糯扎渡水电站泄洪底孔工作闸门设计总结
马仁超 崔 稚 余俊阳 李 荣
（中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司 云南昆明 650051）
摘 要：糯扎渡水电站左右岸泄洪隧洞弧形工作闸门具有孔口尺寸大、设计挡水水头高的特点，本文总结了泄洪隧洞弧形工作闸门的结构、水封系统、门槽等的设计情况。结合工程实际运行，总结了实际运行及原型观测等工作情况。
关键词：泄洪底孔工作闸门 弧形工作闸门 门叶结构主框架 充压水封 突扩突跌门槽 原型观测 糯扎渡水电站
1 概述
糯扎渡水电站位于云南省普洱市境内，是澜沧江中下游河段梯级规划“二库八级”中的第五级，电站装机容量585万kW，电站保证出力为240.6万kW，多年平均发电量239.12亿kW·h，水库总库容237.03亿m3，具有多年调节特性。
电站枢纽在左右岸各设一条泄洪隧洞，左右岸泄洪隧洞的主要功能为宣泄洪水及放低水库。右岸泄洪隧洞在电站建设蓄水初期参与向下游供水。左岸泄洪隧洞在校核洪水位时最大泄量为3339m3/s，右岸泄洪隧洞在校核洪水位时最大泄量3313m3/s。左岸泄洪隧洞弧形工作闸门设计参数为5.0m×9.0m—103.00m（净宽×净高—设计水头），底槛高程为715.00m，总水压力为7.41×104kN。右岸泄洪隧洞弧形工作闸门设计参数为5.0m×8.5m—126.00m（净宽×净高—设计水头），底槛高程为692.357m，总水压力为8.48×104kN。
2 设备布置
糯扎渡水电站左右岸泄洪隧洞，分别布置在大坝左岸、右岸。右岸泄洪隧洞在隧洞入口段设置进水塔，塔身中设置事故闸门，事故闸门后设置工作闸门及相应的启闭设备，左岸隧洞闸门及启闭机设备布置在隧洞中部。
2.1 左泄工作闸门设备布置
为控制闸门孔口尺寸，左岸泄洪隧洞在进口段，由中墩将流道一分为二，设置了2孔2扇弧形工作闸门。弧门面板曲率半径为15.0m，支铰高度为12.5m，支承跨度为3.8m，支臂夹角33.45°，支铰与水平线夹角34.61°（水推力夹角），采用直支臂、主纵梁结构，铰轴为圆柱铰支承。
闸门设两套止水，即一套主止水，一套辅助止水。辅助止水为常规水封，主止水采用充压水封。配合充压水封的使用，采用突扩突跌门槽。
2.2 右泄工作闸门设备布置
右岸泄洪隧洞也在隧洞中段设中墩将孔口一分为二，设置了2孔2扇弧形工作闸门，详见图1和图2。
图1 右岸泄洪隧洞弧形工作闸门设备布置图（高程单位：m，尺寸单位：mm）
图2 左岸泄洪隧洞弧形工作闸门设备布置图（高程单位：m，尺寸单位：mm）
弧门面板曲率半径为15.0m，支铰高度为12.5m，支承跨度为3.8m，支臂夹角30.55°，支铰与水平线夹角36.5402°（水推力夹角），采用直支臂、主纵梁结构，铰轴为圆柱铰支承。闸门设两套止水，即一套主止水，一套辅助止水。主止水采用充压水封，辅助止水为常规水封。配合充压水封的使用，采用突扩突跌门槽。
3 闸门结构设计
闸门框架结构和主框架结构形式是弧形闸门结构设计的主要工作内容。
3.1 闸门框架基本参数选择
弧形闸门的基本布置参数中，闸门支铰高度和弧门半径是两个关键的参数，它们共同决定了弧形门基本布置是否协调合理。布置协调合理的弧门一般受力较好，运行平稳，并直接影响着弧门整体结构的经济性及安全性。一般情况下潜孔式弧形闸门面板曲率半径与闸门高度的比值为1.1～2.2。弧形闸门面板曲率半径适当短些，可减小面板工程量及增大支臂刚度，曲率半径适当长些，对降低启闭机容量有一定好处。弧形闸门支铰宜布置在过流时不受水流及漂浮物冲击的高程上，深孔式弧形闸门的支铰位置可布置在闸门底槛以上1.1 H处（H为门高），糯扎渡泄洪底孔弧形工作门、门叶布置详见图3和图4。
图3 左岸泄洪隧洞弧形工作门叶总图（单位：mm）
图4 右岸泄洪隧洞弧形工作门叶总图（单位：mm）
经过分析、比较，糯扎渡左右岸泄洪隧洞弧形工作闸门的面板曲率半径均取为15.0m，支铰高度均取为12.5m。
3.2 主框架结构型式
