小浪底工程闸门充水方式运用实践和研究

唐红海，刘 瑞

(1.黄河水利水电开发集团有限公司，河南 郑州 450000；2.黄河小浪底水资源投资有限公司，河南 郑州 450000)

小浪底工程是一座以防洪、防凌、减淤为主，兼顾灌溉、供水和发电，蓄清排浑，除害兴利的多功能特大型水利枢纽工程，战略地位重要，工程规模巨大、地质条件复杂、泥沙问题突出，运用要求严格，是黄河水沙调控体系中的关键性控制工程，是世界上最复杂、最具挑战性的水利枢纽工程之一。

小浪底工程设有3条排沙洞、3条孔板洞、3条明流洞、6条引水发电洞、1条灌溉洞和1条溢洪道，共有各类闸门99扇，启闭机55台套。闸门具有种类多、数量大、水头高、技术复杂、型式多样等特点[1- 2]。枢纽工程工作闸门一般为弧形闸门可以动水启闭，检修闸门和事故闸门为平面闸门，事故闸门后设置补气通道可以动水闭门[2]，但这些平面闸门启门前均需前后平压，其主要的充水方式有旁管充水、充水阀充水、节间充水和小开度提门充水等方式。工程经过20余年运行积累了丰富经验，尤其是2018—2020年经历了“低水位、大流量、高含沙和长历时”特殊运行工况及2021年黄河秋汛高水位运行考验。针对旁通管充水管道存在的电动头断裂、管道震动、管道渗漏和检修困难等问题，开展多次优化、加固和探索，开展了事故闸门小开度提门充水论证和防淤堵新型充水阀的探索性研究工作。

1 国内常用充水方式优缺点[3]

(1)门顶充水阀结构形式多样，应用最为广泛。充水阀受闸门止水型式、承压水头、充水时间和安装位置及启闭方式等限制，充水阀的结构型式差别较大。后止水的闸门充水阀多为压盖式，在门顶开孔；前止水的闸门充水阀需在闸门面板上开孔，多为柱塞式或阀板式。

(2)小开度提门充水的优点是充水量大，充水时间短，但需提高启闭机容量，且高速水流易诱发闸门振动，主要应用在小孔口闸门，小开度一般为0.1～0.2m，操作水头一般在50m以下。据了解广西岩滩电站右冲沙孔事故门小开度提门最高运用水头为53m。

(3)节间充水断面大，可缩短充水时间，但一般只用在可以分节止水的低水头闸门上。

(4)旁通管充水技术相对复杂，建设成本和维护成本相对较高，一般应用在80m以上水头，应用范围相对较小。据了解，湖南五强溪、浙江天荒坪、云南漫湾、青海李家峡、贵州东风电站、四川宝珠寺等电站部分闸门采用旁通管充水方式。

2 小浪底工程闸门充水方式设计[4]

考虑到黄河含沙量高、库水变幅大和工程重要性等因素，充水平压系统设计了多种充水方式和不同进水口高程互为备用。小浪底除排沙洞外全部检修闸门门顶均设置了门顶充水阀作为主要充水方式，以旁通管充水作为备用。小浪底工程事故闸门考虑到黄河泥沙和污物的淤积、淤堵，易造成阀芯卡塞而无法充水，因此事故闸门未设置门顶充水阀，以旁通管充水作为主要充水方式，非常情况下以小开度提门作为备用充水方式。电站尾水检修闸门采用节间充水和机组尾水锥管方式充水。

3 小浪底事故闸门小开度提门充水应用与研究

3.1 事故闸门及充水情况

事故闸门是当流道或泄洪设施设备故障，需紧急落门以防止事故扩大的重要挡水设备。小浪底事故闸门均固定卷扬启闭机启闭操作，由于操作方便快捷，事故闸门常在流道检修时用于挡水，静水启闭，正常操作均采用旁通管进行充水平压。2006年排沙洞事故闸门进行小开度提门充水试验，2008年充水平压管道改造期间，排沙洞事故门也曾采用小开度提门充水。

