金屬結構設備的設計在水電工程中有關問題的探討

龍朝暉，劉天德

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

金屬結構設備在電站工程設計各專業(yè)中是一個很小的部分，占工程投資造價比例也相當小，但是，金屬設備的可靠運行，關系到施工人員、運行人員、沿河流兩岸老百姓的生命安全，關系到水工建筑物的運行安全，關系到發(fā)電設備的運行安全。每一個電站蓄水發(fā)電前均須通過有關部門的蓄水安全鑒定，其中，金屬結構設備是鑒定專家考核的重點。金屬結構設備的重要性在電站建設后期和電站建成投產后，才慢慢突顯出來。做為設計者，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雜，布置型式越來越多，其中不乏高難度、高風險、突破現(xiàn)有技術的案例。下面就幾個方面談一談我們在設計中的心得體會。

2 關于高水頭弧形閘門

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，門葉結構焊接并消除應力后，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更加嚴格，提出合理的設備、加工工藝、組裝工藝等技術能力及制造業(yè)績要求。

該類門葉結構多為主縱梁結構，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外普遍采用的止水型式，均有應用實例。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、機械加工要求高，現(xiàn)場安裝調試也有一定的要求。同時出口部分由于布置要求，水工結構需相應加長，投資相對較大，但是，偏心鉸通過施加機械力，能適應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。操作機構均在啟閉機機房內且布置緊湊，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)管路復雜，系統(tǒng)管路的埋設須貫穿若干壩段(一套系統(tǒng)控制多孔)，與土建的交涉面多，施工時應特別注意管路的埋設避免被雜物封堵，水封背壓腔的工作壓力值很難隨庫壓的變化進行調節(jié)，因此水封材質、質量的要求極高。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合的措施，弧門局部開啟時主止水禁止投入工作，主止水結構件的制造及安裝要求高。但是，這種止水型式研究較多，水封材質目前也有幾個廠家的產品能滿足要求，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，液控伸縮式止水還是一個不錯的方案。

3 關于大孔口事故閘門、工作閘門

泄洪建筑物的設計中，特別是隧洞式泄洪建筑物的設計，上游專業(yè)往往主要考慮的是泄流能力、建筑物的基礎地質條件、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構專業(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水平，特別是流道底板為水平體型的結構時，布置較困難。大孔口帶來的問題是一個量變到質變的嚴重問題，影響到閘門封水可靠性、閘門結構安全性、啟閉機的制造安裝技術性突破、啟閉機及閘門操作運行的安全性等等一系列復雜的環(huán)節(jié)。

雖然，金屬結構在工程可研、建設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、冒著技術風險，配合工程設計。但是，工程建成投產后，樞紐的運行安全重擔實實在在的落到了金屬結構專業(yè)頭上，無論是發(fā)生天災(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節(jié)(泄洪、引水發(fā)電、機組保護檢修)的工況，金屬結構設備的安全可靠運行都是人員、樞紐、設備安全的有效保證，重要性可見一斑。

因此，必要的時候，綜合考慮設計、制造、安裝、運輸、運行等因素，在工程設計的前期就要從技術上否定大孔口的布置方案，降低金屬結構的技術難度，科學的、合理的優(yōu)化設計方案，避免舍質量、冒大風險、保投資的功利行為。

4 關于閘門水力學及流激振動模型試驗工作的開展

工程樞紐的設計，包括各個重要水工建筑物的設計，水力學、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壓保壓建筑物等等尚需進行單體模型試驗研究。金屬結構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構和鋼結構的差別，因此對于重要部位的金屬結構應該通過模型試驗進行驗證和科學認知。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、新型設備布置條件下的設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相關研究，為滿足模型試驗設備、場地等條件的要求，通常模型比尺較小(大多是1∶60以下)，由于金屬結構設備規(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構的真實體型的，也不可能在微小的閘門模型上裝設試驗檢測設備。因此，必須根據(jù)試驗設備及試驗人員技術能力、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，充分認知金屬結構在不同運行工況下的各種規(guī)律。同時，有條件時還應盡量增加模型的比尺，降低模型試驗的比尺效應。

