l 前言
在高坝深孔闸门选型中，对比各类闸门的水力特性与优缺点，弧形闸门有很多优点。因为弧形闸门的总水压力都由径向通向支铰轴心，所以其启闭力较小。又因没有门槽以及闸下出流接近自由流线，所以出流顺畅，其流量系数亦较高，泄流能力较大。在动水操作时容许部分开启并可锁定。门体的水流初生空化数较低，不易产生闸门空蚀。在正确合理的设计下，不容易产生危害性的流激振动与水弹性振动。然而，以往弧形闸门的主要缺点是顶止水与侧止水不在同一曲面上，两者的连接处，水封的形状不易满足止水严密的要求，该处角隅应力集中，橡胶水封的拐角部分容易撕裂，造成顶水封漏水甚至射水，高速射流容易形成空化源、振动源、噪声源及射流切割源。在已建成工程中闸门失事的实例屡见不鲜。例如：碧口工程左岸泄洪洞深孔弧形闸门，其孔口尺寸9m×8m(宽×高下同)，孔口面积为72m2，工作水头为70m，总水压力6050t．运行不久即出现顶水封与侧水封连接的角隅处水封撕裂，继而顶水封撕裂，漏水严重。一股高速射流导致胸墙门楣衬砌钢板被大面积掀起破坏，埋件裸露，影响运行。因而深孔弧形闸门的水封漏水，不仅影响观赡，对闸门及大坝安全运行亦属不可忽视的问题。三峡工程深孔泄量大、水头高、孔数多，工况复杂，操作频繁，它是三峡工程举足轻重的泄水建筑物之一。闸门起控制流量的重要作用，弧形闸门的止水型式问题十分重要，应予以重视。为工程安危有必要进行全面客观的调查研究，谋求对策，为决策者提供翔实的参谋意见。
2 国内外己建深孔出口突扩弧门的建设与运行
根据初步统计国内外采用弧门出口突扩、突跌止水布置的建、在建与拟建工程已有28座(详见表1)，其中采用偏心铰压紧式水封的18座，采用伸缩式水封的10座。在监测弧门的安全运行时往往会发现一些危害性窄缝高速射流的切割、空化、流激振动，空化噪声及启闭失灵等隐患，应设法消除或减免。这些故障险情往往源出于止水撕裂失效，造成漏水及射流所致。严重空蚀破坏及危害性振动会导致闸门变形、启闭失灵而无法使用。以下将分述一些典型工程的运行情况及成败经验与教训。
2.1 巴基斯坦塔贝拉(Tarbela)工程
巴基斯坦塔贝拉三号泄洪洞出口断面为4.9m×7.3m，设置偏心铰弧形闸门，设计水头136m，两侧各突扩0.31m，跌坎高度O.38m。闸门设计精湛，曾采用10项技术革新措施，其中尤以射流节制器及Teflon银面水封较为突出。1974年8月13日关闸后发现混凝土陡槽底板上，在残留水泥砂浆块凸体下游出现空蚀，后来在陡槽的起始段增设挑坎兼作通气槽，尔后未发现空蚀迹象。弧门在关闭时滴水不漏，止水效果良好。闸下突扩边墙及突跌底板均未发现空蚀破坏。它是目前在多项技术指标上具有世界最高水平的突扩偏心铰压紧式水封的弧形闸门，运行良好，比较成功，在设计上有特色，加工工艺水平较高，并有丰富的科研成果。
2.2 前苏联努列克工程
努列克工程设有5m×6m孔口，110m水头的偏心铰弧形闸门。在设计过程中进行了大量科学研究工作。起初拟采用伸缩式变形水封，对水封在高速射流下的振动特性提供了研究成果。由于对水封材质及老化等问题有疑虑，最终改用突扩、突跌偏心铰止水方案，闸门运行良好，尚未发现空蚀破坏等情况。
2.3 前苏联克拉斯诺雅尔斯克水电站泄洪底孔
为了调节水库蓄水量和施工期泄洪，该电站设置了8个底孔，弧门孔口为5m×5m，设计水头100m。弧门出口两侧各突扩0.5m，跌坎以下为混凝土衬砌。1964年建成，1967年投入运行，当时运行水头为0～60m。1968年发现在4#、5#、8#孔的跌坎下游邻近弧门底缘的侧壁发生空蚀破坏，其中5#孔的空蚀深1.5m，高5m，长15m。据资料介绍，空蚀成因是由于施工时减小了通气管的尺寸，并且当冬季运行时，冰冻又进一步冻阻了通气孔道，导致通气不足而发生空蚀破坏。
