２０１０年３月 水利水电快报ＥＷＲＨＩ 第３１卷第３期 ～ 文章编号：１００６－００８１（２０１０）０３－０００１－０５ ～管一 一苎 水工闸门的运行性能和安全要求 ［法］Ｊ．马尼奥等 摘要：水电站的安全和运行效率很大程度上决定于闸门的设计与性能。对水工闸门的各种类型和功 能，及其适宜的水电站、水头、运行性能和安全要求等各种条件进行了分析研究，强调对这种重要水工机械 设备的设计应予高度重视。 关键词：闸门；溢洪道；安全控制；控制装置 中图法分类号：ＴＶ６６３ 文献标志码：Ａ 各种水工建筑物，如水电站、航道、配水和排水设 备、灌溉综合设施等都需要有安全的控制装置，即所 是在水轮机本身的保护系统出现故障或压力钢管破 裂时，能够防止水电机组飞逸，保证快速切断水流。 谓水工机械设备，或更简单地说就是闸门。 因为水工建筑物的运行安全和功能有赖于这些 通常将这些闸门称为事故闸门。 为了保证闸门功能的有效性，重要的是不需要 水工机械设备，因此，其设计必须保证具有良好的运 行性能和安全性，以防范故障风险。 从业主规定的特定标准来看，他们对设计、尺寸 和布置等，都提出了某些强制性的要求。 从已建成的一些工程的反馈情况看，每个闸门 制造商都有自己的导则和建议。 闸门最重要，也是最普通的功能如下： 外部动力，就能在所有其他设备出现故障的情况下， 通过人为指令，靠自重来关闭闸门。因此，低摩擦闸 门就显得非常重要。 定轮闸门是应用较为广泛的一种。也可采用链 轮闸门，但是，因为它们的成本较高，所以只是将其 用于一些特定的场合，比如载荷很大或业主有特殊 的要求。 （１）能控制底孔和溢洪道泄洪； （２）在水轮机甩负荷的情况下，能够切断水流； （３）能够对水位与流量进行控制； （４）对船闸闸室进行有序和可控的开启和关 闭； 在水电站，也装备有各种其他类型的水工机械 设备，如进水口和尾水管叠梁、拦污栅和压力钢管。 所有这些部件在发电的安全和效率方面都有重要的 作用。与定轮闸门相比，它们的结构和操作更加简 单，几乎不受外界干扰。 按照水轮机的不同类型，可将事故闸门安装在 水轮机的上游或下游，不过功能会有所不同。 １．１上游闸门 （５）能够隔离任何一段水力系统。 为了完成以上的任何一项功能，基本上每扇闸 门都只是在需要时才关闭或开启，并且必须保持在 规定的位置。所有这些功能，必须无有害的振动，在 关闭时，必须保证止水。 对于混流式水轮机和立轴转桨式水轮机来说， 本文的重点是，在设计某些最常见类型的闸门 时，应考虑其功能、运行特性和实际要求。 通常是将闸门安装在水轮机上游的进水口建筑物 上。此时闸门的主要功能是：通过紧急切断水流来 １水电站闸门 安装在水电站水力管网中的闸门，其主要功能 收稿日期：２００９—１２—１８ 保护下游设备、维修水轮机和下游水道。出于维修 目的，这些闸门的正常关闭操作必须在静水中进行， 以防止设备产生不必要的超限应力。 ２０１０年３月 水利水电快报 ＥＷＲＨＩ 第３ｌ卷第３期 必须在闸门两侧的压力达到平衡之后，在没有流 量的情况下开启闸门。闸门和水轮机之间的空间用 安装在闸门结构上的充水设备通过横向旁路系统充 水，或者按通常的做法在全水头下开启闸门５０～１００ ｍｌｎ，并在下游充水期间保持停止状态。将闸门保持 在该位置极其重要。在机组运行期间，闸门保持在全 开位置，如果发生紧急情况，可随时准备关闭。重要 的是，将闸门维持在门楣以上足够高的位置，通常留 有１５０—２００ ｍｍ的裕量，这样不会受入流的影响，也 不会干扰人流。