高水頭放空底孔工作閘門剛性止水修復(fù)研究與應(yīng)用

龍見穎，王 濤，王志輝

（雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610051）

0 引言

某大型水電站共設(shè)4個放空底孔，每孔進出口均設(shè)有1套工作閘門（3×5.5-120（80）m平板閘門）及1套事故檢修閘門（3×9.19-120（80）m平板閘門）。放空底孔主要用于大壩尚未建成而又需要蓄水發(fā)電期間泄洪及控制水庫初期水位，以及后期檢修大壩或有人防要求時降低水庫水位使用。

底孔工作閘門設(shè)計時基于充分滿足120 m超高水頭下閘門的止水效果和80 m水頭下動水啟閉可靠性的雙重要求，閘門常規(guī)止水方式已難以滿足要求。故最初設(shè)計時，充分結(jié)合了國內(nèi)外高壓滑動平面閘門的實踐經(jīng)驗，在國內(nèi)首次選定剛性止水、窄門槽的滑動閘門型式[1]，該結(jié)構(gòu)型式閘門具有結(jié)構(gòu)緊湊、門葉剛度大、門槽尺寸?。ㄕT槽）、高速水流下門槽易空化空蝕、制造與安裝精度高、檢修難度大、止水難度大、啟門力大、閘門振動大等特點。

工作閘門頂、側(cè)止水與支承設(shè)計合二為一。門葉頂、側(cè)止水支承材料采用鋁青銅（ZCuAl10Fe3），門槽頂、側(cè)止水材料為不銹鋼（2Cr13）。門葉底止水材料為不銹鋼（2Cr13），門槽底坎止水材料為巴氏合金，止水面的接觸間隙設(shè)計要求在0.03 mm以內(nèi)，對工藝要求十分嚴苛。

工作閘門在竣工投入使用后，歷經(jīng)兩個汛期的泄洪，泄洪高速射流對門槽底坎止水面產(chǎn)生了嚴重沖刷，汽蝕也較為嚴重，已不能徹底的封水，隨即將底孔工作閘門置于關(guān)閉狀態(tài)，而使用檢修閘門用于擋水。

針對底孔工作閘門剛止水存在的問題，通過對比研究國內(nèi)高水頭閘門各種止水型式及止水材料的選擇與應(yīng)用，最終選定采用修復(fù)門槽底坎止水、研磨門槽止水面的止水修復(fù)方法，以及剛性止水與預(yù)壓式止水聯(lián)合使用的止水改進方法對底孔工作閘門剛止水進行修復(fù)。

1 工作閘門剛性止水運行狀況

1.1 門槽流道狀況

底孔工作閘門在電站投運初期作為水庫泄洪控流設(shè)備使用后，門槽底坎巴氏合金止水面出現(xiàn)了被高速水流嚴重沖刷和空蝕的情況，導(dǎo)致閘門密封面漏水量急劇增大。期間，實驗性地采用貝爾佐納復(fù)合抗磨涂料進行了修復(fù)填充和找平處理，處理完成后帶水試驗閘門漏水情況，較未處理前漏水情況略有改觀，但并不能徹底的封水，并在試驗期間，抗磨材料同樣因為高速水流沖刷，導(dǎo)致止水面被嚴重破壞。又經(jīng)長時間放置，門槽底坎止水面原貝爾佐納復(fù)合抗磨涂料已出現(xiàn)了老化、脫空現(xiàn)象，止水面局部甚至出現(xiàn)爆口、鼓包、脫落及整體不光滑等現(xiàn)象，側(cè)止水面也出現(xiàn)局部銹蝕小坑。

圖1 門槽底坎磨損情況

1.2 工作閘門止水面狀況

由于前期現(xiàn)場施工條件限制，對1號、3號底孔工作閘門進行了抽檢。將工作閘門提至全開位置，對門槽止水面進行清掃，門槽及閘門底止水面清掃完畢后，將工作門落至全關(guān)，在工作閘門背后鋼襯2.8 m高位置處焊接支點，用千斤頂模仿水推力對閘門加壓，測量止水面配合間隙，測點間距為200 mm，根據(jù)設(shè)計要求，合格標準為閘門止水面配合間隙≤0.03 mm。使用300 mm塞尺對閘門止水面間隙進行測量，0.02 mm塞尺不能通過即認定間隙為0 mm。

測量數(shù)據(jù)結(jié)果為：1號工作閘門門槽頂止水與左側(cè)止水密封面有0.18 mm的高差，閘門頂止水、底止水間隙均認定為0 mm，但底止水有一段200 mm長透光，側(cè)止水最大間隙為0.50 mm；3號工作閘門底止水密封處有兩處0.02 mm、0.03 mm間隙，測量過程中還發(fā)現(xiàn)，流道內(nèi)的水滲出到了工作閘門下游，左側(cè)止水有一處間隙為0.03 mm，右側(cè)止水有一段130 mm長間隙為0.02 mm，其余間隙均認定為0 mm。