2.4 美国德沃歇克泄水孔
该坝设置了3个泄水孔，孔口尺寸为2.7m×3.8m，设计水头为81m。采用偏心铰弧形闸门，出口两侧突扩0.48m，跌坎高度为0.15m。为了进行护面涂料对比试验。右侧泄水孔不加护面。中间泄水孔涂以0.9mm厚的环氧树脂。左侧泄水孔涂以13mm厚环氧砂浆。在闸门下游15.2m处涂料护面和原混凝土直接连接。泄水孔泄水一个月后，三个泄水孔均发生不同程度的空蚀破坏。特别在左侧泄水孔左边墙护面末端，空蚀最为严重。空蚀区长约6m，深0.56m，高3m。据介绍空蚀的成因是边界不平整导致了水流空化形成空蚀。
表1 弧形闸门出口突扩布置的工程实例
序号
工程名称
国家
孔口尺寸(宽m×高m)
孔口面积(m2)
设计运行水头(m)
总水压力P(t)
建成年代
止水形式
1
卢卡蓬特
美国
2.06×3.66
7.54
61
446
偏心铰(压紧式)
2
诺维尔
2.54×3.56
9.04
24.38
204
偏心铰
3
二濑
日本
5.00×3.42
16.20
69
1092
1959
4
大野
4.00×5.32
21.28
35.25
694
1960
5
汤田
5.18×3.53
18.26
54.96
972
1963
6
苑原
5.00×3.56
17.80
33.78
570
1964
7
鹤田
4.30×4.15
17.85
44.08
750
8
松原
4.40×4.40
17.64
51.50
870
1970
9
内川
3.50×2.30
5.75
55.18
311
1973
10
科洛君利
保加利亚
30
64.50
1935
11
大渡
5.0×5.6
28
60
1680*
12
阿斯旺
埃及
4.2×3.15
13.23
80
1038
13
德活歇克
2.75×3.80
10.45
76.2
777
14
恰尔瓦格
前苏联
5×6
2400*
伸缩式水封
15
萨彦—舒申斯克
117
3510*
16
克拉斯诺雅尔斯克
98/60
2940*
17
努列克
110
3300*
18
罗贡
5×6.7
33.5
200/85
6700*
19
塔贝拉
巴基斯坦
4.9×7.3
35.77
136
4865*
20
龙羊峡
中国
5×7
35.00
120
4200*
1987
21
东江二级
6.4×7.1
45.44
5453*
22
托克托古尔
5×6×
30.00
112.3
3369*
已建
23
布列斯卡雅
5.5×6
33.00
3861*
24
鲁布革
8.5×9
76.50
55
4207.5
25
漫湾
3.5×3.5
12.25
90.5
1109*
1996
26
天生桥一级
6.4×7.5
48.00
5760*
1997
27
小湾
6×5
111.61
3348.3*
拟建
注：P=γHA
2.5 日本大渡坝的主泄洪设备
大渡坝坝高100m，为混凝土重力坝。在10#～14#坝段，每一坝段内设置一扇弧形闸门。闸门宽5m，高5.6m，设计水头60m，设计最大总泄量为3800m3/s。采用突扩、突跌偏心铰止水型式，根据已往经验与各项试验，进行了设计、制造和安装，成为运行可靠、功能优良的泄洪设备，充分发挥了综合利用大坝泄洪设备的作用，未见任何空蚀破坏的报导。