3.2 小开度提门风险分析

小浪底工程泄洪洞事故门后都有龙抬头段，且距进水口较近。事故闸门小开度初始阶段，高速水流为自由出流，随后洞内水深沿程逐步壅高并产生水跃，随着水深增加水跃上移，并转变成明满流状态，继而在龙抬头转弯段形成非完整水跃，水跃在龙抬头段触顶时将出现时而为无压、时而为有压的状态，并伴随着不稳定的激流现象，虽然历时短，但破坏性不可忽视。

不同流道、不同水位、不同开度时，小开度提门水力学特性各不相同，运行条件复杂，风险程度也各不相同。小开度因为洞内气流变化还可能导致门井喷水、水锤冲击闸门，或引发事故门振动等事故。如我国镜泊湖水电站引水隧洞、大伙房电站进口、岗南泄洪发电隧洞、三门峡泄洪隧洞进口事故门等在充水过程中，出现过进口门井喷水现象，对设备、建筑物和操作人员安全构成威胁，藏木水电站泄洪洞事故闸门操作中因闸门振动导致钢丝绳断裂事故。

3.3 小开度提门充水限制条件

在收集到的446个闸门充水案例中，小开度提门充水只占9%，且均为低水头、小孔口闸门[3，5]。通过咨询相关设计单位，类似小浪底工程事故闸门运行条件闸门均未选用小开度提门作为主要充水方式。目前采用小开度提门充水平压的闸门孔口面积要控制在20m2以下、操作水头控制在50m以下。

3.4 小开度闸门安全运行条件

因闸门侧止水损坏，造成两侧漏水、受力不均、整体失衡，容易诱发闸门振动，因此要保证侧止水的止水效果。胸墙增设防射水辅助止水，防止开启过程中门顶过水。小开度提门时补气量会明显加大，要做好闸室设备和人员的安全防护措施。有条件可考虑设置整体门槽、门体反向增设弹性支撑和配置液压启闭机，以达增强刚性和抗震能力。

4 小浪底工程旁通管充水的设计与改造

4.1 旁通管充水平压系统的设计

小浪底旁通管充水平压系统集中布置在进水塔内，主要包括明流洞、灌溉洞、孔板洞、发电洞和排沙洞的充水平压。3条明流洞和1条灌溉洞均为独立的充水平压管道，孔板洞和发电排沙洞的充水平压管道上下、左右相互连通，如图1所示。[6- 7]

图1 3#孔板洞和1#发电塔充水平压旁通管布置

发电排沙系统的充水平压管道原设计取水口布置在EL.200.5和EL.225，分别比水库泥沙面高程EL.187高出13和38m，每个发电塔4个进水口。当库水位较低时可以从下层引水。进水管与库水连通的第一道阀为电动楔形闸阀，阀后管道呈十字形布置，两侧及后面阀门均为电动蝶阀。孔板洞充水平压受空间位置限制，每个孔板塔只在EL.200.5高程设置了一个取水口，如图2所示。

图2 孔板洞充水平压管道系统示意图

4.2 旁通管路存在问题与改造

4.2.1运行初期出现的问题、原因分析和系统改造

小浪底旁通管充水平压系统设施安装在库水位以下，1999年投入运行的初期，因充水平压廊道十分潮湿，铸铁阀门电动头大量锈蚀折断、电气元件故障频繁。充水过流时管道震动大，出现管道中间的伸缩节拉伸变形大且存在错位、伸缩节焊缝开裂漏水、钢结构墩振裂松动等突出问题。如：2000—2006年期间，1#和3#孔板洞充水平压的4#蝶阀、1#闸阀电动装置连接部分断裂；1#排沙洞事故B门6#蝶阀和2#孔板洞5#、7#、8#蝶阀的伸缩节限位拉杆的耳板根部拉断等。

