高橋水電廠升臥式平板閘門無法閉落原因分析與處理方案

胡 力

（國家電投集團江西電力有限公司江口水電廠，江西 新余 338025）

升臥式平板閘門結合了直升式閘門和弧形閘門的優(yōu)點，使閘門在弧形軌道上作弧形運動，有利于提高抗震性能，減少工程投資，但因施工不當?shù)脑?，在實際應用中有可能出現(xiàn)在正常工況下無法完全閉落的問題。本文以高橋水電廠沖砂閘為案例，分析此類問題的原因并提出對應的處理方案。

1 工程背景

高橋水電廠位于江西省永新縣高橋樓鄉(xiāng)龍江村附近，是一座IV 等?。?）型水利工程，正常蓄水位94.0 m，為日調節(jié)河床式水電站。主要水工建筑物由溢流壩、水力自控翻板壩、沖砂閘、發(fā)電廠房、升壓站等組成，其中沖砂閘為四孔向下游轉動的升臥式平板鋼閘門，由QPQ-2×25T 卷揚啟閉機進行啟閉。閘門每扇門高7.2 m，門寬8.0 m，閘門底檻高程87.0 m，閘門支承跨度8.3 m，吊點中心距7.0 m，設計水頭8.058 m，設計總水壓力2520.0 kN，門體凈重15.5 t。

2 問題概況

高橋水電廠水庫防洪調度任務設計主要由15 孔水力自控翻板壩擔負，其特點為根據(jù)庫水位自動啟閉，一旦啟動即為15孔門葉全部開啟，無法根據(jù)下游情況對泄洪進行有效控制，而四孔沖砂閘門在原設計主要任務為水庫沖淤，同時兼有配合水力自控翻板壩泄洪任務，在入庫洪水較小的情況下，提前利用沖砂閘調控庫水位更有利于保障下游安全。為此，水電廠自2006 年5 月1 日建成投運以來，在遭遇設計標準以下入庫洪水時多啟動沖砂閘進行泄洪調控，因此沖砂閘啟閉較為頻繁。2010 年～2014 年，四孔閘門陸續(xù)出現(xiàn)在正常蓄水位94.0 m 工況下無法完全閉落至底坎的情況，必須將庫水位降低至92.0 m 以下才能完全閉落，致使閘門漏水嚴重，影響正常發(fā)電生產。更為嚴重的是，在2015 年～2016 年期間，由于閘門啟閉動作不平衡，沖砂閘陸續(xù)出現(xiàn)閘門鋼絲繩斷裂問題，既威脅到閘室底板安全也對防洪度汛工作造成不利影響。為解決這個問題，根據(jù)歷年運行情況變遷以及工程設計以及施工資料，對此問題進行了跟蹤調查以及深入分析，力求查明原因，進行有針對性的處理[1]。

3 原因分析

3.1 現(xiàn)場檢查

閘門在閉門狀態(tài)下，外觀檢測發(fā)現(xiàn)閘門側水封多處破損，且止水水封與導水板之間間隙較大，漏水較嚴重且容易卡塞樹枝竹竿等雜物，進而加劇側止水的磨損速度導致水封破損，并且造成側止水摩阻力發(fā)生較大變化；閘門主導輪軸套在閘門漏水情況下有可能存在不同程度銹蝕問題；閘墩表面多有鑿除修補痕跡，有可能因為施工質量問題導致閘墩表面局部尺寸不滿足閘門安裝尺寸要求，從而進行鑿除修補；閘門門體目測整體存在扭曲變形。

閘門在啟門狀態(tài)下，外觀檢測發(fā)現(xiàn)閘門啟閉動作時存在整體偏移、傾斜的情況；側水封及底水封止水座板等部件變形嚴重，說明水封受力有可能超過了原設計限值；啟吊鋼絲繩水下滑輪組銹蝕破損嚴重，繩孔有明顯摩擦切割痕跡。

3.2 初步分析

分析閘門無法正常閉落的原因，需結合升臥式平板閘門的結構特點以及外觀檢測實際情況進行，原因主要有：閘門自重無法克服摩阻力導致無法閉落；門槽的弧軌段起點太低或半徑太小，導致高水頭工況閉門時閘門主輪停滯于弧軌段無法閉落。由于電站投運初期閘門工作正常，因此可以排除第二種情況，僅需分析閘門自重與摩阻力的問題。

升臥式平板閘門的結構特點：門葉不進入左右兩門槽內，即門葉寬度略小于閘孔凈寬，每側與閘墩之間存在3 cm～4 cm的間隙；門葉側止水裝在面板兩側與閘墩表面的導軌嚴密接觸達到封水目的；向下游轉動升臥式閘門啟吊鋼絲繩浸在水中容易銹蝕從而縮短壽命；閘門在啟閉過程中側水封水下部分會超出閘墩上的封水導板，若閘墩混凝土表面高于封水導板，有可能會導致側水封磨損，對閘墩混凝土澆筑要求較高。

1）根據(jù)高橋沖砂閘施工設計圖，每扇閘門除了4 個懸臂式主輪外，還在門體邊梁上設計了4 個側導輪以及相應門槽內側軌，但從現(xiàn)場情況核實，實際上施工中閘門未按設計裝設側導輪以及相應側軌，門體在啟閉動作過程中缺乏橫向約束。在這種情況下，結合現(xiàn)場外觀檢測，閘門有可能因兩側主導輪摩阻力、側止水摩阻力不一致等因素導致動作不平衡，進而致使門體發(fā)生橫向水平偏移以及傾斜。