2.6 龙羊峡水电站底孔泄水道
弧形工作闸门孔口尺寸为5m×7m，采用偏心铰弧门，设计水头120m，孔口两侧各突扩0.6m，跌坎高度为2m。龙羊峡工程支铰偏心轴的设计，是与滚柱轴承的选用及支铰布置分不开的。因受支铰体型尺寸的限制滚柱轴承既要满足额定静负荷的要求，又要使轴承宽度不宜过宽。据此，活动铰链选用20771/950四列滚柱轴承。固定支铰采用调心40031/800双列向心球面滚柱轴承，这样除能满足轴的结构强度和偏心距布置要求外，门体结构布置匀称，安装调整容易，经济上比较合理。1987年2月15日首次开启运用，至1989年渡汛，共运用3次，累计过水历时达7137h。最高运用水头为89m，最大流速达36m/s。泄槽明渠边墙，底板及挑流鼻坎等部位发生较为严重的破坏。 1989年汛后，对破坏部位按原设计体型进行了修复。修复后尚未再次过水。
回顾1987年底孔过水历时5417h，最高水头54.5m，汛后进行检查，发现泄槽的不同部位发生轻微的破坏，主要在泄槽分段结构缝两侧及下游，1988年过水历时137h，最高运行水头46.7m，1989年过水历时1583h，最高运行水头89m。过水后进行了较为全面细致的检查，发现泄槽部分遭到了比较严重的破坏。在左边墙距跌坎后37m处最大蚀深2.5m，破坏面积180m2，冲走混凝土约175m3。右边墙距跌坎后37m处最大蚀深0.7m，破坏面积98m2，冲走混凝土约29m3。
根据有关资料初步分析冲蚀破坏的原因为：由于运行条件与设计条件有较大不同，可能导致通气槽水流掺气不足，各浇筑分段模板走动，混凝土表面接缝出现错台；环氧砂浆抹面层与老混凝土表面接触不好；此外，1987年和1988年过水后，局部破坏未及时修复而形成1989年运行中的空化源。
2.7 碧口水电站排沙洞出口弧形工作闸门
该排沙洞孔口宽4m，高3.15m，设计水头90m。顶水封为常规水封，在门叶上设一道φ60mm夹有二层帆布的P型橡皮，另一道设在门桅埋件上，为鸭咀式圆滚水封，内有φ90mm夹有三层帆布的圆形空心橡皮；侧水封为方头φ60mm“P”型(烟斗型)夹有三层帆布的橡皮水封；底水封为刀型止水型式。该门原设计仅用作排沙，没有部分开启运行的要求，后因下游用水和水库初期蓄水的需要，要求用部分开启来调节流量。自1975年投入运行，至1977年4月共运行8324h，其中部分开启运行为4674h，而部分开启又0.2～O.5相对开度运行时间为最多，达3954h，部分开启运行水头最高达70m左右。维修时，发现顶水封座板破坏严重，不锈钢板已被撕裂掀起，固定顶水封压板的螺栓，有的全部脱出，有的螺栓头被挤断脱落，丝杆仍在螺孔内，门叶面板上呈现挤压凹槽，左侧1.4m长的圆滚水封橡皮已荡然无存。1977年4月修复后，运行约一个月，部分开启时间为260h，基本上处于0.5相对开度，并且在水头63m左右连续运行了110h，顶水封又遭破坏。门叶上顶水封P型橡皮中心偏左侧60cm处橡皮水封头部撕裂。顶、侧水封接头处因在安装时未胶合完善，有明显的缝隙，在鸭咀中，左侧长约90cm的圆滚橡皮断裂消失，右侧端部约70cm长的圆滚橡皮亦荡然无存，而且两端各脱落一个固定顶水封压板用的螺栓埋头孔的封闭铅弹。通过操作闸门观察，无论是从全关到全开，或是从全开到全关，都在开度60～80cm处(相对开度n约为O.19～0.26)，启闭机室亦遭到瞬间射水，后来又将鸭咀内的圆滚止水橡皮改用φ90mm实心橡皮。