2 工作閘門輔助止水修復(fù)

2.1 工作閘門頂止水修復(fù)

將原頂止水方式改進為預(yù)壓式橡膠與剛止水相結(jié)合的止水方式。預(yù)壓式橡膠止水為輔助止水，水封形式為實心P型圓頭橡膠，保留原鋁青銅剛止水結(jié)構(gòu)。在門楣鋁青銅支撐止水面上部閘門不銹鋼門葉本體上，加工切削出安裝預(yù)壓式橡膠止水安裝位置。

頂水封裝置由墊板、水封和壓板組成。其中墊板厚5 mm，水封厚12 mm，壓板厚10 mm，采用沉頭螺釘固定。墊板和壓板的材質(zhì)為1Cr18Ni9Ti。水封材質(zhì)為LD19，密度1.2~1.5 g/cm3，含（新）膠量≥60%，拉伸強度達到22 MPa，邵氏硬度≥70±5，延伸率≥400%。沉頭螺釘采用M12不銹鋼螺釘，材質(zhì)為0Cr18Ni9，螺栓間距為60 mm。

2.2 工作閘門側(cè)水封修復(fù)

側(cè)止水同樣采取預(yù)壓式橡膠與剛止水相結(jié)合的止水方式，水封形式為實心P型圓頭橡膠。側(cè)輔助止水裝置采用與頂水封同樣材質(zhì)的墊板、水封和壓板組成，因原門葉側(cè)止水寬度僅為100 mm，加之原側(cè)止水平面鋁青銅剛止水位置限制，無法在閘門背水密封平面上安裝預(yù)壓式橡膠止水，故在閘門背水密封面?zhèn)让姘惭b輔助橡膠止水密封固定壓板。

在閘門背水密封面鋁青銅剛止水靠側(cè)面位置閘門頂部至底部車削出側(cè)輔助水封安裝位置，水封安裝螺栓孔布置在閘門側(cè)面，水封壓板、螺栓孔現(xiàn)場配鉆安裝，螺栓安裝位置避開鋁青銅剛止部分結(jié)構(gòu)，完全保留原鋁青銅剛止水部分。

頂、側(cè)水封安裝結(jié)構(gòu)相同，如圖2所示。頂、側(cè)輔助橡膠水封轉(zhuǎn)角處采用轉(zhuǎn)角水封，轉(zhuǎn)角水封尺寸為200 mm×200 mm，現(xiàn)場用冷粘劑將頂、側(cè)水封、轉(zhuǎn)角水封粘接，把頂部、側(cè)面輔助橡膠水封連接成整體。

圖2 閘門頂水封改造圖

圖3 閘門頂水封改造前后對比詳圖

圖4 閘門側(cè)水封改造圖

圖5 閘門側(cè)水封改造前后對比詳圖

圖6 閘門頂、側(cè)輔助水封安裝詳圖

圖7 門槽頂密封座板改造前后對比詳圖

圖8 門槽側(cè)水封密封座板改造圖

圖9 門槽側(cè)密封座板改造前后對比詳圖

圖10 閘門底水封改造圖

圖11 閘門底水封改造前后對比詳圖

圖12 門槽原底坎密封截面圖

圖13 門槽底坎密封截面改造后

2.3 頂、側(cè)輔助水封對應(yīng)門槽止水座板

原門槽頂止水面有效寬度僅為70 mm，與頂止水面上部相連處有一段寬度50 mm的斜面，此段斜面無法作為預(yù)壓式止水的止水面，故特殊加工了一處高度19 mm、寬度約70 mm、閘門面板長度方向長度3 226 mm的止水密封座板與頂部橡膠輔助止水相配合。頂輔助水封安裝時超出軌道面3 mm，與增設(shè)止水座板后的門槽配合形成2 mm預(yù)壓縮量。

原門槽側(cè)止水及支撐滑道主軌的止水面寬度僅為70 mm，不能作為預(yù)壓式輔助止水的止水面，故在主軌側(cè)面新增加一段寬度為45 mm、厚度為15 mm的不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)止水面，與閘門預(yù)壓式橡膠止水配合使用。

2.4 工作閘門底水封修復(fù)

閘門底水封原止水材料為不銹鋼材質(zhì)（2Cr13），底水封修復(fù)后，在底水封處加裝輔助橡膠止水水封，橡膠止水與鋼制止水互為補充，共同作用。輔助橡膠水封形式為條形水封，止水橡膠厚12 mm，水封壓板厚10 mm，壓板材質(zhì)為1Cr18Ni9Ti不銹鋼，水封及水封壓板采用沉頭螺釘固定?？刂崎l門底水封安裝尺寸結(jié)構(gòu)，保證閘門落至底坎位置時橡膠止水2 mm壓縮量。

為避免閘門啟閉過程新增的底輔助止水與門槽磨碰，新增輔助水封及壓板整體寬度尺寸控制在22 mm。底水封與側(cè)水封在現(xiàn)場使用冷粘劑粘接。側(cè)、頂、底預(yù)壓式止水通過門葉上的溝槽連成一個整體，最大程度保證止水線的完整性。

