摘要：近年來(lái)，為滿足大型工程的樞紐布置要求，閘門的孔口尺寸與擋水(運(yùn)行)水頭的組合參數(shù)越來(lái)越高，閘門的運(yùn)行工況越來(lái)越復(fù)雜，布置型式越來(lái)越多，本文總結(jié)了近年來(lái)工程實(shí)踐的多個(gè)案例，揭示了金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)和設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，突顯了金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的重要性。

　　關(guān)鍵詞：高水頭 大孔口 閘門 啟閉機(jī) 模型試驗(yàn) 新工況

　　金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備在電站工程設(shè)計(jì)各專業(yè)中是一個(gè)很小的部分，占工程投資造價(jià)比例也相當(dāng)小，但是，金屬設(shè)備的可靠運(yùn)行，關(guān)系到施工人員、運(yùn)行人員、沿河流兩岸老百姓的生命安全，關(guān)系到水工建筑物的運(yùn)行安全，關(guān)系到發(fā)電設(shè)備的運(yùn)行安全。每一個(gè)電站蓄水發(fā)電前均須通過(guò)有關(guān)部門的蓄水安全鑒定，其中，金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備是鑒定專家考核的重點(diǎn)。金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的重要性在電站建設(shè)后期和電站建成投產(chǎn)后，才慢慢突顯出來(lái)。做為設(shè)計(jì)者，必須未雨綢繆，對(duì)各種情況充分考慮，以如履薄冰的態(tài)度開展工作。

　　近年來(lái)，為滿足大型工程的樞紐布置要求，閘門的孔口尺寸與擋水(運(yùn)行)水頭的組合參數(shù)越來(lái)越高，閘門的運(yùn)行工況越來(lái)越復(fù)雜，布置型式越來(lái)越多，其中不乏高難度、高風(fēng)險(xiǎn)、突破現(xiàn)有技術(shù)的案例。下面就幾個(gè)方面談一談我們?cè)谠O(shè)計(jì)中的心得體會(huì)。

　　1. 關(guān)于高水頭弧形閘門

　　我院目前參與的工程中，高壩樞紐較多，因此遇到的高水頭弧形閘門比較多。比如：錦屏一級(jí)的放空底孔(5m´6m-131m)、深孔(5m´6m-91m)，官地的中孔(5m×8m-90m)，溪洛渡的深孔(6m×6.7m-104m)，瀑布溝的放空洞(6.5m×8m-126.28m)等等。

　　為實(shí)現(xiàn)高水頭的擋水要求，該類閘門普遍采用帶突擴(kuò)門槽的伸縮水封的止水型式，門葉結(jié)構(gòu)焊接并消除應(yīng)力后，面板機(jī)加工以保證與主止水的配合間隙，門槽焊接并消除應(yīng)力后數(shù)控加工以保證伸縮水封座板、壓板的體型，對(duì)工廠制造設(shè)備及加工工藝水平的要求很高，因此編制招標(biāo)文件時(shí)，對(duì)合格投標(biāo)單位的資格等要求應(yīng)更加嚴(yán)格，提出合理的設(shè)備、加工工藝、組裝工藝等技術(shù)能力及制造業(yè)績(jī)要求。

　　該類門葉結(jié)構(gòu)多為主縱梁結(jié)構(gòu)，按照左右兩半制造，工地安裝采用高強(qiáng)螺栓拼接成一體，每個(gè)安裝起吊單元重量較大(一般在45噸左右)。因此，對(duì)設(shè)計(jì)輸入資料的要求(主要是孔口尺寸)就要綜合工程的施工道路情況、工地現(xiàn)場(chǎng)安裝的起吊設(shè)備條件等因素，與上游專業(yè)充分協(xié)商，盡量降低安裝難度。