分析原因主要是进水塔空间尺寸限制和各塔之间横向连接要求，平压管道三通和四通及90°弯头较多，管道内水流态复杂，管内存在水流撞击、气爆现象。为安装方便，在管道十字接头处设置了伸缩节，但管道的自由度增大[8]。在管道接头、转弯等受力复杂的位置仅设置了支墩，没有设镇墩，普通钢结构支墩难以抵抗管道的震动，同时由于管道内存在负压，弯头内靠下部位普通存在气蚀坑点，部分管道蚀穿出现漏水等情况。

2006年4月，在发电塔、孔板塔EL.225和EL.200m高程充水平压取水口各增设一道闸阀，并更换原来的旧闸阀。2008年对充水平压系统进行较为全面的更新改造，阀体和附件更新为不锈钢材料，在与库水联通的第一道闸阀后面增设了一道刀闸阀，取消了塔与塔之间的联通管路，减少不必要的分支、T型接头和弯管，并在保留的弯管处增设了钢筋混凝土镇墩。优化后充水管道运行更为简单可靠，管道振动明显减小，但部分弯管气蚀坑点造成管道局部渗水的问题近期仍有出现，预埋在混凝土内的管道没有检修条件，仍存在水淹进水塔的安全隐患[9]。

4.2.2目前运行中仍存在的问题

自2008年改造至今，总体运行稳定，但由于运行条件复杂多变，管道仍存在不同程度的锈蚀，仍存在多个充水平压管道漏水，阀门锈蚀、发卡、窜水，以及现地电气控制盘柜老化问题。

2013年11月，2号发电塔EL.200.5m充水平压闸室10#蝶阀前的混凝土镇墩处发生渗水，凿开混凝土镇墩后发现管道焊缝处有射流。2015年5月，在排空1#孔板洞事故闸门后流道时，由于管道产生负压导致3#蝶阀后的伸缩节严重变形。2017年3月，在对1#排沙洞事故闸门充水时，发现EL.189廊道内12#蝶阀前混凝土振墩内管道渗水，凿开镇墩发现管道已经出现锈穿小孔，管道内壁多处锈坑。2017年6月，在对2#孔板洞事故闸门后流道排水时，2#孔板洞充水平压系统蝶阀后伸缩节变形严重。

2018年1月，对孔板洞EL200充水平压管道增设3套补气阀。2018年4—12月，在孔板塔EL.200m高程位置对2008年充水平压改造并分离的充水平压管道采取了回填了混凝土并灌浆的永久封堵措施。2021年1月，小浪底1号排沙洞事故门后位于195m高程通往检修门的充水平压弯管位置处出现漏水并及时处理。2021年5月，2#发电塔充水平压管道6#蝶阀位置混凝土镇墩渗水并及时处理。2021年6月，在充水试验时，发现充水平压系统02阀内漏严重，准备在充水平压管道末端增加检修阀门。

5 小浪底工程防泥沙淤堵充水阀研究

根据小浪底工程进行水塔的结构特点和泄洪排沙运用条件，研究适应高水头、高含沙条件，且具有防淤堵、耐久性好和可靠性高的充水方式，提出了在闸门上开孔增设新型门顶充水阀的结构型式。

5.1 事故闸门开充水阀试验

2009年4月，在3#排沙洞事故门B门上增设2孔250mm的门顶常规闸阀式充水阀，改造后的门顶充水阀存在发卡、封水不严等问题，运行次数不多，效果不够理想。2010年在9月，在6号发电洞事故门上增设1孔300mm的门顶充水阀，安装初期作为充水平压的主要方式发挥了一定的作用。3#排沙洞事故门和6#发电洞事故门经过8a运行，充水阀设备出现腐蚀和水生物附着，卡阻严重，闸门下落至全关位后拉杆曾出现压弯现象，存在严重安全隐患，已经无法安全可靠运行，2017年已对闸门上加装的充水阀进行封堵。研究耐久性好、可靠性高、能够防淤堵防卡阻的闸门充水阀就显得十分必要。

