設(shè)計，如：瀘定調(diào)壓井快速事故閘門(8.5m×9m-50.6m)、黃金坪調(diào)壓井快速事故閘門(8.6m×9.6m-47.64m)，均采用液壓啟閉機通過較長的拉桿裝置操作閘門。是否可靠安全尚未經(jīng)極端工況下的運行檢驗。

楞古電站目前正在搞預(yù)可研設(shè)計，其調(diào)壓井快速事故閘門(6.8m×8.8m-120m)，水頭參數(shù)很高，鑒于認知水平及上述擔(dān)憂，擬采用在調(diào)壓井后另設(shè)閘室的布置方案，液壓啟閉機布置在較底的高程，滿足閘門的正常開度即可，啟閉機機架與門槽埋件的上端部采用可靠的密封措施。這種布置使閘門與啟閉機之間的距離較短，且流道反向水擊快速擴散到閘門上游的調(diào)壓井內(nèi)，可以判斷對金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的不利影響會大大減小。但是，土建結(jié)構(gòu)需要增加建筑物的設(shè)置(如：啟閉機洞室的布置、交通洞的布置等)，工程造價也會增加不少。當(dāng)然這樣的增加換來的是設(shè)備的安全可靠運行，還是值得的。

為合理設(shè)計機組的保護設(shè)備，水機專業(yè)首先應(yīng)明確合理的閘門快速關(guān)閉的時間要求；蝶閥的動水保護作用經(jīng)實踐證明是可靠的，隨著制造技術(shù)的進步，其尺寸規(guī)模是否可以上升一個臺階，這樣的話，既能保證機組保護的需要，又可降低土建規(guī)模，有效控制投資。

8 結(jié) 語

天降大任于斯人，我輩同仁風(fēng)華正茂，趕上了國家水電開發(fā)的高峰期，在火熱地投入這場轟轟烈烈的建設(shè)中時，必須保持冷靜的思維，努力學(xué)習(xí)認知、善于總結(jié)經(jīng)驗、主動戒除浮躁、克服不理智的冒進行為，以科學(xué)的方法開展工作。針對金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的設(shè)計，要追求設(shè)備簡單實用、低風(fēng)險、高可靠性，在確保技術(shù)合理的前提下，盡量節(jié)省工程投資。