紫坪鋪工程沖砂放空洞工作門充壓止水裝置設計及改造

葛 凱， 蘇 豪 娟

(四川省紫坪鋪開發(fā)有限責任公司，四川 成都 610091)

0 引 言

紫坪鋪水利樞紐工程位于四川省成都市西北60余公里的岷江上游，是一座以灌溉和供水為主，兼有發(fā)電、防洪、環(huán)境保護、旅游等綜合效益的大(Ⅰ)型水利樞紐工程。樞紐泄洪設施由兩條泄洪排砂洞和一條沖砂放空洞組成，其中沖砂放空洞為有壓隧洞，其工作門為潛孔弧門，布置于事故檢修門后的隧洞出口處，安裝高程757.49 m，設計水頭高達126 m，水庫正常蓄水位高程877.00 m下工作門擋水水頭達119.51 m，孔口尺寸僅3.0 m×3.0 m。因此，高水頭下工作門擋水止水效果良好與否直接影響沖砂洞安全運行。

1 原充壓止水實現(xiàn)方式及存在的問題

1.1 工作門主止水原理

為解決紫坪鋪工程沖砂洞高水頭下工作門全關(guān)擋水下止水問題，沖砂洞工作門特別布設了主、副兩套水封，主水封為充壓止水型式，輔助水封為常規(guī)弧門橡膠止水。為布置充壓止水裝置，沖砂放空洞隧洞底部比閘門底水封座板高出260 mm，形成一個臺階。充壓止水是否投用是根據(jù)水庫水位情況和輔助水封止水效果共同決定的，在沖砂洞工作門擋水運行工況下，首先應加強輔助水封止水效果觀察，若不能滿足止水要求，則相應投用主水封充壓止水。

紫坪鋪工程沖砂洞主水封的止水工作原理如圖1所示，在投用充壓止水進行止水時，承壓圍帶在內(nèi)部流體介質(zhì)(空氣或水)壓力作用下，產(chǎn)生充壓膨脹，推動山型水封尖部向外凸起變形，與門葉面板緊密貼合，并產(chǎn)生壓縮量，以實現(xiàn)充壓止水目的。

1-工作門門葉面板；2-主水封座；3-承壓圍帶；4-山型水封；5-水封壓板；6-壓板螺栓圖1 沖砂洞工作門主水封止水原理截面示意圖

2.2 原充壓止水的充壓方式

原充壓止水的壓力源來自于空壓機，充壓方式有以下兩種：一種是使用空壓機產(chǎn)生的高壓空氣直接向承壓圍帶充壓；另一種是借助儲水罐間接向承壓圍帶充壓，其原理是空壓機向壓力罐中注入加壓空氣或者是直接給儲水罐中加壓。其中向壓力罐中加注壓縮空氣是將壓縮空氣存儲在壓力罐中，進行充壓止水時不需要頻繁啟用空氣壓縮機；而直接給儲水罐中的水加壓的目的是為了在充壓止水時可直接投入使用。以上充壓方式的設備、零部件布置如圖2所示，圖中未標明部分輔助元件，如卸載閥、壓力表以及一些自動控制的輔助件等。

由圖2可知，原充壓止水具體充壓工作方式有以下兩種：

(1)當進行承壓圍帶充氣實現(xiàn)充壓止水時，可以直接利用空壓機進行充氣，同時關(guān)閉壓力球閥8，當壓力達到設定值時，關(guān)閉空壓機和壓力球閥9，同時打開壓力球閥8，使得儲氣罐3能直接為承壓圍帶補氣，以達到充壓止水的目的。

(2)當進行承壓圍帶充水實現(xiàn)充壓止水時，關(guān)閉壓力球閥2、8、9，打開壓力球閥11、12，啟動多級水泵5向儲水罐4中補水，待壓力達到設定平壓值后，關(guān)閉多級水泵5和壓力球閥12，同時關(guān)閉壓力球閥11，若遇承壓圍帶發(fā)生壓力降低現(xiàn)象，則可打開壓力球閥10和11，利用儲氣罐3向承壓水袋中補壓，從而達到持續(xù)補壓止水的目的。

2.3 存在的問題

1-空氣壓縮機；2、8、9、10、11、12-壓力球閥；3-儲氣罐；4-壓力水罐；5-多級水泵；6-水池；7-壓力管道圖2 原充壓止水充壓設備布置示意圖

使用空壓機為儲氣罐、儲水罐加壓存在以下幾方面問題：

(1)壓力罐屬于特種設備，維護要求相對于傳統(tǒng)設備較為復雜，同時相關(guān)的壓力表和壓力安全閥需要進行定期校驗和特檢等，導致運行安全條件要求和維護維修成本偏高。