经过运行，仍遭破坏。由于该门每年汛期操作频繁，顶水封在高水头情况下长时期射水，造成顶部缝隙水流空化，因而除门楣埋体被空蚀破坏外，土建部分的混凝土表面亦遭空蚀剥落；还有闸门底止水不严引起的缝隙漏水，或是设备维修不及时，闸门不能关严而引起的缝隙射水，均为空化源。此外在小开度情况下亦会发生缝隙水流空化，这种高速窄缝水流的空化都会导致空蚀破坏。1979年汛后检查时，发现闸门底部130mm高的范围内钢板和水封螺栓孔等处均有空蚀破坏现象。底水封处镶护的厚30mm的钢板在200mm宽的范围内空蚀麻点最深达20mm左右，底板两侧与侧护板交接处亦有手指可伸进的洞穴。
另外，碧口左岸泄洪洞弧形闸门孔口尺寸为9m×8m，设计水头70m，采用常规水封，二道P型顶水封，运行不久，顶水封橡皮撕裂，起自角隅；继而发展至门楣中部，顶水封严重漏水形成高速射流，使钢板衬砌掀起，埋件拔出，破坏严重。
2.8 石门水库底孔
该底孔装有2m×2m水头70m弧形工作闸门，自从1973年投入运行后，部分开启运行时间较长，特别是1980～1981年在高水头下操作频繁。1982年检查时，发现闸门及门楣埋件有严重空蚀破坏。闸门底部11cm高，长度84cm范围内面板空蚀破坏成锯齿形，根据西北水利科学研究所取样称得的重量，其失重率达29%，其中最严重的一段，失重率达33.4%，许多地方已被蚀穿。闸室侧墙护板，在距离底板高度140～155cm范围内有空蚀现象，最深点左侧为7mm，右侧为10mm，面积近70cm2。侧护板与底板交接处有高7cm，深约20cm的空蚀洞穴，底水封附近底板蚀深为2cm左右；闸门底水封橡皮残留部分仅剩左侧40cm，其它都已消失殆尽。
2.9 东江水电站偏心铰弧形闸门
东江水电站二级放空洞偏心铰弧形闸门，孔口尺寸为6.4m×7.5m，设计水头100m，挡水水头120m，于1983年3月完成设计。1986年8月2日正式投入运行，至1988年2月已连续部分开启运行了13466h，其操作(调整开度)56次，在水头55～69.47m时，部分开启6～18cm，运行了5373h。运行了四年多，工作水头已接近lOOm，未发现任何险情及损坏，经受了严峻的考验。
2.10 漫湾水电站冲沙洞
该电站大坝左、右岸各设一条冲沙洞，工作闸门为弧形闸门，其孔口尺寸为3.5m～3.5m，承压水头分别为90.5m和88m，弧门为直支臂，圆柱铰。弧门出口每边突扩0.6m，突跌1m，在突跌部位设置通气孔，闸门水封采用液控式伸缩水封，在同一曲面上呈口字型。另设常规水封辅助。
1993年6月28日第一台机组发电，水库水位974m，左、右岸冲沙洞弧形工作闸门承压水头分别为68.5m和70.5m。当时弧门的液压伸缩性水封尚未安装，只用常规水封止水，两座弧门均有不同程度的漏水，右岸冲沙洞弧门漏水较为严重。1995年4月对两座弧门进行了检修，并按设计要求安装液压伸缩型水封。当工作水头在80m以下时，常规水封的止水效果尚可，但在80～90m时水封接头及拐角处出现射水，射水现象随水库水位的增长而越来越严重。当液压伸缩型水封投入使用后，射水现象方彻底消除。该型水封运行到现在，止水效果令人满意。当弧门开启后水封头部已退回水封压板下面，高速水流在突扩、突跌处掺气良好，并形成沿水流流向长达4m左右的空腔，水封与压板与高速水流互不干扰，完全分开，闸门全开后高速水流不会损坏水封。
2.11 山西汾河水库弧形闸门
