西霞院反调节水库排沙洞排沙底孔工作闸门设计（侯庆宏,陈丽晔,王春）

［摘 要］ 西霞院排沙洞排沙底孔工作闸门是一种双向挡水的闸阀式插板门，本文结合多泥沙河流设备的布置特点，重点分析和研究了闸门的运用方式，通过对闸门的布置及选型、结构设计、支承设计、止水及埋件设计等主要技术难点的设计研究，解决了多泥沙河流尾水较高的情况下挡上游水、下游水沙的难题，也为水工结构的优化布置创造了条件，为后期工程运行带来了便利，同时节约了成本。

［关键词］ 排沙洞 工作闸门 闸阀式 插板门 双向挡水 西霞院

1概述

黄河小浪底水利枢纽配套工程——西霞院反调节水库为河床式径流水电站，装有4台35MW轴流式水轮发电机组。为了在电站进口前形成冲沙漏斗，保证电站正常引水发电，在电站的左、右侧分别布置了3条排沙洞，并在4台机组间设置了3条排沙底孔，进口高程均低于发电洞进口高程8m，以满足排沙比降的要求。6条排沙洞和3条排沙底孔构成了枢纽的排沙系统，除满足正常的排沙冲沙运用要求外，在汛期还兼顾承担枢纽的泄洪任务。排沙系统的金属结构布置型式与运用方式完全相同，仅孔口尺寸不同。下面仅以排沙洞为例来介绍排沙系统工作闸门的设计。

2闸门布置与选型

2.1闸门的布置型式和运用方式

由于黄河泥沙的特殊性，在流道停泄时，上下游均有泥

沙淤积。为保证流道通畅、不被泥沙淤积，排沙洞的进口设有进口检修闸门和事故闸门，出口设有工作闸门和检修闸门(见图1)。

为了调节下泄流量和保证泄水建筑物前形成冲沙漏斗，工作闸门需要经常局部开启拉沙。具体运用方式为：当排沙或泄流时工作门动水启门，由液压启闭机自锁于孔口上方；停泄时工作门动水闭门挡下游淤沙，静水关闭事故门挡上游淤沙，防止上下游淤沙进入洞内；当流道需要检修时，为避免操作繁琐，可由工作门代替出口检修门挡下游水沙。故工作闸门兼有挡上游水和下游水沙的双重任务。

2.2门型选择

工作闸门孔口尺寸4.5m×3.8m(宽×高)，上游最大挡水水头28m，下游最低挡水水头为14.03m；工作闸门经常局部开启拉沙。弧形闸门虽然具有启闭力小、闸门局部开启运行安全可靠的优点，但弧形闸门闸室空间大，要求闸后明流，且不能满足双向挡水要求。平面闸门在水流方向上占用空间

小、闸门结构简单、可挡上游水及下游水沙，缺点是局部开启时容易产生振动。液压启闭机具有缓冲和减振作用，有下压力，控制精度高，易于实现集中控制和远方自动化控制，且可布置在距门顶约1倍门高的门井内，启闭机室占用空间较小，可满足水工布置要求。因此工作闸门选用液压启闭机操作。

经综合比较，工作闸门采用闸阀式结构布置，启闭机室可设在尾水门机下距门顶约1倍门高的门井内。机架与门槽顶部及油缸之间设有密封，防止库水及尾水进入启闭机室。从而降低启闭机安装高度，减小了尾水平台土建工程量，节省了投资。在设计时主要解决如下问题：①闸门的振动问题；②双向挡水的止水、支承设计；③闸门井进、出气问题。

3闸门设计

3.1闸门结构设计

闸门结构设计时考虑了闸门挡水、隧洞检修和闸门局开3种工况：闸门挡水时，按上游正常蓄水位134.0m，下游最低尾水位120.03m；隧洞检修时，按上游无水，下游正常尾水位120.8m，淤沙高度4m；闸门局开时，承受较大的脉动压力，从水工模型试验可以看到，由于门后不稳定的旋滚水流，闸门下游胸墙出现负压现象，且该闸门经常局部开启拉

沙。经综合分析，确定设计水头时按闸后无水考虑。

闸门门体由门叶焊接件、止水装配件、主轮装配件、滑块装配件和侧向装置组成。门叶主材为Q345-B。面板布置在下游面，厚度为16mm。门叶共设有3根主横梁，其中底主梁为双腹板焊接箱形梁，其它为焊接工字梁，梁高为800 mm，支承跨度为5 100mm。两主梁之间水平次梁为焊接工字钢，底部水平次梁为焊接T型梁。纵向隔板为组合工字梁断面，边梁为双腹板焊接箱形梁，与主梁等高。

