右岸排泄洪排沙洞闸门及机器的操作

右岸放空泄洪排沙洞进口底板高程为2124.00 m，洞径为6 m，洞长为440 m，明流出流，洞出口底板高程为2110.00 m，是枢纽建成后高程最低的水道。该水道担负着水库的泄洪、冲沙及放空水库的任务，水库正常设计水位为2202.00 m。

（1）放空泄洪排沙洞事故检修闸门与启闭机

事故检修闸门位于隧洞进口，封堵的孔口尺寸为4.8 m×6 m（宽×高），设计水头按水库的正常蓄水位2202.00 m考虑，圆整后为78 m，总水压力为30870 kN。以往高水头事故检修门多采用滚轮支承，对于九甸峡水利枢纽泄洪洞进口事故门的设计，通过详细分析闸门的孔口尺寸和承压水头，对闸门采用滚轮支承和滑动支承进行了布置比较，从闸门及埋件的制造、安装难度及所配置的启闭设备的容量、运行，经过经济技术综合分析，最终确定采用平板滑动钢闸门配设高扬程大容量启闭机的方案。门叶为箱形主梁等高齐平连接的焊接结构。闸门利用水柱动水闭门，顶止水、侧止水设在闸门的下游面，底止水设在上游面板上。顶、侧水封采用高水头φ60 mm圆头“P”形水封橡皮，底水封采用平板橡皮。主支承采用新型复合材料NL150滑道。闸门的操作方式为动水闭门、静水启门，利用门槽下游侧专设的大口径充水阀充水平压，当闸门前后水位差小于2 m时启门。闸门侧导向装置为悬臂式滚轮，设在边梁的腹板上，在门槽侧轨上支撑运行。

闸门门槽形式为Ⅱ型门槽，为防止高速水流对门槽埋件的空蚀破坏，门楣以下上、下游均采用钢板衬护。混凝土采用抗滑耐磨的高强混凝土。为了保证闸门启闭无卡阻，门槽埋件采取通到墩顶设计。事故检修闸门采用1台高扬程平门固定卷扬式启闭机操作，启闭机布置在竖井顶部2219.50 m高程启闭机房内，其容量为1×6000 kN，起升高度为86 m，并配设1台500 kN桥式起重机满足其检修吊装需要。

（2）放空泄洪排沙洞工作闸门与启闭机

①偏心铰弧门的选取

泄洪排沙洞出口设置1扇工作闸门，孔口尺寸为5 m×5 m（宽×高），设计水头为92 m。工作门的特点是：孔口较大，承压水头高，运行工况复杂，要满足闸门全关时止水严密的要求，还要满足闸门局部开启要求及闸门启闭过程中止水摩阻力最小，在此工况下常规的闸门止水形式已不能满足要求。参考国内的工程实例，并通过对已建工程实例的实地调研，偏心铰压紧式止水适用于80 m以上水头的闸门。经过对止水形式比选研究，采用偏心铰支承能满足在92 m高水头下所需止水结构的伸缩量大且要求闸门能在设计水头下局部开启运行的特点，并且偏心铰可灵活地使闸门面板与止水压紧或脱开，具有减小启闭力及止水元件的磨损等优点。通过分析对比，出口工作闸门选用水流条件好、所需启闭力较小的偏心铰弧门作为主控制设备。

②闸门水力学研究和体形

为便于布置闸门止水及掺气减蚀，偏心铰弧门门槽段布置为突扩式跌坎体形。泄洪洞出口局部流速高达37.9 m/s，为了防止突扩式跌坎段后因高速水流产生空化、空蚀，甘肃省水利水电勘测设计院委托西北水利科学研究所进行了Lr=28的减压模型试验，对出口门槽段突扩式跌坎体形的合理性及空化特性进行了验证，在全开工况下，由于突扩跌坎体形的影响，出口侧扩水流冲击侧墙产生水翅，较高水位下突扩跌坎处侧扩射流与边壁间形成侧空腔，底部射流与底板间形成底空腔，侧空腔、底空腔相互联通。各级水位下，突扩跌坎后水流大致分为水翅和由表面阻力形成的表面扰动掺气区、底部掺气区、清水区。根据试验结果，通过4个方案的体形优化试验，对闸门全开工况及不同开度工况下的水流流态、水面线、压力特性、通气孔风速及掺气浓度、空化特性提供了试验数据及影响分析。最终确定门槽孔口顶部为1∶6的压坡，突扩宽度为Δb=0.8 m，跌坎高度为1.0 m，后接1∶8的一级变坡，闸墩两侧壁各设有1900 mm×500 mm的通气孔直通底坎空腔，紧靠底坎部位两侧壁上各设有φ0.8 m的通气管为底部补气。