(2)由于空氣壓縮性較大，氣體發(fā)生滲漏時需要補氣的情形時有發(fā)生，原充壓方式無天然穩(wěn)定可靠的壓力源，對沖砂洞工作門主水封零部件的自身良好狀態(tài)提出了嚴苛要求。

(3)紫坪鋪水利樞紐工程供水的重要性和地理位置的特殊性，使得水庫在蓄水期高水位運行時對充壓止水效果要求較高，在前期使用過程中，采用充氣充水的止水方式，會使自動控制的空壓機或多級水泵出現(xiàn)頻繁啟動的情形，前期運行中存在諸多不便和潛在風險。

(4)若發(fā)生壓力儲氣罐不能及時補氣的故障，承壓圍帶內(nèi)壓力降低，將會導致山型水封與工作門門葉面板的貼合度(橡膠壓縮量)降低，在水庫高水位運行條件下，沖砂洞工作門會出現(xiàn)射水現(xiàn)象，破壞閘門水封和金屬結(jié)構(gòu)，嚴重威脅樞紐的運行安全。

3 改造后的恒壓止水方式

3.1 改造方案設計

為解決原充壓止水的充壓方式在運行中存在的問題，對原有充壓方式的壓力源進行了改造設計和實施。改造仍根據(jù)壓力平衡的原理，即水庫校核洪水位產(chǎn)生的壓力同水封與門葉面板的正向摩擦力相平衡，達到平壓的目的，即可實現(xiàn)充壓止水。如圖3所示，沖砂放空洞隧洞內(nèi)腔高水頭產(chǎn)生的壓力對水封形成壓力為P，承壓水袋在充壓情況下通過山型水封作用在門葉面板上的正壓力為N，水封與門葉面板所產(chǎn)生的摩擦力f。

圖3 充壓止水壓力平衡截面示意圖

在力學平衡上有：

P=μN=f

(1)

取山型水封橡膠與門葉鋼板間摩擦系數(shù)為0.85，考慮水頭損失和一定安全系數(shù)，以校核洪水位計算內(nèi)腔壓力，代入公式(1)求得設計壓力約為pF=1.50 MPa。

在改造過程中，考慮使用恒壓水源充水的方式對承壓圍帶進行充水平壓，為保證承壓圍帶產(chǎn)生的壓力足以平衡庫水位壓力，充分利用紫坪鋪工程條形山脊天然地理優(yōu)勢，在壩上條形山脊一定高程處修建壓力水池，同時考慮水質(zhì)問題，采用了過濾水水源。壩上水箱安裝高程根據(jù)公式(2)求得：

pF=ρgh

(2)

代入設計壓力pF=1.50 MPa到公式(2)求得水箱安裝高程為：910 m。

3.2 改造方案實施

改造方案考慮以下因素：(1)提高改造后的恒壓止水水源潔凈度，延長圍帶使用壽命；(2)利用樞紐地理位置優(yōu)勢選擇合理的水箱安裝位置；(3)引水管路較長，選擇方便維護檢修的管路形式；(4)考慮氣候條件因素，確保引水管路運行穩(wěn)定。

綜以上因素分析出發(fā)，改造實施方案如下：水箱布置于樞紐條形山脊凈水房后高程910 m高程處，利用凈水房水泵引用凈水至水箱；引水管路采用分段法蘭螺紋連接，并選擇金屬石棉法蘭墊片，采用此類型管路不僅能適應氣候變化引起管路的熱脹冷縮變化，還能使日常維護檢修經(jīng)濟、便捷。

紫坪鋪工程沖砂洞工作門充壓止水裝置改造實施后，恒壓水源設備、管路運行和維護較原充壓方式更安全、經(jīng)濟和穩(wěn)定，恒壓充壓止水裝置實際運行中壓力維持在1.41 MPa左右，在運用頻率較高的水庫汛限水位高程850 m和更高的正常蓄水位高程877 m下，均滿足止水要求。實踐證明，該改造項目成效顯著。

4 結(jié) 語

紫坪鋪沖砂洞工作門充壓止水裝置改造，充分利用了原有管道和抽水設備，將經(jīng)過過濾的水源抽到計算安裝高程處水箱，不但能為承壓圍帶提供穩(wěn)定可靠的壓力源，還能應用于消防設施水源。同時充分利用了樞紐條形山脊的天然地理優(yōu)勢，運用實施便捷的水壓平衡原理克服了原有充壓方式的運行弊端，全面、穩(wěn)定、可靠地保障了沖砂洞高水位下的運行安全。本改造項目實施成本較低，操作和維護便捷、可靠。另一方面，這種恒壓水源改造項目推廣受地理位置制約影響，在高緯度地區(qū)，壓力源中的水介質(zhì)會出現(xiàn)結(jié)冰的不利現(xiàn)象，但因其實施成本和運行安全穩(wěn)定的優(yōu)勢，為低緯度地區(qū)同類高水頭弧門充壓止水提供了經(jīng)驗和參考。