门叶整节制造，整体退火，以减少制造、安装及运输过程中变形，达到理想的封水效果。

3.2支承设计

闸门挡上游水时水头较高，考虑减小启闭力及运行可靠性，选用简支式定轮作为支承。闸门挡下游沙时水位较低，经过比较选用结构简单、维修方便、自重较轻，且闸门轨道受力均匀的滑块支承。因此，挡上游水时定轮作为主支承，挡下游水沙时滑块作为主支承。为适应正、反轨道的安装误差，主轮采用了偏心距为5mm的偏心轴。安装前可根据反轨及主轨安装误差调整偏心轴，以保证闸门在工作位置时，在上游水压作用下每个轮子踏面均与主轨接触，在尾水和泥沙压力作用下每个滑块均与反轨接触，保证承压状态受力均匀。

闸门共设4个主轮，每个主轮受力基本相同，按2 000kN设计。由于主轮处于水下工作且库水含沙量较大，轴套选用铜基镶嵌自润滑材料，该材料具有承载力高，减摩耐磨性能好，耐腐蚀、可靠性高、使用寿命长等特点。为防止泥沙进入轴套，轮子和轮架间设有密封圈。主轮直径为Φ800mm，双曲踏面，滚轮半径与踏面半径比为0.1。主轮及主轨材料均为ZG35CrMo，主轨表面硬度高于轮踏面30HB。

滑块为工程塑料合金材料（MGE/B），该材料具有动静摩擦系数小、受泥沙含量影响小，自润滑、免维护，低磨损、抗腐蚀等特点。为了提高滑块的承载力，采用螺栓通过楔形压块将其压入燕尾形铸钢夹槽内。

3.3止水设计

工作闸门运行时挡上游的高水位，同时该闸门还担负水道停泄时挡下游淤沙的任务。对于双向挡水的闸门，有两种止水布置型式：将止水分别布置在门体两侧，或止水集中布置在门体一侧。

止水若分别布置在门体两侧，相应的埋件上、下游均应设封水座板，为保证双向止水效果，不但要控制上、下游封水座板的相对安装误差，还需分别控制两封水座板与正反支承相对尺寸，故上下游侧埋件的加工、安装质量要求较高。止水布置在门体一侧，只需控制一侧的封水座板的安装精

度，安装相对简单且省了一套封水座板，故选用止水集中布置在门体一侧的方案。

为防止下游泥沙淤堵门槽，该门的止水布置在闸门下游侧，闸门顶、侧止水采用双头P形橡皮止水，底止水采用条形橡皮止水。该工作闸门为闸阀式布置，油压机活塞杆与油缸、机架之间有密封要求，闸门支承与门槽埋件的间隙若按常规闸门10mm选取,将导致油压机活塞杆变形过大，造成活塞杆与油缸、机架之间漏油漏水。经计算确定侧向滑块与侧轨之间的间隙控制在 2mm以内，门槽与闸门支撑滑块的间隙控制在3mm。闸门顶、侧止水预压缩量选用4mm，保证反向挡水时止水仍有1mm预压量，利用下游水压对门槽外侧P型橡皮头部的压力，仍能保证反向止水效果。

3.4埋件设计

门槽尺寸为1.00m×0.60m，为Ⅰ型门槽，宽深比为1.67，在1.4～2.5的合宜宽深比范围内。闸门埋件包括整体门槽组合件、机座焊接件、胸墙焊接件及底坎焊接件等。

由于闸门侧、反向支承与埋件间隙分别控制在2mm和3mm， 均小于常规闸门侧、反向支承与埋件之间的间隙10mm。为保证埋件的安装精度，门槽采用集主轨、侧轨、反轨为一体的整体门槽。主轨为铸钢轨道，材料为ZG35CrMo，分2节，总长6m，约1.5倍孔口高度。整体门槽除主轨外均为型钢和

钢板组合焊接件，焊后整体退火，消除焊接过程中产生的内应力，最后再进行机加工，保证了主轨、侧轨、反轨之间相对尺寸的制造精度。机座焊接件的顶板与液压启闭机机架底座之间设有O形密封圈，通过螺栓连接固定。其余埋件主材为Q235-B，封水座板材料为1Cr18Ni9Ti。

3.5进排气装置

当隧洞泄水或充水时，在闸门井顶部埋设的通气管会进行补气或排气。另外，在机架上设有自动进排气阀组，可以自动排除或补充机架下面闸门井最高处的气体。

4结语

在我国水利工程中，闸阀式布置的闸门一般用于抽水蓄能电站的尾水检修闸门，仅用于单向挡水。西霞院排沙洞排沙底孔工作闸门是结合工程实际设计的双向挡水的闸阀式插板门，通过对闸门的布置及选型、结构设计、支承设计、止水及埋件设计等主要技术难点的设计研究，解决了多泥沙河流尾水较高的情况下挡上游水、下游水沙的难题，也为水工结构的优化布置创造了条件，为后期工程运行带来了便利，同时节约了成本。目前，该闸门已运行半年多，达到了预期的挡上游水、下游水沙的目的，且闸门启闭过程中没有出现振动、运行平稳。实践证明该闸门的设计是成功的，具有较高的推广应用价值。