唐紅海，劉 瑞

(1.黃河水利水電開發(fā)集團有限公司，河南 鄭州 450000；2.黃河小浪底水資源投資有限公司，河南 鄭州 450000)

小浪底工程是一座以防洪、防凌、減淤為主，兼顧灌溉、供水和發(fā)電，蓄清排渾，除害興利的多功能特大型水利樞紐工程，戰(zhàn)略地位重要，工程規(guī)模巨大、地質(zhì)條件復雜、泥沙問題突出，運用要求嚴格，是黃河水沙調(diào)控體系中的關(guān)鍵性控制工程，是世界上最復雜、最具挑戰(zhàn)性的水利樞紐工程之一。

小浪底工程設(shè)有3條排沙洞、3條孔板洞、3條明流洞、6條引水發(fā)電洞、1條灌溉洞和1條溢洪道，共有各類閘門99扇，啟閉機55臺套。閘門具有種類多、數(shù)量大、水頭高、技術(shù)復雜、型式多樣等特點[1- 2]。樞紐工程工作閘門一般為弧形閘門可以動水啟閉，檢修閘門和事故閘門為平面閘門，事故閘門后設(shè)置補氣通道可以動水閉門[2]，但這些平面閘門啟門前均需前后平壓，其主要的充水方式有旁管充水、充水閥充水、節(jié)間充水和小開度提門充水等方式。工程經(jīng)過20余年運行積累了豐富經(jīng)驗，尤其是2018—2020年經(jīng)歷了“低水位、大流量、高含沙和長歷時”特殊運行工況及2021年黃河秋汛高水位運行考驗。針對旁通管充水管道存在的電動頭斷裂、管道震動、管道滲漏和檢修困難等問題，開展多次優(yōu)化、加固和探索，開展了事故閘門小開度提門充水論證和防淤堵新型充水閥的探索性研究工作。

1 國內(nèi)常用充水方式優(yōu)缺點[3]

(1)門頂充水閥結(jié)構(gòu)形式多樣，應用最為廣泛。充水閥受閘門止水型式、承壓水頭、充水時間和安裝位置及啟閉方式等限制，充水閥的結(jié)構(gòu)型式差別較大。后止水的閘門充水閥多為壓蓋式，在門頂開孔；前止水的閘門充水閥需在閘門面板上開孔，多為柱塞式或閥板式。

(2)小開度提門充水的優(yōu)點是充水量大，充水時間短，但需提高啟閉機容量，且高速水流易誘發(fā)閘門振動，主要應用在小孔口閘門，小開度一般為0.1～0.2m，操作水頭一般在50m以下。據(jù)了解廣西巖灘電站右沖沙孔事故門小開度提門最高運用水頭為53m。

(3)節(jié)間充水斷面大，可縮短充水時間，但一般只用在可以分節(jié)止水的低水頭閘門上。

(4)旁通管充水技術(shù)相對復雜，建設(shè)成本和維護成本相對較高，一般應用在80m以上水頭，應用范圍相對較小。據(jù)了解，湖南五強溪、浙江天荒坪、云南漫灣、青海李家峽、貴州東風電站、四川寶珠寺等電站部分閘門采用旁通管充水方式。

2 小浪底工程閘門充水方式設(shè)計[4]

考慮到黃河含沙量高、庫水變幅大和工程重要性等因素，充水平壓系統(tǒng)設(shè)計了多種充水方式和不同進水口高程互為備用。小浪底除排沙洞外全部檢修閘門門頂均設(shè)置了門頂充水閥作為主要充水方式，以旁通管充水作為備用。小浪底工程事故閘門考慮到黃河泥沙和污物的淤積、淤堵，易造成閥芯卡塞而無法充水，因此事故閘門未設(shè)置門頂充水閥，以旁通管充水作為主要充水方式，非常情況下以小開度提門作為備用充水方式。電站尾水檢修閘門采用節(jié)間充水和機組尾水錐管方式充水。