5.2 创新闸门充水阀的结构型式

创新闸门充水阀的结构型式如图3—4所示。

图3 平板式和定滑轮传动式充水阀

图4 后置拍门和四向弧门充水阀

(1)一种利用水库压力膨胀止水的平板式充水阀[10]。充水阀安装在闸门顶梁格内，包括进水管、水封座板、环形水封、阀板、导向支承滑块和出水管。环形水封是外形呈环形、中间开有圆形槽，横断面为“山”字形结构的台阶状橡胶密封体，山字形顶部与平板面留有2～3mm预压缩量，充水阀靠库水压力膨胀橡胶密封体止水。出水管四周安装导向支承滑块，阀板顶端固接拉杆，拉杆与闸门吊耳板上腰形孔中运动的吊轴联接，闸板底端通过吊绳连接配重块。

(2)一种利用定滑轮传动的机械压紧式拍门充水阀[11]。充水阀包括弧形充水管、环形山字形水封及座板、拍门及铰座、定滑轮、弹簧装置、拉绳和配重块等。所述弧形充水管前端面与闸门面板焊接，后端焊接弧形止水座，止水座上固定环形水封，拍门安装在环形水封的后端面，闸门顶板及后翼缘板上安装定滑轮，拍门通过拉绳在闸门启闭力和配重块的作用下实现开启和关闭。

(3)一种利用齿轮传动的后置式拍门充水阀[12]。充水阀安装在闸门顶梁格内，每个闸门水平对称安装2个拍门式充水阀，主要包括充水管、环形水封和水封座板、拍门、带齿轮支铰和齿杆等，充水管前端面与闸门面板焊接，后端面焊接水封座板，水封座板四周与闸门隔板焊接；“山”字形环形水封通过螺栓固定在水封座板上；“山”字形水封中间设矩形槽，利用环形水封预留压缩量和库水作用膨胀，使环形水封顶端面与拍门工作面紧贴止水；每个拍门顶部设2个支铰，2个支铰与转轴通过键连接，二齿轮中间设置齿杆，通过啮合传动，齿杆与闸门吊轴连接，底端通过拉杆连接配重块。

(4)一种四向运行的弧门充水阀[13]。充水阀设置在闸门吊轴下方，主要包括充水管、山字形水封及底座、四向弧门、定滑轮、拉绳、拉杆和配重块，充水管横断面为矩形，充水管前端面与闸门面板焊接，后端面焊接水封底座，水封底座上安装山字形水封，四向弧门布置在充水管的末端；四向弧门由固定支臂、活动支臂、铰链、固定支铰和弧门面板组成，弧门支铰安装在闸门后侧筋板上，固定支臂上端与弧门面板顶端通过铰链连接，活动支臂一端与弧门面板固定，另一端通过销轴在固定支臂下部运动槽内滑动，销轴是通过定滑轮一端与闸门吊轴连接，另一端与配重块连接，实现在运动槽内滑动，从而实现弧门面板在一定范围内旋转，使弧门面板与山字形水封的压紧与脱离。面板压紧水封时前移止水，面板后撤时脱离水封，四向弧门主要通过铰链来实现四向弧门充水阀的开启。

6 结语

小浪底工程由于泥沙问题突出、调度运用严格，在闸室纵横且复杂的空腔薄壁结构的进水塔内布置了十分复杂的充水平压和高压冲沙系统，总结到旁通管充水问题多的主要原因有：环境潮湿造成锈蚀严重；丁字头、弯头多、路径长，沿程水力损失大，易产生管壁气蚀和蚀穿现象；阀门和伸缩节、排气阀及震墩的型式的选择十分重要。目前小浪底工程旁通管相对小开度提门仍然是主要的、更为可靠的充水方式，但从长远安全运行看，仍需进一步优化改造，建议在管道进口检修阀后设置减压阀[14- 15]，在管道出口设置节流环或调流阀，进一步研究高强度、耐腐蚀的替代材料，尽快研究替代旁通管充水的新思路、新方案，对文中提出的创新防淤堵充水阀进行模型和原型试验，以更好地解决泄洪系统闸门的充水问题。小浪底工程充水平压系统运行、改造及探索经验，对高水头闸门的设计和其它电站的运行具有很好的借鉴意义。