油压储能装置、自动重新定位系统或 者甚至是机械锁，都可用来将闸门定位在开启位置， 而且这些装置均为自动旁路式，在紧急关闭情况下不 使用外部能源。当要切断水流而紧急关闭闸门时，动 水压力和摩擦力非常重要，应仔细考虑。 必须保守地计算操作装置的容量，使闸门的关 闭得到充分的保障。 动水压力和静水压力决定于闸门的唇部形状， 定义为面板和密封之间相对位置的函数。 （１）情况１：具有下游面板和下游密封的闸门， 导致水流汇聚（图１（ａ））。 （２）情况２：具有上游面板和上游密封的闸门， 导致水流扩散（图１（ｂ））。 （ａ） （ｂ） 图１闸门前缘形状 在情况１中，水流汇聚，闸门下部的流速增加， 因而压力下降，将闸门向下拉。许多水力模型研究 表明，对于在图１（ａ）中定义的唇倾角０小于４５。的 情况，闸门唇部下方和下游的水流不稳定，闸门有振 动和空化的危险。因为唇倾角越大，水流的水力条 件改变得就越显著，如果有可能，建议采用５０。的唇 倾角。 调整唇部的位置也是可行的。向上游方向移动 唇部可增加关闭时间，但同时也增加了操作装置的 容量。因此，必须找到一个适宜的方式，牢记闸门的 主要功能是无条件关闭。 在大多数情况下，操作装置的容量由将闸门保 持在中问位置所要求的力来确定，但还没有精确的 ．２． 分析方法来计算闸门底面上的压力分布。采用以上 闸门，在校核关闭时间时，应考虑较高的静态摩擦系 数。闸门可停止在任何位置，并从该位置重新开始 向下运行。在计算闸门关闭时的支撑力时，应考虑 闸门的滑移问题。 在情况２中，水流是扩散的，图１（ｂ）中定义的 唇倾角０的增加，可防止自由水流对这种闸门结构 的影响。因此，在这些闸门开启和关闭期间，实际上 没有动水压力，水流的水力条件较好。已经确认，唇 倾角不应小于２０。，如有可能，推荐为２５。。如果对 这种底部主梁法兰以不对称方式组装，可能会增大 唇倾角，如图１（ｂ）所示。 对有上游面板及密封的闸门，主要关心的是在 水轮机和进水口闸门之间的空间充水时，可能会发 生上托。在某些情况下，这种上托力大于下降力时， 闸门就向上弹起。通过几种模型研究，确认了闸门 后面自由开度的重要性，如图１（ｂ）中的Ｃ点所示。 已经核实，如果该宽度小于闸门开度，就会有上托力 大于下降力的风险。为防止这种情况出现，必须采 取一些预防措施，如： （１）在小开度时停开闸门。此开度至少小于尺 寸Ｃ，并要防止其进一步开启，直到水道完全充水； （２）维持闸门以慢速或者逐步地开启，在闸门 开度超过宽度Ｃ之前，保证水头的平衡； （３）在充水期间，提供外部旁路系统。 在模型试验期间观测到在闸门关闭的情况下， 闸门下游井中的水位下降很快，同时有大量的水留 在闸门结构内。在评估操作装置容量时，必须考虑 这种现象，同时闸门结构应配备排水孔，以避免发生 这种情况。 为了校核关闭时间，应考虑作用在上部密封和 底部密封上的水压力，以及面板的厚度。 对于前述两种结构情况，在不平衡压力条件下 开启闸门期间的水力性能，不仅受到唇倾角和形状 的很大影响，而且也受到闸门下游空间水流条件的 影响。就水轮机进水口而言，该空间充满了空气，因 此提供一个良好的通气系统极为重要。 当闸门完全开启时，往往会出现闸门垂直振动。 这种振动源于与闸门竖井中诱发的紊动区有关的压 力波动。在这种情况下，通过运用一组弹簧预载荷横 撑的摩擦作用，可达到降低这种垂直振动的目的。 