3 小浪底事故閘門小開度提門充水應用與研究

3.1 事故閘門及充水情況

事故閘門是當流道或泄洪設(shè)施設(shè)備故障，需緊急落門以防止事故擴大的重要擋水設(shè)備。小浪底事故閘門均固定卷揚啟閉機啟閉操作，由于操作方便快捷，事故閘門常在流道檢修時用于擋水，靜水啟閉，正常操作均采用旁通管進行充水平壓。2006年排沙洞事故閘門進行小開度提門充水試驗，2008年充水平壓管道改造期間，排沙洞事故門也曾采用小開度提門充水。

3.2 小開度提門風險分析

小浪底工程泄洪洞事故門后都有龍?zhí)ь^段，且距進水口較近。事故閘門小開度初始階段，高速水流為自由出流，隨后洞內(nèi)水深沿程逐步壅高并產(chǎn)生水躍，隨著水深增加水躍上移，并轉(zhuǎn)變成明滿流狀態(tài)，繼而在龍?zhí)ь^轉(zhuǎn)彎段形成非完整水躍，水躍在龍?zhí)ь^段觸頂時將出現(xiàn)時而為無壓、時而為有壓的狀態(tài)，并伴隨著不穩(wěn)定的激流現(xiàn)象，雖然歷時短，但破壞性不可忽視。

不同流道、不同水位、不同開度時，小開度提門水力學特性各不相同，運行條件復雜，風險程度也各不相同。小開度因為洞內(nèi)氣流變化還可能導致門井噴水、水錘沖擊閘門，或引發(fā)事故門振動等事故。如我國鏡泊湖水電站引水隧洞、大伙房電站進口、崗南泄洪發(fā)電隧洞、三門峽泄洪隧洞進口事故門等在充水過程中，出現(xiàn)過進口門井噴水現(xiàn)象，對設(shè)備、建筑物和操作人員安全構(gòu)成威脅，藏木水電站泄洪洞事故閘門操作中因閘門振動導致鋼絲繩斷裂事故。

3.3 小開度提門充水限制條件

在收集到的446個閘門充水案例中，小開度提門充水只占9%，且均為低水頭、小孔口閘門[3，5]。通過咨詢相關(guān)設(shè)計單位，類似小浪底工程事故閘門運行條件閘門均未選用小開度提門作為主要充水方式。目前采用小開度提門充水平壓的閘門孔口面積要控制在20m2以下、操作水頭控制在50m以下。

3.4 小開度閘門安全運行條件

因閘門側(cè)止水損壞，造成兩側(cè)漏水、受力不均、整體失衡，容易誘發(fā)閘門振動，因此要保證側(cè)止水的止水效果。胸墻增設(shè)防射水輔助止水，防止開啟過程中門頂過水。小開度提門時補氣量會明顯加大，要做好閘室設(shè)備和人員的安全防護措施。有條件可考慮設(shè)置整體門槽、門體反向增設(shè)彈性支撐和配置液壓啟閉機，以達增強剛性和抗震能力。

4 小浪底工程旁通管充水的設(shè)計與改造

4.1 旁通管充水平壓系統(tǒng)的設(shè)計

小浪底旁通管充水平壓系統(tǒng)集中布置在進水塔內(nèi)，主要包括明流洞、灌溉洞、孔板洞、發(fā)電洞和排沙洞的充水平壓。3條明流洞和1條灌溉洞均為獨立的充水平壓管道，孔板洞和發(fā)電排沙洞的充水平壓管道上下、左右相互連通，如圖1所示。[6- 7]