　　對(duì)高水頭弧形閘門(擋水水頭超過(guò)80m)，液(水)控伸縮止水和偏心鉸壓緊式止水是國(guó)內(nèi)外普遍采用的止水型式，均有應(yīng)用實(shí)例。偏心鉸壓緊式止水，對(duì)操作偏心鉸油缸的行程檢測(cè)與電氣聯(lián)鎖、油路系統(tǒng)的蓄能保壓要求較高，對(duì)偏心軸部分的材質(zhì)、機(jī)械加工要求高，現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試也有一定的要求，同時(shí)出口部分由于布置要求，水工結(jié)構(gòu)需相應(yīng)加長(zhǎng)，投資相對(duì)較大，但是，偏心鉸通過(guò)施加機(jī)械力，能適應(yīng)各種工況下門葉與門槽主止水之間間隙的變化，止水可靠性有保證，操作機(jī)構(gòu)均在啟閉機(jī)機(jī)房?jī)?nèi)且布置緊湊，油壓系統(tǒng)更易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，有利于檢修維護(hù)，可實(shí)現(xiàn)閘門在非強(qiáng)振區(qū)的局部開啟;液(水)控伸縮止水通過(guò)充水(建壓)充氣(卸壓)系統(tǒng)對(duì)水封背壓腔的壓力進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)水封的外伸與回縮，該系統(tǒng)管路復(fù)雜，系統(tǒng)管路的埋設(shè)須貫穿若干壩段(一套系統(tǒng)控制多孔)，與土建的交涉面多，施工時(shí)應(yīng)特別注意管路的埋設(shè)避免被雜物封堵，水封背壓腔的工作壓力值很難隨庫(kù)壓的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此水封材質(zhì)、質(zhì)量的要求極高，為保證成功卸壓，通常采用空壓機(jī)充氣排水與真空泵吸氣卸壓相結(jié)合的措施，弧門局部開啟時(shí)主止水禁止投入工作，主止水結(jié)構(gòu)件的制造及安裝要求高，但是，這種止水型式研究較多，水封材質(zhì)目前也有幾個(gè)廠家的產(chǎn)品能滿足要求，充水充氣系統(tǒng)也比較成熟，投資相對(duì)較低，若閘門操作方式僅全開全關(guān)，液控伸縮式止水還是一個(gè)不錯(cuò)的方案。

　　2. 關(guān)于大孔口事故閘門、工作閘門

　　泄洪建筑物的設(shè)計(jì)中，特別是隧洞式泄洪建筑物的設(shè)計(jì)，上游專業(yè)往往主要考慮的是泄流能力、建筑物的基礎(chǔ)地質(zhì)條件、工程造價(jià)等主要因素，主要的矛盾解決后，難題就留給了金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)。目前大孔口的工程還是比較多，比如：深溪溝泄洪洞進(jìn)口15.5m×18.12m-44m事故閘門，錦屏一級(jí)泄洪洞12m´15m-50m事故閘門、13m´10.5m-55m弧形閘門，溪洛渡泄洪洞12´15-55m事故閘門、14m´12m-65m弧形閘門，長(zhǎng)河壩開敞式泄洪洞17m´17m-16.5m弧形閘門，草街沖砂閘14.8m´25.5m-25m弧形閘門等等。深孔閘門承受的水壓力均是上萬(wàn)噸的水平，平面滑動(dòng)閘門的支承裝置承載特別大，通常支承滑道沿門葉高度方向幾乎布滿，滑道的計(jì)算線壓強(qiáng)超過(guò)5kN/mm;表孔閘門孔口高度均較高，為滿足泄流曲線的要求，閘門的開度較大，為滿足液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的行程、容量等組合參數(shù)，尚須綜合考慮液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的制造安裝技術(shù)水平，特別是流道底板為水平體型的結(jié)構(gòu)時(shí)，布置較困難;大孔口帶來(lái)的問(wèn)題是一個(gè)量變到質(zhì)變的嚴(yán)重問(wèn)題，影響到閘門封水可靠性、閘門結(jié)構(gòu)安全性、啟閉機(jī)的制造安裝技術(shù)性突破、啟閉機(jī)及閘門操作運(yùn)行的安全性等等一系列復(fù)雜的環(huán)節(jié)。

　　3. 關(guān)于閘門水力學(xué)及流激振動(dòng)模型試驗(yàn)工作的開展

　　工程樞紐的設(shè)計(jì)，包括各個(gè)重要水工建筑物的設(shè)計(jì)，水力學(xué)、水流消能及流激振動(dòng)等等問(wèn)題尚不是通過(guò)理論計(jì)算就能認(rèn)識(shí)清楚的，往往需要進(jìn)行各種方案的模型試驗(yàn)進(jìn)行比較驗(yàn)證，有的甚至只有通過(guò)模型試驗(yàn)才能認(rèn)識(shí)到設(shè)計(jì)方案的問(wèn)題所在。水利樞紐無(wú)論大小，均須進(jìn)行泄流能力、泄洪消能、流態(tài)觀測(cè)等內(nèi)容的模型試驗(yàn)，工程的重要泄洪建筑物、高水頭大流量引水調(diào)壓保壓建筑物等等尚需進(jìn)行單體模型試驗(yàn)研究。金屬結(jié)構(gòu)所研究的問(wèn)題與水工建筑物是相似的，僅研究對(duì)象有混泥土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的差別，因此對(duì)于重要部位的金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)該通過(guò)模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證和科學(xué)認(rèn)知。例如：利用水柱閉門的事故閘門動(dòng)水閉門過(guò)程中閘門各方位的時(shí)均壓力值(計(jì)算持住力的依據(jù))、高速水流門槽體型的試驗(yàn)驗(yàn)證、高水頭動(dòng)水啟閉(甚至有局開工況)的工作閘門流激振動(dòng)危害性的認(rèn)知、新型設(shè)備布置條件下的設(shè)備工作情況認(rèn)知等等。