弧形闸门的结构布置是闸门设计计算分析的基础，弧形闸门主框架结构有主横梁式框架结构、主纵梁式框架结构、双向平面主框架结构即“井”字形结构。在糯扎渡电站隧洞弧形工作闸门的设计过程中，从主框架结构型式到门叶结构的布置原则进行了比较分析，通过比较选择了采用双向平面主框架的结构布置形式。该结构可以提高弧门的整体刚度与抗震性能，进而提高弧门的整体承载能力。
主框架作为弧形闸门的主要承重结构，承受面板以及各次梁传来的水压力，然后将该力传给支铰，主框架对于弧形闸门的设计至关重要。
根据主梁的布置，弧形闸门主框架的基本型式主要有主横梁式和主纵梁式。对于扁而宽的孔口，多采用主横梁式框架结构；高而窄的孔口，多采用主纵梁式框架结构型式。糯扎渡左右岸泄洪隧洞弧形闸门的孔口尺寸分别为5.0m×9.0m和5.0m×8.5m（净宽×净高），宽高比值分别为1.8和1.7，属于窄而高的孔口。
由结构力学理论，对空间结构进行布置和选型时，在满足结构强度、刚度及稳定性要求的前提下，尽量使结构各构件的内力及应力分布均匀，以节约工程量。经过充分的研究，糯扎渡泄洪隧洞左右泄弧形工作闸门主梁与支臂处均采用“井”字形结构，这种结构的关键是支臂翼缘板与对应主纵梁的腹板一一对应，在结构上构成“井”字形结构，这种布置型式可以提高弧门的整体刚度与抗震性能，进而提高弧门的整体承载能力。
4 闸门水封系统设计
高水头弧形闸门止水型式的选择和具体布置设计是闸门设计的核心关键问题之一。如果设计考虑不周或制造、安装质量控制不佳，均会引起闸门缝隙射水，并导致闸门振动、埋件空蚀破坏。高水头弧门止水型式主要有以下两种：一种是充压伸缩式水封（液压伸缩变形止水）；另一种是偏心铰压紧式水封。根据糯扎渡水电站左右岸隧洞弧形工作闸门的设计参数、水库水质，选择充压伸缩式水封作为闸门的主水封。
充压伸缩式水封结构，一般布置在突扩门槽处，其结构主要包括水封橡胶、压板、充压腔及金属底座。从目前国内外工程应用资料看，水封断面型式虽然各有不同，但一般以“山”字形断面为主；对于充压腔，有的工程设计有充压袋。
糯扎渡水电站左右岸泄洪隧洞弧形工作闸门，采用“山”字形水封和充压腔的结构型式，并在分析水封受力特点的基础上，分别设置了内压板和外压板。
从水封静态变形及动态封水试验情况来看，压板型式对水封动态封水背压的影响主要有两个方面：一是水封头部外伸量；二是水封头部的偏转。减小压板对水封的变形约束，可增加水封头部的外伸量，对减小动态封水背压有利；但同时增大了动态封水时水封头部的偏转，对设备运行不利。因此，应通过静态变形及动态封水试验综合分析，选择适当的压板型式以减小封水背压，从而减轻背压加压系统运行操作的难度。
糯扎渡充压水封结构设计详见图5，充压水封压板结构型式设计详见图6。
图5 糯扎渡充压水封结构图
图6 糯扎渡充压压板结构型式
5 门槽埋件设计
高水头弧形闸门门槽体型及结构对闸门安全、可靠运行十分关键，门槽体型及结构设计不合理可能导致闸门出口水流紊乱，进而导致闸门出现振动等不利工况，门槽体型设计不合理可能导致门槽边壁补气不充分，进而导致门槽出现气蚀等不利情况。采用充压伸缩式水封的闸门门槽结构，在主水封充压腔及压板的设计时，既要考虑确保水封头能顺利地伸出、缩回，又要防止水封在高水头下挤入面板与水封压板之间，造成水封的损坏。
充压式高水头弧形闸门的Ω形主止水元件布置在门槽上，形成一连续封闭型止水结构。通过对Ω形止水元件背部充压，使止水元件克服库水压力后外伸，紧压在闸门面板上达到止水的目的。基于Ω形主止水元件的布置需要，门槽需要做成突扩突跌型，即门槽侧部和底部均需要突扩一定的距离。
充压式高水头弧形闸门采用突扩突跌式门槽，在门槽的底部形成底空腔，在门槽的侧部形成侧空腔，门槽突扩、突跌尺寸需要通过水力学试验确定，试验时需根据门槽各部分（包括门槽前、后、顶、底、侧）的压力分布、补气情况、补气管风速、门后水流衔接情况及水面曲线，推荐出最佳门槽体型和尺寸。门槽侧部突扩尺寸应使闸门在最高操作水头下不致出现水舌打边墙的情况出现。
门槽突扩、突跌后形成了门槽的侧空腔、底空腔，在高水头下侧空腔、底空腔与大气连接，实现了门槽的侧部、底部的补气需要。但门槽底部仅仅靠侧空腔、底空腔形成的通道补气还满足不了要求，往往还需要设计专门的底孔腔补气通道，即在门槽的侧部设置专门的底空腔补气孔。
6 实际运行及原型观测
6.1 实际运行情况