③闸门设计

泄洪排沙洞出口偏心铰弧门设计水头为92 m，总水压力为38300 kN。采用偏心铰压紧式止水，利用偏心原理，借助偏心铰拐臂操作机构，推动闸门压紧设置在埋件上的止水，达到封水目的。偏心铰弧门的结构特点是：门叶前移的位移量可以很精确地由机械装置来实现，布置在埋件四周的止水橡皮的断面刚度较大。闸门靠机械力量前移，压紧止水橡皮至设计压缩量，从而严密封水。这样的工作状态，能满足高水头的封水要求。局开运行时，液压启闭机同时对闸门具有抑制振动的作用。偏心铰弧门采用两套止水。主止水为“山”形水封，布置在框形门槽埋件四周，用不锈钢螺栓及压板将其固定，辅助止水由门叶两侧预压式止水和门楣转铰止水组成。为了保证主止水的效果，闸门面板要求整体机加工。工作门是直支臂圆柱铰，门叶与支臂、支臂与铰链用高强螺栓连接。弧门的弧面半径为8000 mm，支铰高度为5900 mm，门叶的支承跨度为3600 mm。门叶是双主横梁框架，主横梁为箱式梁，与次梁等高齐平连接。为防止含沙高速水流对闸槽埋件的冲刷磨损及空蚀破坏，对闸室段上下游底、侧做了钢板全衬护。(www.xing528.com)

由于闸门承受荷载、启闭力、运行条件、闸墩及牛腿结构等综合技术条件复杂，常规计算方法有一定的局限性，甘肃省水利水电勘测设计院委托河海大学对泄洪洞工作弧门及水工结构布置进行优化设计和三维有限元静力、动力仿真计算分析，为施工图设计及安全运行提供依据。仿真计算选用ANSYS有限元分析软件，模拟闸门真实工况，采用空间梁、空间杆、空间壳等单元模型，建立弧门的薄壳结构精细有限元计算模型，同时与闸室、牛腿受力部分建立了三维有限元整体耦合分析模型，进行整体计算分析。通过静力、动力作用下的工况计算，对弧门的面板、主梁、纵梁、支臂、支铰等进行了折算应力、最大正应力和剪应力的应力计算分析。根据弧门受力后的位移变形分析，对各种工况下主梁的最大挠度进行了校核计算分析。对弧门在不同水头、不同开度工况下的动力特性进行了计算分析，为闸门的局开安全运行提供了依据。对偏心铰弧门常规运行状态下全关及全开时的启闭力进行了复核计算。全关状态最大水头作用时，启门力为1845 kN，全开状态启门力1672 kN。结果见图11.4-1～图11.4-3。

图11.4-1　闸门有限元网格

图11.4-2　正常蓄水位闸门总位移（单位：m）

图11.4-3　正常蓄水位闸门变形示意

④偏心铰参数的确定

偏心铰的偏心半径、偏心角度和偏心位置为偏心铰弧门设计中3个重要的偏心参数。选择偏心参数主要遵循的原则是在保证弧门所需径向偏移量的前提下，减少副机的容量和行程，并使闸门弧面面板脱开主水封的间隙尽量均匀。弧门径向偏移量是由主止水最大压缩量和弧面板与主止水脱开后的间隙组成，在弧门径向偏移量一定的条件下，偏心半径的大小直接影响副机的启闭容量。根据国内外已建工程实例，弧面板与主水封的间隙一般为20～60 mm。最终确定的泄洪洞偏心铰弧门间隙为23 mm，偏心半径r=50 mm，偏心轴转角为60°。弧门后撤径向位移为50 mm，止水整体压缩比较均匀。

⑤启闭设备选型及布置

弧形闸门的主提升设备采用1台能施加下压力且吸振性能较好的QHSY-3000/1000 kN-6.2 m（主机）液压启闭机操作，偏心铰操作机构采用1台QHSY-3000/1000 kN-2 m（副机）液压启闭机操作。主、副机共用一套液压泵站，布设在放空泄洪排沙洞出口2125.30 m高程的启闭机房内，液压站采用双电源做动力保证。弧门可在现地控制或在集控室远方控制。现地控制采用PLC可编程控制器控制。在启闭机房内配置了1台320 kN/100 kN桥式起重机，为两台液压启闭机及闸门的检修吊运提供方便。