缅甸上邦朗水电站放空底孔金属结构设计研究

崔 稚 尹显清 王处军

（中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司 云南昆明 650051）

摘 要：缅甸上邦朗水电站放空底孔事故闸门、工作闸门的金属结构设计与布置较具特色，尤其是事故闸门的结构形式和设计思路。本文对此进行了介绍。

关键词：缅甸上邦朗水电站 放空底孔金属结构设计布置 液压滑道

1 工程简介

缅甸上邦朗水电站工程位于邦朗河邦朗水电站上游约55km处，距仰光约470km，距缅甸首都内比都约70km，电站装机容量2×70MW，中方承包商为云南联合外经股份有限公司，设计前期工作由瑞士Colenco公司完成，招标和施工详图阶段由中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司承担。电站已于2014年年底并网发电。

电站金属结构设备布置有导流系统、引水发电系统、放空底孔系统三部分组成，金属结构设备总量约为1810t。其中电站水库放空底孔金属结构设备设计与布置较具特色。

2 放空底孔金属结构设备基本布置情况

上邦朗水电站于右岸布置有一条放空底孔，用于电站的放空与冲沙，在放空底孔的出口处设置有2孔2扇弧形工作闸门，在弧形工作闸门之前设置有2孔2扇平面高压滑动闸门作为事故闸门。布置简图如图1所示。

图1 放空底孔金属结构设备布置简图（高程单位：m，尺寸单位：mm）

按要求闸门基本布置形式和结构均必须按照前期瑞士Colenco公司的方案进行设计。

3 放空底孔事故闸门

3.1 设计要求

根据水工布置，大坝设置有一条放空底孔，用于冲沙和放空水库，是大坝位置最低的排、泄水通道。在放空底孔出口处设置了2孔2扇平面事故闸门和2孔2扇弧形工作闸门，均采用液压启闭机操作。事故闸门和工作闸门的启闭设备布置于同一闸室，闸室顶部高程位于水面之下。此种布置形式使得事故闸门和门槽没有检修维护条件。这些基本条件为闸门设计带来了较大的难度。

3.2 设计布置方案与思路

放空底孔事故闸门的门型为平面高压闸门，闭门水头为89.1m，高流速条件下闸门门叶和门槽面临的水力学条件十分恶劣。为尽量避免因此而产生的门槽空化、空蚀以及闸门振动，根据国内外相关工程经验，宜采用尽量窄小的门槽结构，同时加大闸门的刚度。门槽设计宽度仅为275mm，经比较研究，本闸门孔口宽度较窄，支承跨度不大，故决定门叶采用整块厚钢板制造，材质采用16MnR。门槽采用Ⅱ型门槽，全钢衬外包混凝土结构，门槽顶部采用钢盖板密封，门槽盖板上方布置液压启闭机，液压启闭机活塞杆通过盖板上的开孔与闸门连接。

为保证闸门的密封性，闸门按双向止水设计，上游布置一道橡胶止水，下游采用铜合金滑动支承，也同时兼作下游止水。

由于铜合金滑道与门槽主支承表面形成滑动摩擦副，虽在材质上尽量选择摩擦系数小的摩擦副材料，但滑动摩擦副本身就决定了摩擦系数减少有限，尤其在高水头条件下，闸门所受水压力较大，亦导致滑动闸门的启闭力较大。

在设计过程中，为寻找有效的降低滑动摩擦力途径，笔者查阅了国内外的一些相关资料，发现有国外资料介绍高压滑动闸门有在闸门主滑道和主轨之间喷注润滑油，以到达减少滑动摩擦系数的设计方式，此方式可以大大减少高压平面闸门的启闭摩擦力，资料寥寥数语，十分有限，对设计的细节和具体的结构形式均未提及。而国内有关闸门喷油润滑资料是空白，且国外的资料中对润滑的泄漏问题并未加以考虑。

经过仔细研究论证，认为在闸门主滑道和主轨之间喷注润滑油以减小启闭摩擦力是可行的。在多个方案比较后，形成了两个主要方案。方案一：将润滑油的出口布置在门槽主支承轨道上。方案二：润滑油的出口布置在闸门主滑道上。两个方案均能实现闸门主滑道与门槽主轨之间的润滑。方案一的优点是结构相对简单，缺点有两方面：①门槽主轨相对于闸门主滑道较长，需要布置的喷油点较多；②为保证均匀润滑和不过多漏油，喷油点需随着闸门在启闭过程中运动位置的变化，适时地开启和关闭一些喷油点，这样就使得喷油润滑装置的控制系统较为复杂。方案二的优点是喷油点较少，控制简单。缺点是润滑油输送管道要随闸门一起运动，且要求结构可靠。经比选，方案二较优，决定采用方案二。