圖1 3#孔板洞和1#發(fā)電塔充水平壓旁通管布置

發(fā)電排沙系統(tǒng)的充水平壓管道原設(shè)計取水口布置在EL.200.5和EL.225，分別比水庫泥沙面高程EL.187高出13和38m，每個發(fā)電塔4個進水口。當庫水位較低時可以從下層引水。進水管與庫水連通的第一道閥為電動楔形閘閥，閥后管道呈十字形布置，兩側(cè)及后面閥門均為電動蝶閥。孔板洞充水平壓受空間位置限制，每個孔板塔只在EL.200.5高程設(shè)置了一個取水口，如圖2所示。

圖2 孔板洞充水平壓管道系統(tǒng)示意圖

4.2 旁通管路存在問題與改造

4.2.1運行初期出現(xiàn)的問題、原因分析和系統(tǒng)改造

小浪底旁通管充水平壓系統(tǒng)設(shè)施安裝在庫水位以下，1999年投入運行的初期，因充水平壓廊道十分潮濕，鑄鐵閥門電動頭大量銹蝕折斷、電氣元件故障頻繁。充水過流時管道震動大，出現(xiàn)管道中間的伸縮節(jié)拉伸變形大且存在錯位、伸縮節(jié)焊縫開裂漏水、鋼結(jié)構(gòu)墩振裂松動等突出問題。如：2000—2006年期間，1#和3#孔板洞充水平壓的4#蝶閥、1#閘閥電動裝置連接部分斷裂；1#排沙洞事故B門6#蝶閥和2#孔板洞5#、7#、8#蝶閥的伸縮節(jié)限位拉桿的耳板根部拉斷等。

分析原因主要是進水塔空間尺寸限制和各塔之間橫向連接要求，平壓管道三通和四通及90°彎頭較多，管道內(nèi)水流態(tài)復雜，管內(nèi)存在水流撞擊、氣爆現(xiàn)象。為安裝方便，在管道十字接頭處設(shè)置了伸縮節(jié)，但管道的自由度增大[8]。在管道接頭、轉(zhuǎn)彎等受力復雜的位置僅設(shè)置了支墩，沒有設(shè)鎮(zhèn)墩，普通鋼結(jié)構(gòu)支墩難以抵抗管道的震動，同時由于管道內(nèi)存在負壓，彎頭內(nèi)靠下部位普通存在氣蝕坑點，部分管道蝕穿出現(xiàn)漏水等情況。

2006年4月，在發(fā)電塔、孔板塔EL.225和EL.200m高程充水平壓取水口各增設(shè)一道閘閥，并更換原來的舊閘閥。2008年對充水平壓系統(tǒng)進行較為全面的更新改造，閥體和附件更新為不銹鋼材料，在與庫水聯(lián)通的第一道閘閥后面增設(shè)了一道刀閘閥，取消了塔與塔之間的聯(lián)通管路，減少不必要的分支、T型接頭和彎管，并在保留的彎管處增設(shè)了鋼筋混凝土鎮(zhèn)墩。優(yōu)化后充水管道運行更為簡單可靠，管道振動明顯減小，但部分彎管氣蝕坑點造成管道局部滲水的問題近期仍有出現(xiàn)，預埋在混凝土內(nèi)的管道沒有檢修條件，仍存在水淹進水塔的安全隱患[9]。

4.2.2目前運行中仍存在的問題

自2008年改造至今，總體運行穩(wěn)定，但由于運行條件復雜多變，管道仍存在不同程度的銹蝕，仍存在多個充水平壓管道漏水，閥門銹蝕、發(fā)卡、竄水，以及現(xiàn)地電氣控制盤柜老化問題。

2013年11月，2號發(fā)電塔EL.200.5m充水平壓閘室10#蝶閥前的混凝土鎮(zhèn)墩處發(fā)生滲水，鑿開混凝土鎮(zhèn)墩后發(fā)現(xiàn)管道焊縫處有射流。2015年5月，在排空1#孔板洞事故閘門后流道時，由于管道產(chǎn)生負壓導致3#蝶閥后的伸縮節(jié)嚴重變形。2017年3月，在對1#排沙洞事故閘門充水時，發(fā)現(xiàn)EL.189廊道內(nèi)12#蝶閥前混凝土振墩內(nèi)管道滲水，鑿開鎮(zhèn)墩發(fā)現(xiàn)管道已經(jīng)出現(xiàn)銹穿小孔，管道內(nèi)壁多處銹坑。2017年6月，在對2#孔板洞事故閘門后流道排水時，2#孔板洞充水平壓系統(tǒng)蝶閥后伸縮節(jié)變形嚴重。

