下沉式閘門在古爾圖河四級水電站壓力前池中的應(yīng)用

王周奇

(泰安市水利勘測設(shè)計研究院有限公司，山東 泰安 271000)

1 工程概況

古爾圖河自出山口的新渠首開始建有三級、四級、六級和七級4座梯級徑流式電站。古爾圖河四級水電站自古爾圖河三級水電站尾水渠退水閘引水，下游接古爾圖河引水干渠13+500處。四級水電站引水渠設(shè)計流量20.0 m3/s,發(fā)電流量18.4 m3/s。電站總裝機(jī)容量19 MW,多年平均發(fā)電量7 585萬kW·h,裝機(jī)年利用小時3 992 h,保證出力3.6 MW,供電范圍為農(nóng)七師轄區(qū)。

本電站最為突出的特點就是自引水閘開始至尾水渠全線采用了封閉式設(shè)計。分布在3個階地陡坎上的引水渠采用了引水暗渠的形式，渠道斷面采用矩形斷面，渠底寬度3.2 m,縱坡為1/1 000,冬季暗渠輸水流速為1.25 m/s。渠頂蓋板為C25鋼筋混凝土拱形蓋板，跨度為3.2 m，蓋板上覆土厚度0.8 m。設(shè)計及施工依據(jù)地形進(jìn)行，既避免了滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，又避免了大量土方的開挖。緊接其后的壓力前池也采用了封閉式，前池鋼筋混凝土蓋板+溢流側(cè)堰的扦插板構(gòu)成了封閉結(jié)構(gòu)。采用正向進(jìn)水、正向引水發(fā)電、正向排冰和正向排沙的形式；為雙層結(jié)構(gòu)布置，在進(jìn)水室前增設(shè)了1道擋冰墻和擋冰懸板；擋冰懸板底部與壓力鋼管頂部相齊平，有效阻止了冰凌進(jìn)入進(jìn)水室。壓力前池后接的是長達(dá)2 200 m的長距離壓力鋼管，壓力鋼管采用了地埋加防腐的方式接進(jìn)廠房。

古爾圖河四級水電站全部采用全封閉的引水方式，有效解決了北方引水式水電站的冬季運行問題。

2 下沉式閘門的應(yīng)用

閘門是水利工程常用的擋水結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式多樣，常見的有潛孔式、露頂升臥式和下沉式。在不同建筑物上起不同作用時，受建筑物結(jié)構(gòu)要求的限制。

下沉式閘門是可適應(yīng)于不同水位和流量的新型擋水閘門，其特點是在水閘底檻以下設(shè)門庫，需要關(guān)閉閘門時，門體從門庫升起關(guān)閉擋水；需開啟閘門時，門體則沉入門庫內(nèi)，僅留門頂蓋板露出底檻。

下沉式閘門工作與普通閘門設(shè)計原理相同，工作過程正好相反。普通閘門是上提打開，下放擋水，啟閉機(jī)長期處在放松狀態(tài)，只有當(dāng)閘門提升放水時，才處于工作狀態(tài)；而下沉式閘門是下降打開，上提擋水，啟閉機(jī)長期處在工作狀態(tài)，只有當(dāng)閘門下降到門槽底坎位置時，才處于放松狀態(tài)。下沉式閘門在平常擋水時，門頂可小流量溢流。

古爾圖河四級水電站廠址處多年平均氣溫為6.3 ℃，其中1月平均氣溫最低為-2.0 ℃，7月平均氣溫最高為22.8 ℃。歷年極端最高氣溫為39.0 ℃，最低氣溫為-27.5 ℃。古爾圖河封凍期一般為12月下旬至次年1月，解凍期一般始于2月下旬。每年11月下旬至12月中旬為流冰期，冬季需打冰引水。