定轮闸门的轮子可安装在简单的配备自润滑轴 瓦或球面滚柱轴承的支撑或悬臂轴上。根据尺寸， 闸门的门叶应由几个铰链元件组成，且各自有４个 ［法］ Ｊ．马尼奥等水工闸门的运行性能和安全要求 主轮，以帮助运输和保证所有轮子的负荷分布相等。 这些上游侧闸门的高度通常比宽度大，因此，闸 门运行趋于自导向。还应注意保持轮子的对中，防 止侧面导轨过载。 １．２下游低水头闸门 备上游球形阀，用于紧急和维修时的关闭，下游闸门 主要用于维修。 球形阀的特性和原理与其他类型的闸门不同， 因此不在本文讨论的范围内。 下游闸门安装在一个水密盖子下，通常是在一 个自稳定（ａｕｔｏ ｒｅｓｉｓｔａｎｔ）的钢壳内，由一台接力器操 作。其主要功能是将水泵一水轮机组与尾水隔离， 对于低水头转桨式水轮机和灯泡式水轮机，将闸 门安装在水轮机的下游侧是有利的，主要原因如下： （１）下游水道断面小于上游水道断面； （２）在下游切断水流，为水轮机提供更好的运 行条件； （３）可为大坝提供一种简便而经济的增大泄洪 能力的方法。 位于下游的闸门的基本功能与上游的闸门相 同。但在运行方式方面存在某些差异，主要是在紧 急关闭期间。关闭下游闸门时产生的水力过渡过程 在上游侧会形成过压，因此，必须控制闸门的关闭速 度。通常采用经过编程的关闭程序，以较高的关闭 速度开始，直到水轮机流量减小到小于水轮机飞逸 期间的流量水平，然后，再缓慢地关闭。这一过程可 限制水力过渡过程产生的过压约２０％。 与上游闸门相比，下游闸门的另一个特点是源 于水轮机涡流的较高振动水平。下游闸门的一个重 要功能是与水轮机组一起作为泄水闸门运行。这种 通过下游闸门的泄水运行能维持相当长的时间，因 为水轮机仅消耗１０％的水流能量，其余９０％的能量 则由闸门本身消耗。闸门保持在约３０％～４０％的 部分开启位置。 通过下游闸门的泄水，几乎可达到水轮机的满负 荷流量。这样可降低溢洪道的泄流能力，也可减少溢 洪道闸门的数量和尺寸。 在紧急关闭或泄水运行期间，下游闸门的运行条 件涉及闸门设计要考虑的特定要求，总结如下： （１）保证良好横向导向的可能性，通过采用弹 簧加载的横向导轮，承受不稳定流量。 （２）有２个球面滚柱轴承的主轮组件，摩擦力 小、对中良好，抵抗横向负荷。 （３）这些闸门通常很宽。门楣密封设计应考虑 结构变形补偿。 （４）对于闸门各部件，采用拉杆、球形螺母和垫 圈装配成一体，保证连接的良好柔性，以便主轮负载 分布更加均匀。 １．３下游高水头闸门 鉴于闸门涉及的高水头，通常水泵一水轮机配 以方便机组维修。当这是其唯一的特定功能时，则 它只在静水中操作，因此，可以采用滑动闸门。 这些阀门也可用于关断规定的从下游侧进人的 水流，在这种情况下，考虑是用自重关闭，因此，必须 采用定轮或甚至是履带式闸门。 不论是滑动型，还是滚子型闸门，其布置的主要 原理相同，目的是： （１）需要关闭时，可在流水或静水中关闭； （２）闸门关闭时，闸门是水密的，会释放任何上 游压力； （３）闸门开启时，没有振动； （４）不应关闭时，闸门不关闭。 为了便捷而安全地达到前２个目标，最好的解 决办法是将闸门带密封的一侧朝上游侧（即水轮机 侧），如果要求增加关闭时间，将闸门唇部转移到下 游侧即可。 这一点通过静水压力就可得到保证，避免使用 压载，而且轮子可以采用普通轴瓦，对于很长一段时 间无法进人的闸门，普通轴瓦也比球面滚子轴承可 靠得多。