2018年1月，對孔板洞EL200充水平壓管道增設(shè)3套補氣閥。2018年4—12月，在孔板塔EL.200m高程位置對2008年充水平壓改造并分離的充水平壓管道采取了回填了混凝土并灌漿的永久封堵措施。2021年1月，小浪底1號排沙洞事故門后位于195m高程通往檢修門的充水平壓彎管位置處出現(xiàn)漏水并及時處理。2021年5月，2#發(fā)電塔充水平壓管道6#蝶閥位置混凝土鎮(zhèn)墩滲水并及時處理。2021年6月，在充水試驗時，發(fā)現(xiàn)充水平壓系統(tǒng)02閥內(nèi)漏嚴重，準備在充水平壓管道末端增加檢修閥門。

5 小浪底工程防泥沙淤堵充水閥研究

根據(jù)小浪底工程進行水塔的結(jié)構(gòu)特點和泄洪排沙運用條件，研究適應高水頭、高含沙條件，且具有防淤堵、耐久性好和可靠性高的充水方式，提出了在閘門上開孔增設(shè)新型門頂充水閥的結(jié)構(gòu)型式。

5.1 事故閘門開充水閥試驗

2009年4月，在3#排沙洞事故門B門上增設(shè)2孔250mm的門頂常規(guī)閘閥式充水閥，改造后的門頂充水閥存在發(fā)卡、封水不嚴等問題，運行次數(shù)不多，效果不夠理想。2010年在9月，在6號發(fā)電洞事故門上增設(shè)1孔300mm的門頂充水閥，安裝初期作為充水平壓的主要方式發(fā)揮了一定的作用。3#排沙洞事故門和6#發(fā)電洞事故門經(jīng)過8a運行，充水閥設(shè)備出現(xiàn)腐蝕和水生物附著，卡阻嚴重，閘門下落至全關(guān)位后拉桿曾出現(xiàn)壓彎現(xiàn)象，存在嚴重安全隱患，已經(jīng)無法安全可靠運行，2017年已對閘門上加裝的充水閥進行封堵。研究耐久性好、可靠性高、能夠防淤堵防卡阻的閘門充水閥就顯得十分必要。

5.2 創(chuàng)新閘門充水閥的結(jié)構(gòu)型式

創(chuàng)新閘門充水閥的結(jié)構(gòu)型式如圖3—4所示。

圖3 平板式和定滑輪傳動式充水閥

圖4 后置拍門和四向弧門充水閥

(1)一種利用水庫壓力膨脹止水的平板式充水閥[10]。充水閥安裝在閘門頂梁格內(nèi)，包括進水管、水封座板、環(huán)形水封、閥板、導向支承滑塊和出水管。環(huán)形水封是外形呈環(huán)形、中間開有圓形槽，橫斷面為“山”字形結(jié)構(gòu)的臺階狀橡膠密封體，山字形頂部與平板面留有2～3mm預壓縮量，充水閥靠庫水壓力膨脹橡膠密封體止水。出水管四周安裝導向支承滑塊，閥板頂端固接拉桿，拉桿與閘門吊耳板上腰形孔中運動的吊軸聯(lián)接，閘板底端通過吊繩連接配重塊。