2）在閘門閉門過程中，受動水壓力的作用，隨著閘門工作水頭不斷增加，兩側主導輪摩阻力、側止水摩阻力也進一步加大，當閘門摩阻力超過閘門自重時，閘門將無法克服摩阻力從而導致閘門無法正常閉落。分析摩阻力的構成，主要涉及到支承部件主導輪軸套以及輪軸的滑動摩擦阻力，以及止水與止水導板之間的滑動摩擦阻力，需進行閉門力校核計算。

3）由于閘門為向下游轉動，因此閘門啟吊鋼絲繩以及滑輪組浸于水中，存在較為嚴重的銹蝕問題，特別是滑輪組由于材質以及鋼絲繩摩擦原因，與鋼絲繩互相切割摩擦，容易造成鋼絲繩斷股導致其安全系數(shù)減小。同時由于閘門兩側摩阻力不一致的原因，在閘門開啟時兩側鋼絲繩受力不均，當某一側受力超過鋼絲繩極限時即會造成斷裂的問題。

結合高橋沖砂閘實際運用情況的歷史變化，證明了以上分析。

3.3 閉門力校核計算

1）閉門力計算采用公式為：

式（1）中：FW表示閉門力，t；NT表示摩擦阻力的安全系數(shù)，一般取 1.2；Tzd表示支承摩擦阻力，t；Tzs表示止水摩擦阻力，t；NG表示計算閉門力的門重修正系數(shù)，取1.0；G 表示閘門活動部分的自重，t；PT表示上浮力，對于露頂式閘門可忽略不計。

2）支承摩擦阻力（滑動支承）計算公式為

式（2）中：P 表示作用在閘門上總水壓力，t；R 表示滾輪半徑，cm；r 表示輪軸的半徑，cm；f1表示輪軸滑動摩擦系數(shù)，取0.3 cm；f2表示滾輪的摩擦力臂，取0.1 cm。

3）止水摩擦阻力計算公式為

式（3）中：f3表示止水與止水座的滑動摩擦系數(shù)，橡膠對鋼板為0.65；Pzs表示作用在止水上的水壓力，t。

當FW計算為負值時，表示閘門可依靠自重閉落。

4）閉門力計算

①閘門自重G 計算：根據(jù)閘門裝配竣工圖，考慮鋼板厚度負偏差及省略了側輪等原因，推算G 為15.5 t。

②閘門水壓力 P 計算：按水壓力計算公式 P=Sρg（h1-h2）/2，其中ρ 為水密度，g 為重力加速度，S 為閘門擋水面積，h1為庫水位，h2為閘門底坎高程。當庫水位h1=94.0 m 時，閘門擋水面積S=7×8=56 m2,此時閘門承受水壓力計算為1920.8 kN,換算為196 t；當庫水位h1=92.0 m 時，閘門擋水面積S=5×8=40 m2,此時閘門承受水壓力計算為980 kN，換算為100 t。

③閘門滾動摩擦阻力Tzd計算：根據(jù)式（2），當庫水位94.00 m時，門葉滾動摩擦阻力約12.6 t；當庫水位92.00 m 時，門葉滾動摩擦阻力約6.4 t；

④止水摩擦阻力Tzs計算：根據(jù)式（3），當庫水位94.00 m時側水封由水壓引起的摩擦阻力約1.1 t；當庫水位92.00 m時，側水封由水壓引起的摩擦阻力約0.6 t。

⑤根據(jù)公式（1）以及Tzd、Tzs以及閘門自重等參數(shù)，可計算出：當庫水位94.00 m 時閉門力為-0.39 t，當庫水位92.00 m時閉門力為-7.79 t。

從以上理論計算結果表明，閘門在94.00 m 工況時閉門力沒有富余，若考慮閘門未裝設側導輪導致動作不平衡等不利因素，閘門閉門力即無法滿足要求，導致閘門在94.00m 工況下無法正常閉落。

4 改造方案

根據(jù)以上分析，解決問題的方案核心是按設計增加側導輪以及側軌，以達到對閘門啟閉動作施加橫向約束，在控制閘門止水與止水座滑動摩阻力的同時，達到保證兩側摩阻力的均衡以及閘門動作平穩(wěn)的目的。要點是必須根據(jù)側導輪安裝位置進行閘門啟閉動作軌跡線計算，并保證側軌的水平度，確保側導輪與側軌的配合，減少側導輪摩阻力，防止側導輪損壞閘墩。同時從改善滾輪摩阻力及止水摩阻力著手：①對主導輪輪軸進行拆解保養(yǎng)，對銹蝕輪軸以及軸套進行更換，進一步減少輪軸摩擦系數(shù)；②重新制作并更換因超載變形的止水壓板，并對側水封安裝預壓縮量進行精準調整，減少側水封摩擦系數(shù)，盡量降低閘門閉落時的摩阻力，確保閉門力滿足正常閉落要求。

根據(jù)以上方案，高橋水電廠于2018 年8 月～12 月期間對沖砂閘進行了技術改造，并取得了預期成效。

5 結語

升臥式平板閘門在中小型水利工程具有較為廣發(fā)的應用，為保證閘門動作平穩(wěn)，安全工作，切實保障防洪度汛以及水工建筑物安全，在施工和運用中應注意以下幾點：注重側導輪對保持升臥式閘門動作平穩(wěn)的重要作用，在施工中要綜合考慮，嚴格按照設計要求實施，不得遺漏；在施工中關注閘墩混凝土立模以及澆筑質量，從嚴控制閘墩混凝土表面尺寸以及平整度，確保不超過導水板以免導致側水封磨損；在側水封安裝施工中還應注意按設計要求調整好側止水的預壓縮量，過大會導致側止水摩阻力增大，過小也會導致門側漏水；在實際運用中還應注意主導輪軸套的定期維護保養(yǎng)，防止軸套及軸承銹蝕加大摩阻力。