古爾圖河四級水電站壓力前池排冰設(shè)計采用的是正向排冰，雙層結(jié)構(gòu)布置。在進(jìn)水室前增設(shè)了1道擋冰墻和擋冰懸板(結(jié)合水電站壓力前池陡坡段布置正好可滿足規(guī)范(GB/T 50662—2011)第9.2.4條的要求)，擋冰懸板底部與壓力鋼管頂部相齊平，頂部與冬季正常發(fā)電水位齊平。在排冰懸板上設(shè)下沉式閘門，且進(jìn)水室進(jìn)口與排冰懸板之間距離較短，排冰閘斷面比池箱斷面小(根據(jù)水電站壓力前池相關(guān)尺寸的計算，進(jìn)水室擋冰懸板底上部分由5.0 m漸變?yōu)?.0 m)；使得水流在此處的速度比池箱斷面處的速度大，表層含冰水流靠壓低機(jī)組負(fù)荷后產(chǎn)生的涌波通過下沉式閘門頂部，利用水流的慣性力將冰排入懸板后側(cè)的排冰槽內(nèi)；排冰槽后為1∶2.5的陡坡。這樣冰凌越過懸板后，就只能從陡坡與側(cè)堰相連接的溢流道排入泄水陡槽內(nèi)。

采用此種排冰形式后，有效阻止了冰凌進(jìn)入進(jìn)水室。引水發(fā)電水位的變化可以由設(shè)在擋冰懸板上的下沉式閘門和溢流側(cè)堰共同進(jìn)行控制。同時，夏季運行時，漂浮物一般是漂浮在水面上，也可以利用下沉式閘門通過水電站甩負(fù)荷的形式予以排除。如改造為自動化控制后，亦可以像側(cè)堰一樣，起到穩(wěn)定水頭的作用。

3 下沉式閘門的設(shè)計

3.1 總體布置

排冰閘設(shè)計采用的是露頂式，閘門是下沉式平板閘門。設(shè)計突破了《水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范》(SL 211—2006)12.2.6之規(guī)定，排冰閘的閘門宜采用弧形閘門和舌瓣閘門或帶舌瓣平面閘門及帶舌瓣弧形閘門；不宜采用上升式閘門、下沉式閘門和雙扉閘門。本次下沉式平板鋼閘門在擋冰懸板前側(cè)預(yù)埋鋼板，同時在預(yù)埋鋼板(由于此塊鋼板面積較大且附屬有用于加熱的槽鋼，因此澆筑混凝土?xí)r需格外小心，以保證鋼板的平整度；必要時預(yù)埋灌漿孔)上焊接用于加熱空腔的槽鋼，用于加熱空腔的槽鋼與門槽側(cè)加熱槽鋼相連通。另外，在門槽處及擋冰懸板前側(cè)預(yù)埋鋼板均采用了電加熱裝置，以防止冬季閘門結(jié)冰不能自由升降，從而保證了排冰效果。

下沉式平板鋼閘門的主要作用為古爾圖河四級水電站排冰，因此設(shè)計水頭比較小。古爾圖河四級水電站的最高設(shè)計水位為805.56 m，因而本閘門的設(shè)計水頭為最高設(shè)計水位減去擋冰底板頂高程，結(jié)果為2.88 m。進(jìn)水室排冰出口底高程802.07 m，孔口尺寸為3.0 m×2.0 m。后接排冰道，排冰道長度為3.0 m，寬度為2.0 m。通過前池1∶5的陡坡段與溢流道及沖沙閘相接。工作閘門為平面鋼閘門，孔口尺寸3.0 m×2.0 m，設(shè)計水頭2.5 m。閘門全開時，門隱藏在水下門庫內(nèi)，不干擾水流；閘門擋水運行時，水流從閘門頂溢流(見圖1～圖4)。

3.2 閘門基本結(jié)構(gòu)

下沉閘門與普通平面鋼閘門在結(jié)構(gòu)設(shè)計上基本一致。本閘門采用平面雙主橫梁焊接結(jié)構(gòu)，水封位于下游后翼緣翼板側(cè)。支撐形式為滑塊結(jié)構(gòu)，如果采用滾輪結(jié)構(gòu)的話，很有可能發(fā)生混水中的浮沙進(jìn)入輪軸而發(fā)生輪軸轉(zhuǎn)不動的現(xiàn)象。閘門吊耳外伸在門槽內(nèi)，采用等荷載設(shè)計原則，整個閘門荷載由兩根主梁承擔(dān)；采用單軸對稱工字形截面焊接組合梁。