5 關于有施工期擋水要求的閘門

水電工程建設周期較長，短的三五年，長的十來年，原則上考慮制造安裝技術能力及便于靈活調度，發(fā)電機組都是多臺布置。隨著工程的建設進度，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)安裝調試的工況特點，此時，繼續(xù)安裝調試的機組的進(尾)水口流道往往需要采用已經安裝調試后的金屬結構設備進行擋水。與首臺機組相關的設備受到重點關注，安裝調試的質量比較讓人放心，但是，由于諸如搶工期等種種原因，其余需要擋水的金屬結構設備往往沒有進行很好的安裝和調試，有的甚至連啟閉設備都沒有安裝，閘門均是通過其它設備(如壩頂門機、施工起吊設備等)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4臺機組，每臺機組進口設有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。

總結此案例，我們認為，綜合考慮制造安裝的技術水平，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)場安裝調試必須對每扇閘門進行無約束的無水調試試驗，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節(jié)功能。

對于新建工程，考慮到閘門局開時產生的振動是一個復雜的過程，與閘門結構型式、流道體型、水流狀態(tài)、啟閉機型式等等因素均有密切關系。這里面有水力學、彈塑性力學、振動力學等問題，未能認知的東西太多，風險較大，應該盡量避免采用閘門局開控泄，應優(yōu)先考慮埋設單獨的生態(tài)供水管道，并在出口設錐型閥進行調控及消能，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，應請電站運行單位進行充分的、各種水位對應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論，并以此為閘門可靠安全運行的依據(jù)，結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 關于長引水隧洞調壓井設快速閘門的擔憂

發(fā)電機組以及廠房安全的保護，在水電站布置設計中是很重要的，相關規(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)有設備不能滿足尺寸規(guī)模(如蝶閥)，機組的保護重擔又落到了金屬結構設備上。

一般這種引水型式均設有上游調壓井，并在壓力鋼管的前端設事故閘門，若采用事故閘門保護機組，必然要有快速關閉的時間要求。目前水機專業(yè)通常提出的關閉時間要求很短(大多是2min)，考慮到啟閉設備的運行速度，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，甩負荷產生的涌浪較高，而且涌浪的流態(tài)與調壓井的結構型式、阻抗孔的細部結構、門槽的細部結構、涌浪發(fā)生時對應的水頭和流量、機組導葉的有效關閉情況等因素均有密切關系，很復雜，難以認知。通常啟閉設備的布置高程需要高于調壓井的最高涌浪水位并滿足閘門安裝、檢修條件，啟閉設備與閘門之間有相當遠的距離，需要通過一定的設備進行連接。有快速關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備、連接設備的運行安全，后果難以估計。后果嚴重則導致連接設備破壞、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；后果較輕則導致設備發(fā)生移位或變形，失去正常的配合關系，從而影響設備以后的正常運行。

目前已有一些工程采用這樣的模式進行設計，如：瀘定調壓井快速事故閘門(8.5m×9m-50.6m)、黃金坪調壓井快速事故閘門(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極端工況下的運行檢驗。

楞古電站目前正在搞預可研設計，其調壓井快速事故閘門(6.8m×8.8m-120m)，水頭參數(shù)很高，鑒于認知水平及上述擔憂，擬采用在調壓井后另設閘室的布置方案，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壓井內，可以判斷對金屬結構設備的不利影響會大大減小。但是，土建結構需要增加建筑物的設置(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。當然這樣的增加換來的是設備的安全可靠運行，還是值得的。

為合理設計機組的保護設備，水機專業(yè)首先應明確合理的閘門快速關閉的時間要求；蝶閥的動水保護作用經實踐證明是可靠的，隨著制造技術的進步，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 語

天降大任于斯人，我輩同仁風華正茂，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中時，必須保持冷靜的思維，努力學習認知、善于總結經驗、主動戒除浮躁、克服不理智的冒進行為，以科學的方法開展工作。針對金屬結構設備的設計，要追求設備簡單實用、低風險、高可靠性，在確保技術合理的前提下，盡量節(jié)省工程投資。