　　但是，重要建筑物的單體模型試驗(yàn)研究重點(diǎn)是進(jìn)行整體的水力學(xué)相關(guān)研究，為滿足模型試驗(yàn)設(shè)備、場(chǎng)地等條件的要求，通常模型比尺較小(大多是1：60以下)，由于金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備規(guī)模相對(duì)于水工建筑物單體的規(guī)模較小，如果將閘門、啟閉機(jī)考慮在這樣的模型中，是不可能模擬出閘門結(jié)構(gòu)的真實(shí)體型的，也不可能在微小的閘門模型上裝設(shè)試驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備。因此，必須根據(jù)試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)人員技術(shù)能力、場(chǎng)地等情況進(jìn)行較大比尺(通常在1：30以上)的細(xì)部模型試驗(yàn)，充分認(rèn)知金屬結(jié)構(gòu)在不同運(yùn)行工況下的各種規(guī)律。同時(shí)，有條件時(shí)還應(yīng)盡量增加模型的比尺，降低模型試驗(yàn)的比尺效應(yīng)。

　　4. 關(guān)于有施工期擋水要求的閘門

　　水電工程建設(shè)周期較長(zhǎng)，短的三五年，長(zhǎng)的十來(lái)年，原則上考慮制造安裝技術(shù)能力及便于靈活調(diào)度，發(fā)電機(jī)組都是多臺(tái)布置，隨著工程的建設(shè)進(jìn)度，水工建筑物達(dá)到一定規(guī)模并滿足機(jī)組發(fā)電死水位的蓄水面貌時(shí)，均存在首臺(tái)機(jī)發(fā)電其余機(jī)組繼續(xù)安裝調(diào)試的工況特點(diǎn)，此時(shí)，繼續(xù)安裝調(diào)試的機(jī)組的進(jìn)(尾)水口流道往往需要采用已經(jīng)安裝調(diào)試后的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備進(jìn)行擋水。與首臺(tái)機(jī)組相關(guān)的設(shè)備受到重點(diǎn)關(guān)注，安裝調(diào)試的質(zhì)量比較讓人放心，但是，由于諸如搶工期等種種原因，其余需要擋水的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備往往沒(méi)有進(jìn)行很好的安裝和調(diào)試，有的甚至連啟閉設(shè)備都沒(méi)有安裝，閘門均是通過(guò)其它設(shè)備(如壩頂門機(jī)、施工起吊設(shè)備等)放入孔口，閘門沒(méi)有進(jìn)行無(wú)水試運(yùn)行試驗(yàn)，水封與門槽的配合沒(méi)有得到驗(yàn)證，帶來(lái)的后果是初期蓄水時(shí)閘門漏水量偏大，危急到下游流道的施工及后續(xù)發(fā)電機(jī)組的正常安裝。

　　5. 關(guān)于下放生態(tài)流量的閘門

　　對(duì)于長(zhǎng)引水隧洞式水電站，壩與廠房之間的距離較遠(yuǎn)，長(zhǎng)達(dá)幾公里到數(shù)十公里，電站枯水期運(yùn)行時(shí)，區(qū)間幾乎沒(méi)有流量，這種工況對(duì)區(qū)間河床的生態(tài)影響是巨大的，從環(huán)境保護(hù)的角度，必須有可靠的措施實(shí)現(xiàn)區(qū)間生態(tài)流量的控泄。為保證泄放生態(tài)流量相對(duì)穩(wěn)定，綜合考慮壩前水位的正常變幅，下泄流道的斷面必須具有隨水位變化的調(diào)節(jié)功能。

　　對(duì)于新建工程，考慮到閘門局開時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，與閘門結(jié)構(gòu)型式、流道體型、水流狀態(tài)、啟閉機(jī)型式等等因素均有密切關(guān)系，這里面有水力學(xué)、彈塑性力學(xué)、振動(dòng)力學(xué)等問(wèn)題，未能認(rèn)知的東西太多，風(fēng)險(xiǎn)較大，應(yīng)該盡量避免采用閘門局開控泄，應(yīng)優(yōu)先考慮埋設(shè)單獨(dú)的生態(tài)供水管道，并在出口設(shè)錐型閥進(jìn)行調(diào)控及消能，這種措施相對(duì)安全可靠。

　　6. 關(guān)于長(zhǎng)引水隧洞調(diào)壓井設(shè)快速閘門的擔(dān)憂

　　發(fā)電機(jī)組以及廠房安全的保護(hù)，在水電站布置設(shè)計(jì)中是很重要的，相關(guān)規(guī)范對(duì)機(jī)組的保護(hù)也有比較明確的要求。對(duì)于長(zhǎng)引水隧洞，且機(jī)組引用流量較大、水頭較高時(shí)，往往現(xiàn)階段水機(jī)專業(yè)涉及的設(shè)備的動(dòng)水保護(hù)作用不可靠(如筒閥)或因引用流量大現(xiàn)有設(shè)備不能滿足尺寸規(guī)模(如蝶閥)，機(jī)組的保護(hù)重?fù)?dān)又落到了金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備上。