整套喷油润滑装置连同闸门门叶结构经一系列不同设计和比对，最终的设计如图2、图3所示。

图2 润滑油输送装置剖视图（单位：mm）

图3 润滑油输送装置设计图（单位：mm）

喷油润滑可以在闸门滑道和门槽主轨之间形成一层油膜，使得铜合金滑道和不锈钢主轨之间的摩擦系数由干摩擦的0.5～0.6，减小到有良好油膜润滑的约0.02，极大的减小闸门与门槽的摩擦力，从而减小闸门的启闭力。

同时，在设计时考虑到润滑油的密封与泄漏问题，在设计时引入了精密机械设计领域的液压滑道理论，液压滑道是在两相对运动的滑动工作表面之间加入压力油，使得两表面之间形成一层极薄的油膜，在两表面之间处于液体摩擦状态或有油润滑状态。从而大幅降低平面闸门启闭力，降低工程造价的目的。

图4 滑动支承截面简图（单位：mm）

在闸门布置有顶、侧金属滑动支承，同时也兼做止水，液压滑道即布置于侧金属滑道上，每侧布置四组，共八组。其截面简图如图4所示。

由于液压滑道所产生的推力与闸门的水压力方向相反，可相互抵消。经工厂原型打压试验，最大油压达到3.5MPa，相应每个单元产生的液压推力为200kN，闸门一共设置了8组液压滑道共产生推力为8×200kN=1600kN。而闸门的水压力为7415kN，相当于抵消了闸门近1/4的水压力。相应的，启闭力也减少了。因此设计液压滑道在有效降低滑动摩擦系数的同时还可以抵消部分水压力，可以说达到了双重效果，限于液压滑道的结构形式和加工，可以说最大油压达到3.5MPa尚有较大的提升空间。

4 放空底孔工作闸门

工作闸门设置于事故闸门之后，设置2孔2扇弧形工作闸门，因闸门孔口较小，闸门上下支臂相隔较近，故将上下支臂合为一个整体。支臂呈扇形结构布置，每侧支臂设有上、中、下三条支臂腹板和左右两块扇形的翼板构成，支臂与门叶采用螺栓连接。弧门采用单吊点液压启闭机操作，根据瑞士Colenco公司的布置要求，液压启闭机为悬挂式结构（图1），启闭机和闸门的连接位置一端位于门叶中部，另一端与设置于后牛腿的铰座相连接；闸门启闭时，液压启闭机随闸门的开、闭沿铰座中心旋转，类似于国内普遍布置的表孔闸门液压启闭机，但较少布置于深孔弧形闸门。门叶简图如图5所示。

目前，上邦朗水电站底孔事故闸门和工作闸门均已投入运行，工作正常。

5 结语

综上所述，缅甸上邦朗水电站放空底孔的工作弧门的布置形式有其特色，国内工程较为少见。此布置方式使得闸室的高度较为低矮，土建开挖工程量减少，因平时工作闸门运行范围位于闸室平台之下，闸门上方以钢盖板覆盖，使得闸室的体型结构比较简洁美观，但此布置也有液压启闭机启闭闸门的力臂较小的缺点。

图5 门叶简图（高程单位：m，尺寸单位：mm）

对于平面闸门而言，一般有平面滑动支承闸门和滚动支承闸门两种方式，其优缺点均显而易见。平面滑动支承闸门具有承载力大的特点，但滑动摩擦系数较大使得闸门启闭力大。平面滚动支承闸门启闭力小，但由于滚动支承的结构形式决定了其单个滚轮的承载力受金属材料的性能影响极大，而现有金属材料由于科技水平和成本的原因，其机械性能短期内难以有较大突破。因此，若能通过平面滑动支承闸门设置液压滑道，可以通过减少摩擦系数和抵消部分水压力，从而极大的减小平面滑动闸门的启闭力，获得一种高承载和低摩擦系数兼顾的理想门型。

通过研究，在本工程的平面高压滑动事故闸门的设计与布置方式方面迈出了一小步，希望能为读者在设计中提供一些思路。