3 門槽及閘門剛止水修復(fù)

3.1 門槽底坎改進修復(fù)

門槽底坎原密封截面結(jié)構(gòu)為“T”字形，材質(zhì)為巴氏合金，是一種具有減摩特性的錫基和鉛基軸承合金，巴氏合金軟基體上分布著硬顆粒相的低熔點軸承合金，特點是在軟相基體上均勻分布有硬相質(zhì)點，軟相基體使合金具有非常好的嵌藏性、順應(yīng)性和抗咬合性，并在磨合后，軟基體內(nèi)凹，硬質(zhì)點外凸[2-5]，上凸的硬質(zhì)點起支承作用。因重載閘門坐落在巴氏合金上就會使其軟基體內(nèi)凹，一旦過流就容易使其表面產(chǎn)生汽蝕，待閘門再關(guān)閉后汽蝕處就容易形成高壓縫隙流，極易使止水面被嚴重破壞，故將門槽底坎止水更換為不銹鋼2Cr13材質(zhì)，2Cr13為馬氏體不銹鋼，具有優(yōu)良的耐磨、耐蝕性。

具體工藝流程為：將原門槽底坎密封面巴氏合金扣出，制作“T”形2Cr13條塊進行嵌裝，嵌塊寬120 mm，總長3.46 m，分3段，現(xiàn)場拼焊成整體，拼裝時保證節(jié)間錯牙不超過0.5 mm、高差小于1 mm。安裝完成后整體灌漿，以保證“T”形塊與底坎基座充分接觸，確保整體強度。在將新制作“T”形塊放入密封槽前先將兩段的端頭進行單邊15°的倒角處理，坡口深度8~10 mm，將不銹鋼緊貼在槽內(nèi)后點焊，每段點焊長度控制在20~30 mm以保證焊接變形量。

3.2 剛止水研磨修復(fù)

采用研磨門槽、閘門剛止水的方法處理門槽、閘門高點及相互配合間隙，用0.03 mm塞尺每隔100 mm做一個測點，測量點不得貫穿，以保證改造后的閘門與門槽剛性止水面密封性符合設(shè)計要求。具體施工流程為：在清洗干凈的剛止水表面涂抹紅丹粉,將閘門下落離門槽底坎約5 mm停止，利用千斤頂從上游門葉左右兩側(cè)施加20 t的荷載，強迫門葉剛止水表面緊靠門槽的水封面，減少千斤頂荷載，使門葉繼續(xù)降至底坎。記錄并測量過程中門槽及門葉配合高點及配合間隙，研磨處理上述過程中不合格的位置，并重復(fù)以上過程，最終達到閘門門葉與門槽在止水配合面每100 mm范圍內(nèi)間隙小于0.03 mm的合格標準。研磨過程中采用分多層多道方式進行，同時為避免研磨過量，預(yù)留0.05~0.08 mm不打磨，改用細砂紙研磨直至合格，采用塞尺、透光性來檢查配合間隙。

4 剛止水修復(fù)效果評估

閘門及門槽剛止水修復(fù)完成后，尚未安裝輔助水封前，進行剛止水靜水密閉試驗，驗證剛止水修復(fù)效果。在充水高程大于原設(shè)定高程狀態(tài)下，測量1號、2號、3號、4號底孔工作閘門剛止水閘門漏水量，每次測量3次取平均值，最終閘門漏水量見表1。按照NB/T 35045-2014《水電工程鋼閘門制造安裝及驗收規(guī)范》要求，閘門在承受設(shè)計水頭壓力下，通過任意1 m長止水范圍內(nèi)漏水量不應(yīng)超過100 ml/s[6]，由表1可以看出，經(jīng)修復(fù)過的1號~4號底孔工作閘門剛止水密封性遠高于標準要求。

5 結(jié)語

本文介紹了行業(yè)內(nèi)首例對高水頭鋼閘門剛止水的改造修復(fù)研究與應(yīng)用，通過研究分析剛性止水型式閘門的門槽與門葉的特殊幾何形狀，剛止水形式水流出流不平順性、高水頭閘門水密封水力學(xué)設(shè)計復(fù)雜性的特點，同時也考慮在窄門槽內(nèi)安裝和修復(fù)止水密封、更換滑道的可行性，結(jié)合底孔工作閘門現(xiàn)場實際情況，研究后提出了修復(fù)門槽底坎止水、研磨門槽止水面的止水修復(fù)方法，以及剛性止水與預(yù)壓式止水聯(lián)合使用的止水改進方法。通過閘門修復(fù)后的試驗數(shù)據(jù)，證明國內(nèi)首次實施高水頭窄門槽剛性止水改造修復(fù)設(shè)計和實踐探索是成功的, 這一成功經(jīng)驗為同類型閘門的設(shè)計及運行修復(fù)都提供了很好的借鑒經(jīng)驗。