糯扎渡右岸泄洪隧洞弧形工作闸门于2012年3月投入使用，其中右岸泄洪隧洞弧形工作闸门经历了3个汛期的运行，运行时间2000多个小时，其中有1000多个小时是在水头大于80m的工况下进行局部运行，操作次数达100多次，闸门运行平稳可靠，闸门经受了严峻的考验。左泄与右泄同时投入使用，长期在设计工况下挡水，2014年经历了泄洪考验，闸门运行平稳可靠。
6.2 原型观测成果
2014年8—9月，对糯扎渡水电站闸门泄洪洞弧形工作闸门开展了原型观测试验。这次原型观测对闸门结构应力、变形测量、动力特性等特性开展了实际测量，以掌握闸门在高水头、大流量工况下的结构应力、变形量、振动加速度动力特性等，以便指导闸门的安全运行。
原型观测是在特定库水位时对闸门进行启闭操作。闸门启闭过程中经历全关—20%开度—40%开度—60%开度—80%开度—全开—全关等工况，每个工况停留5min。
6.2.1 左岸泄洪隧洞弧形闸门原观结论
（1）左岸泄洪洞1号弧形工作闸门挡水工况下，结构计算应力和各测点的静应力均小于许用应力。通过比对分析，左岸泄洪洞1号弧形工作闸门的有限元分析计算结果与测试结果趋势基本一致。闸门结构的强度满足规范要求。
（2）左岸泄洪洞1号弧形工作闸门启闭运行工况下（库水位805.93m），根据原型观测的成果，各测点的动应力均小于许用应力。闸门结构的强度满足要求。
（3）闸门挡水工况下，左岸泄洪洞1号弧形工作闸门上主梁最大挠度为0.7mm，下主梁最大挠度为0.4mm，小于主梁允许挠度5.07mm；闸门结构的刚度满足要求。门叶总体后退变形计算值为6.71mm，原型观测值为3.4mm，小于水封适应变形，满足使用要求。
（4）试验工况下，通过有限元计算分析的变形值与测试值的比对分析，左岸泄洪洞1号弧形工作闸门各测点的计算总位移值与位移测量值趋势一致，计算值均大于测试值。闸门结构的刚度满足要求。
（5）闸门启闭过程中，在全开的状态下，各测点的特征值均为最大，最大达2.1m/s2，此时闸门的最大振动位移为0.38mm，根据美国阿肯色河通航枢纽中提出的以振动位移均方根值来划分水工钢闸门振动强弱的标准，左岸泄洪洞1号弧形工作闸门在试验过程中的振动属于中等振动，不影响闸门的安全运行。
（6）基于振动时程响应包络线的判断方法，在振动特征值最大开度，在水流激励的作用下，其振幅稳定，并且无持续增大的趋势。因此，左岸泄洪洞1号弧形工作闸门在该工况下未发生共振。
6.2.2 右岸泄洪隧洞弧形闸门原观结论
（1）右岸泄洪洞2号弧形工作闸门挡水工况下，结构计算应力和各测点的静应力均小于许用应力。通过比对分析，右岸泄洪洞2号弧形工作闸门的有限元分析计算结果与测试结果趋势基本一致。闸门结构的强度满足规范要求。
（2）右岸泄洪洞2号弧形工作闸门启闭运行工况下（库水位803.92m），根据原型观测的成果，各测点的动应力均小于许用应力。闸门结构的强度满足要求。
（3）闸门挡水工况下，右岸泄洪洞1号弧形工作闸门上主梁最大挠度为0.6mm，下主梁最大挠度为0.4mm，小于主梁允许挠度5.07mm；闸门结构的刚度满足要求。门叶总体后退变形计算值为7.20mm，原型观测值为3.8mm，小于水封适应变形，满足使用要求。
（4）试验工况下，通过有限元计算分析的变形值与测试值的比对分析，右岸泄洪洞2号弧形工作闸门各测点的计算总位移值与位移测量值趋势一致，计算值均大于测试值。闸门结构的刚度满足要求。
（5）闸门启闭过程中，在全开的状态下，各测点的特征值均为最大，最大达1.5m/s2，闸门的最大振动位移为0.0754mm，根据美国阿肯色河通航枢纽中提出的以振动位移均方根值来划分水工钢闸门振动强弱的标准，右岸泄洪洞2号弧形工作闸门试验过程中的振动属于微小振动，不影响闸门的安全运行。
（6）基于振动时程响应包络线的判断方法，在振动特征值最大开度，在水流激励的作用下，其振幅稳定，并且无持续增大的趋势。因此，右岸泄洪洞2号弧形工作闸门在该工况下未发生共振。
7 结语
糯扎渡水电站左右岸泄洪隧洞弧形工作闸门属于大孔口、高水头、大泄量的底孔弧形工作闸门，通过对使用工况的综合分析，并通过采用伸缩式止水技术、“井”字形结构布置，解决了此类闸门的设计难题，通过闸门实际运行和原型观测试验验证了闸门的设计技术成果。设计成果对今后类似闸门设计有借鉴作用。