3.3 使用工況

閘門由QL—2×50 kN螺桿式啟閉機(jī)控制，靜水啟閉。由于下沉式閘門是下降打開，上提擋水，在水閘工作局部開啟的時候，由于止水突出于門體，所以開啟后門體與門檻之間是有間隙的。由于該間隙的存在，可能造成封水不嚴(yán)的情況；因此對止水的要求相對較高。目前水利工程中廣泛采用的是既有彈性又有足夠強度的橡膠止水。為了增加水封的密閉性，達(dá)到良好的止水效果，采取了如下措施：本次側(cè)止水和底止水全部采用的是W285—1型，采用這種止水可以防止止水橡膠在閘門的升降過程中側(cè)翻。W型聚四氟乙烯復(fù)合水封是在W水封的頭部粘貼一層聚四氟乙烯，可降低水封橡皮與不銹鋼座板間的摩擦系數(shù)；當(dāng)閘門啟閉運行時，可降低粘滯力和摩阻力，使水封不致受拉而撕裂。水封預(yù)壓縮4 mm,在閘門關(guān)閉擋水時，利用上游水產(chǎn)生的水壓，將水封推向水封座并貼緊座板，利用水壓將水封壓緊。

在止水與擋冰底板的接觸部位采用了一整塊鋼板，保證了水封在其工作范圍內(nèi)不至于脫離水封座板而發(fā)生漏水。同時，在水封座板上增加了電加熱裝置，以防止閘門結(jié)冰不能自由升降，從而保證了排冰效果。夏季的排漂、甩負(fù)荷和冬季的排冰，使用比較頻繁。同時，為了保證橡膠止水更換方便，固定橡膠止水的壓板和螺栓要求采用不銹鋼加工，因此委托專業(yè)閘門生產(chǎn)廠家進(jìn)行整體生產(chǎn)加工配套。

3.4 防腐蝕設(shè)計

閘門門葉及其門槽埋件等長期處于干濕交替、浸沒水下及水流沖刷等環(huán)境中，受到大氣、日光、溫度和水生物的侵蝕以及泥沙和其他漂浮物的沖擊摩擦，鋼材表面極易發(fā)生腐蝕。鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生腐蝕后承載強度會逐漸降低，嚴(yán)重影響工程的安全運行。為有效控制鋼材的腐蝕，延長閘門的使用壽命，必須采取有效的防腐措施。

閘門制作完后，對門體進(jìn)行噴砂除銹和噴鋅防腐處理。埋件露出混凝土表面噴鋅防腐,噴鋅厚0.16 mm,并涂0.05 mm厚環(huán)氧云鐵防銹漆作封閉涂料,再涂0.08 mm厚氯化橡膠鋁粉漆作面漆。

4 結(jié) 語

我國北方地區(qū)氣候以寒冷天氣為主，冬季長且嚴(yán)寒,河水冰凍時間長，氣溫達(dá)-30 ℃,冰凌嚴(yán)重,常常堵塞電站進(jìn)口,影響正常運行。如何確保引水式水電站正常安全的工作是如今北方地區(qū)面臨最棘手的問題。

通過新疆古爾圖河四級水電站自引水閘開始至尾水渠全線采用的全封閉式設(shè)計，有效防止了水電站在引水過程中再生冰的形成。其壓力前池下沉式閘門的設(shè)計通過10多年的冬季運行，取得了預(yù)想的效果。

在寒冷的北方，雖然負(fù)溫歷時長，冰害嚴(yán)重，但只要根據(jù)氣象、水溫、冰情、工程條件等，制定符合實際情況的電站設(shè)計和運行管理制度，可妥善解決冰凍問題。