在负荷下，闸门叶的偏移会增加门楣密封 变形和水密性。最终为了释放上游压力，而将整个 门叶移位到下游，且不要求安装昂贵和潜在不可靠 的安全阀。 必须采用安装弹簧的反向导向装置控制下游位 移，这也将用于抑制闸门开启时的振动。应通过安 装在水电机组上的油压储能装置，确保闸门一直压 在水密盖上。 最后的目标同样重要，因为当液压回路或接力 器拉杆出现破裂故障时，会导致闸门意外关闭，这样 对水轮机组的运行会产生灾难性后果。以下是可以 预见达到的安全水准，以避免这种灾害的发生。 （１）上游球形阀和水泵水轮机组的电气“联 锁”； （２）油压储能装置中压力的控制； （３）只要闸门没有压在水密盖上，漂浮传感器 就能发挥作用。 但是，当出现故障时，或者在接力器拉杆断裂 ・ ・ ２０１０年３月 水利水电快报ＥＷＲＨＩ 第３１卷第３期 时，应考虑以下两项安全措施： （１）机械锁定系统。当闸门达到开启位置时， 自动投入。该系统由钩子构成，其尺寸可支持下落 的闸门叶。为了防止疲劳，这些钩子不与闸门叶永 久性接触，但一经接到“关闸”命令，必须自动释放。 （２）万一该系统也发生故障，下落的闸门叶将 在水压的作用下向下游方向位移。下游接触面应有 足够大的摩擦系数，以阻止其下落。 ２溢洪道闸门 溢洪道可采用的闸门种类较多，通常是根据运 行条件和液压控制要求进行选择，目前最常用的是 弧形闸门或翻板闸门。 以往，在开发弧形闸门之前，溢洪道配备的是简 单的或双体的圆辊闸门、定轮闸门或辊轴闸门。现 在，在弧形闸门的成本较高时，通常会将圆辊闸门用 于高尾水情况的流量或水位控制。 ２．１弧形闸门 弧形闸门是最常见的溢洪道闸门类型，成本不 高，而且能以其良好的液压性能以及完全或部分开 启的特点保证运行。弧形闸门不要求在横向墩中开 槽，与垂直提升闸门相比，水流的扰动小，流量系数 更好。 有时，尾水位可高于底槛高程，在消力池中产生 淹没流量和水跃。如果底槛或任何其他建筑物部件 受水跃冲击，闸门可能发生振动。 为了避免这种现象的发生，只要有可能，就必须 将闸门底槛移到更高的位置，或者增大闸门开度，将 水跃移到更远的下游点。 对于这些闸门，应建立运行规则，明确地指示水 位和闸门开度的范围，并禁止在超出的区域范围运 行。另一方面，如果闸门是弹簧负载型的，则通过由 闸门横向密封和横向导轮的摩擦负荷引起的阻尼力 来减弱振动振荡。 图２示出了典型的溢洪道弧形闸门。 ２．２翻板闸门 翻板闸门一是适用于对流量或水位的控制，二 是适用于需要进行精确的库水位控制，或保证水库 没有浮渣存在的情形。翻板闸门的一个重要优点是 过流能力强。 因为翻板闸门可以增加更多的支撑，所以可造 得很宽（６０ ｍ或以上）。但是与弧形闸门相比，在应 ・４・ 图２典型的溢洪遭弧形闸门 用上常常受到制造和安装费用较高的限制。 翻板闸门通常由抗扭强度很高的箱型结构组 成，单支饺就可运行。其结构布置在底部轴承上，用 铰链连接，配备有自润滑轴瓦。所有的支撑都必须 精确对齐。 翻板闸门要求大容量的起重机，因为除了闸门 重量和摩擦力以外，还必须承受闸门上面的水流。 也可将翻板闸门安装在弧形闸门的顶部，有时， 也将其安装在垂直升降闸门的顶部。这种布置有助 于下泄浮渣，也可供精确控制最高水位之用。 在泄水运行期间，为了避免不稳定性和操作负 荷有任何可能的增加，闸门叶以下的空间和溢流水 舌的掺气就显得尤为重要，而且可以在闸门叶顶部 增加断流装置或同时使用两个系统。 图３示出了典型翻板闸门和横断面。 ３底孑Ｌ闸门 底孔最常采用的闸门类型是滑动闸门、弧形闸 门和滚轮闸门（定轮或履带轮）。滚轮闸门的运行 特性和实际要求与上面提到的水电站水力系统中采 用的闸门相同，此处不再重复。 ３．１底孔弧形闸门 与溢洪道弧形闸门相比，底孔弧形闸门的主要 区别是采用门楣密封。因为水头更高，静水负荷和 水流速度更大，水流的不稳定现象会更严重。 门楣密封必须由两个密封型材组成，通常为双 层型材。上部密封型材直接固定到闸门叶上，闸门 关闭位置应为水密。下部密封型材用于阻止射流的 形成和在闸门部分开度时的某些不稳定现象。将其 ［法］ Ｊ．马尼奥等水工闸门的运行性能和安全要求 图３典型翻板闸门的横断面 固定在埋件上，在面板上工作，因此应完全用不锈钢 制造，或用不锈钢铠装。应特别注意其变形问题，包 括在闸门叶上的变形以及由支臂压缩引起的变形。 如果变形过大，将危及水密性。 对于很高的水头，耳轴应制造成偏心的，因此， 当闸门关闭时，通过辅助接力器，将闸门叶推向埋 件，以保持水密性。如果门楣和底孔密封遇到静水 压力，可引起大于摩擦力和自重力矩的开启力矩，因 而趋向于将闸门打开。因此，这些闸门通常采用双 作用的液压起闭机，或者为了增加其关闭的安全性， 也可用大量的混凝土甚至是钢材进行压载。 ・ ３．２滑动闸门 高水头滑动闸门主要用于底孔出流系统。这种 闸门在运行期间要承受很大的负荷，过流流速也非 常高。 这种闸门的设计必须考虑克服所有与底孔有关 的问题，归纳如下： （１）水力问题。因为负荷大、流速高，必须保证 提供足够掺气的适当流量，以防止振动和空化。通过 模型试验，可以研究闸门叶的底部形状，以及闸门槽 的尺寸，以优化运行负荷，尽量减少紊流和消散能量。 （２）结构问题。为了能够承受很高的动态和静 态负荷，闸门叶可由厚钢板制成。可通过焊接到闸 门上的青铜滑动片，以及焊接到钢衬上的不锈钢条 带的接触来保证其水密性。该闸门安装在一个用作 钢衬的单元体内。 ４导流建筑物闸门 导流的关闭通常是用滑动或定轮闸门实现。定 轮闸门配备有滑动垫。该滑动垫用玻璃纤维加强的 青铜或特殊低摩擦材料制成，能承受水库蓄水后的高 水头，且不影响闸门的结构。 出于安全原因，应当在所有的闸门关闭之后，在 低水位下关闭导流闸门。自水库蓄水开始，水位缓缓 上升，直到最高库水位。由于导流建筑物高程很低 （尤其在水库低部），因此底槛处的水头增加很多。 设计导流闸门的轮子和埋件时，以其能够承受 最大水头为条件是不实际的。因此，必须在闸门设 计中引进一个系统，以限制由轮子传递的静水负荷、 设计定义的参数值，以满足在规定压差水头下操作 闸门的要求。 一个常用的解决办法是将轮子组件定位在弹性 垫上，如图４所示。该垫将以大于闸门关闭操作结 束时能达到的最高水头的压差水头开始慢慢压缩。 图４轮子组件定位示意 限制传递静水负荷的另一个方法是利用轮轴支 撑，该支撑设计成在其达到某一预定负荷时即拉断。 然后，该闸门结构位移，直至达到轴承梁与埋件相接 触的位置。 在导流隧洞中关闭闸门时，要求切断流速非常 高的水流，有时在关闭操作期间，不能达到设计时所 预计的水力条件，因而会出现一些故障情况，比如， 当某些闸门锁在槽中时，要将它们重新打开，并使导 流隧洞仅部分关闭。因为导流设施在关闭后会遇到 高水头，曾导致过混凝土建筑物中的重大事故，后果 较为严重。 马元埏译自英刊《水电与大坝））２００９年第５期 黄守宣校 （编辑：赵秋云） ・ ．