(2)一種利用定滑輪傳動的機械壓緊式拍門充水閥[11]。充水閥包括弧形充水管、環(huán)形山字形水封及座板、拍門及鉸座、定滑輪、彈簧裝置、拉繩和配重塊等。所述弧形充水管前端面與閘門面板焊接，后端焊接弧形止水座，止水座上固定環(huán)形水封，拍門安裝在環(huán)形水封的后端面，閘門頂板及后翼緣板上安裝定滑輪，拍門通過拉繩在閘門啟閉力和配重塊的作用下實現(xiàn)開啟和關(guān)閉。

(3)一種利用齒輪傳動的后置式拍門充水閥[12]。充水閥安裝在閘門頂梁格內(nèi)，每個閘門水平對稱安裝2個拍門式充水閥，主要包括充水管、環(huán)形水封和水封座板、拍門、帶齒輪支鉸和齒桿等，充水管前端面與閘門面板焊接，后端面焊接水封座板，水封座板四周與閘門隔板焊接；“山”字形環(huán)形水封通過螺栓固定在水封座板上；“山”字形水封中間設(shè)矩形槽，利用環(huán)形水封預留壓縮量和庫水作用膨脹，使環(huán)形水封頂端面與拍門工作面緊貼止水；每個拍門頂部設(shè)2個支鉸，2個支鉸與轉(zhuǎn)軸通過鍵連接，二齒輪中間設(shè)置齒桿，通過嚙合傳動，齒桿與閘門吊軸連接，底端通過拉桿連接配重塊。

(4)一種四向運行的弧門充水閥[13]。充水閥設(shè)置在閘門吊軸下方，主要包括充水管、山字形水封及底座、四向弧門、定滑輪、拉繩、拉桿和配重塊，充水管橫斷面為矩形，充水管前端面與閘門面板焊接，后端面焊接水封底座，水封底座上安裝山字形水封，四向弧門布置在充水管的末端；四向弧門由固定支臂、活動支臂、鉸鏈、固定支鉸和弧門面板組成，弧門支鉸安裝在閘門后側(cè)筋板上，固定支臂上端與弧門面板頂端通過鉸鏈連接，活動支臂一端與弧門面板固定，另一端通過銷軸在固定支臂下部運動槽內(nèi)滑動，銷軸是通過定滑輪一端與閘門吊軸連接，另一端與配重塊連接，實現(xiàn)在運動槽內(nèi)滑動，從而實現(xiàn)弧門面板在一定范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，使弧門面板與山字形水封的壓緊與脫離。面板壓緊水封時前移止水，面板后撤時脫離水封，四向弧門主要通過鉸鏈來實現(xiàn)四向弧門充水閥的開啟。

6 結(jié)語

小浪底工程由于泥沙問題突出、調(diào)度運用嚴格，在閘室縱橫且復雜的空腔薄壁結(jié)構(gòu)的進水塔內(nèi)布置了十分復雜的充水平壓和高壓沖沙系統(tǒng)，總結(jié)到旁通管充水問題多的主要原因有：環(huán)境潮濕造成銹蝕嚴重；丁字頭、彎頭多、路徑長，沿程水力損失大，易產(chǎn)生管壁氣蝕和蝕穿現(xiàn)象；閥門和伸縮節(jié)、排氣閥及震墩的型式的選擇十分重要。目前小浪底工程旁通管相對小開度提門仍然是主要的、更為可靠的充水方式，但從長遠安全運行看，仍需進一步優(yōu)化改造，建議在管道進口檢修閥后設(shè)置減壓閥[14- 15]，在管道出口設(shè)置節(jié)流環(huán)或調(diào)流閥，進一步研究高強度、耐腐蝕的替代材料，盡快研究替代旁通管充水的新思路、新方案，對文中提出的創(chuàng)新防淤堵充水閥進行模型和原型試驗，以更好地解決泄洪系統(tǒng)閘門的充水問題。小浪底工程充水平壓系統(tǒng)運行、改造及探索經(jīng)驗，對高水頭閘門的設(shè)計和其它電站的運行具有很好的借鑒意義。