　　一般這種引水型式均設(shè)有上游調(diào)壓井，并在壓力鋼管的前端設(shè)事故閘門，若采用事故閘門保護(hù)機(jī)組，必然要有快速關(guān)閉的時(shí)間要求。目前水機(jī)專業(yè)通常提出的關(guān)閉時(shí)間要求很短(大多是2分鐘)，考慮到啟閉設(shè)備的運(yùn)行速度，快速閘門平時(shí)一般要停放在孔口上方1～2m的位置，并依賴啟閉設(shè)備持住。由于這類布置型式的機(jī)組引用流量大、水頭高，甩負(fù)荷產(chǎn)生的涌浪較高，而且涌浪的流態(tài)與調(diào)壓井的結(jié)構(gòu)型式、阻抗孔的細(xì)部結(jié)構(gòu)、門槽的細(xì)部結(jié)構(gòu)、涌浪發(fā)生時(shí)對(duì)應(yīng)的水頭和流量、機(jī)組導(dǎo)葉的有效關(guān)閉情況等等因素均有密切關(guān)系，很復(fù)雜，難以認(rèn)知。通常啟閉設(shè)備的布置高程需要高于調(diào)壓井的最高涌浪水位并滿足閘門安裝、檢修條件，啟閉設(shè)備與閘門之間有相當(dāng)遠(yuǎn)的距離，需要通過(guò)一定的設(shè)備進(jìn)行連接。有快速關(guān)閉要求的事故閘門停放在孔口上方時(shí)，涌浪對(duì)其的影響難以判斷。但可以判斷，涌浪對(duì)閘門產(chǎn)生的浮力和橫向的擾動(dòng)是較大的，涌浪威脅著閘門及啟閉設(shè)備、連接設(shè)備的運(yùn)行安全，后果難以估計(jì)。大則連接設(shè)備破壞、閘門失去持住、啟閉機(jī)發(fā)生破壞，進(jìn)而失去對(duì)機(jī)組的保護(hù)作用;小則設(shè)備發(fā)生移位或變形，失去正常的配合關(guān)系，從而影響設(shè)備以后的正常運(yùn)行。

　　目前已有一些工程采用這樣的模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，如：瀘定調(diào)壓井快速事故閘門(8.5m´9m-50.6m)、黃金坪調(diào)壓井快速事故閘門(8.6m´9.6m-47.64m)，均采用液壓?jiǎn)㈤]機(jī)通過(guò)較長(zhǎng)的拉桿裝置操作閘門。是否可靠安全尚未經(jīng)極端工況下的運(yùn)行檢驗(yàn)。

　　楞古電站目前正在搞預(yù)可研設(shè)計(jì)，其調(diào)壓井快速事故閘門(6.8m´8.8m-120m)，水頭參數(shù)很高，鑒于認(rèn)知水平及上述擔(dān)憂，擬采用在調(diào)壓井后另設(shè)閘室的布置方案，液壓?jiǎn)㈤]機(jī)布置在較底的高程，滿足閘門的正常開度即可，啟閉機(jī)機(jī)架與門槽埋件的上端部采用可靠的密封措施。這種布置使閘門與啟閉機(jī)之間的距離較短，且流道反向水擊快速擴(kuò)散到閘門上游的調(diào)壓井內(nèi)，可以判斷對(duì)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的不利影響會(huì)大大減小。但是，土建結(jié)構(gòu)需要增加建筑物的設(shè)置(如：?jiǎn)㈤]機(jī)洞室的布置、交通洞的布置等)，工程造價(jià)也會(huì)增加不少。當(dāng)然這樣的增加換來(lái)的是設(shè)備的安全可靠運(yùn)行，還是值得的。

　　7.結(jié)語(yǔ)

　　天降大任于斯人，我輩同仁風(fēng)華正茂，趕上了國(guó)家水電開發(fā)的高峰期，在火熱地投入這場(chǎng)轟轟烈烈的建設(shè)中時(shí)，必須保持冷靜的思維，努力學(xué)習(xí)認(rèn)知、善于總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、主動(dòng)戒除浮躁、克服不理智的冒進(jìn)行為，以科學(xué)的方法開展工作。針對(duì)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的設(shè)計(jì)，要追求設(shè)備簡(jiǎn)單實(shí)用、低風(fēng)險(xiǎn)、高可靠性，在確保技術(shù)合理的前提下，盡量節(jié)省工程投資。