由于水封漏水，P型橡胶在高速射流下发生振动，产生噪声；周围几里内可以听见，此为闸门水封漏水成为噪声源的工程实例之一，通过原型观测及实地考查，分析研究，将水封压板加长增强，使P型水封的悬臂部分缩短并压紧，从而消除了振动与噪声源，使噪声消失。众所周知，液控伸缩型止水国外已有不少成功经验。如前苏联托克托古尔水电站5m×6m水头112.3m深孔弧门，布列斯卡雅水电站5m×6m水头117m深孔弧门等已运行多年，未见空蚀破坏报导。国内对该种水封的应用如雨后春笋屡见不鲜。例如，鲁布革水电站左岸泄洪洞8.5m×9m水头55m工作弧门顶水封，漫湾水电站左、右岸冲砂底孔3.5m×3.5m水头90.5m工作弧门，天生桥一级水电站放空洞6.4m×7.5m水头120m弧形工作门均采用了液控伸缩水封。
在28例弧门出口突扩、突跌止水方案中，仅三例因闸门下游泄水道过水表面不平整或通气孔冰凌阻塞而发生空蚀破坏，并非突扩之咎，其余诸工程实例均安全运行，获得成功。
总之，根据弧门止水布置的目前发展动向，纵观已建工程实践正反两方面的经验，经过相应的专题试验研究，天生桥一级水电站放空洞6.4m×7.5m水头120m弧形工作门均采用了液控伸缩水封，二滩、小浪底及小湾等工程均相继采用弧门出口突扩突跌，配以偏心铰压紧式水封或液压伸缩型水封。
3 三峡工程深孔弧形闸门止水方案的优化
长江委设计院对深孔弧门的止水方案已有初步设计，是本文研究的依据。若决策采用液控伸缩式水封后，可进一步参照水利水电昆明设计院、黄委设计院及成都设计院与国外类似工程的经验，进一步开展硅橡胶弧门止水的优化设计。水封橡皮一般是嵌装于门框埋件的凹槽上并用螺栓压板固定，由于它位于孔口周界之外，因此不会受到高速水流的冲击。水封背压与橡皮材料的特性有关，水封橡皮的材质，最好用硅橡胶。水封型式选择可参阅昆明水电设计研究院的专题研究及小湾工程的具体设计。通盘考虑后选定水封型式时可采用类似南京橡胶厂的新产品W型或小湾工程所用型式。
三峡工程深孔弧形闸门的主水封宜采用液控伸缩性水封。它是通过止水元件背部充压，使水封膨胀外伸，紧压在弧门面板上，达到止水目的。止水元件橡胶制品的物理力学性质、结构体型、外表和内腔尺寸与形状以及止水压板的长度、体型、接触面的粗糙度等都有相互关系。软一些的橡皮水封，其背压较小。
对于突扩门槽止水的弧形闸门，采用液控伸缩性水封。由于闸门开启过程中，水封脱离弧门面板，保持一定间隙，若不采取相应措施，闸门四周高压水流的喷射，可能引起射流切割、空化剥蚀与啸叫，或诱发闸门振动。为确保弧门在任意开度下运行时均能防止狭缝射水，弧门两侧可采用预压式辅助止水。门顶除主水封以外可增设弹簧钢板，使之与弧门面板压紧阻滞漏水。国外类似工程及国内漫湾、天生桥一级及小湾等工程都有相应的设计图纸与试验成果，可资借鉴。必要时尚须对硅橡胶的伸缩性水封的背压进行专门的补充试验。精心设计、精心制造、精心安装可使三峡深孔弧门的止水问题妥善解决。
4 结论和建议
三峡工程泄洪深孔的孔口数量多、尺寸大、应用频繁、历时又长、水头高并且变幅又大，任务艰巨，有一定风险，弧门止水问题务必慎重对待，千万不可视漏水为小事而掉以轻心。回顾历史经验，权衡得失利弊提出以下四点建议：
(1)三峡工程深孔弧形闸门的止水方案，建议采用突扩突跌布置，液控伸缩性水封。采用突扩、突跌布置后洞内局部水流略为复杂，但对闸门止水布置大有好处，综合考虑在运行上是有利的。应精心设计，集各家经验，取长补短力求完善。
(2)止水材质，建议采用硅橡胶“W”型水封。先在国内试生，若时间太紧，无法及时供应，可进口少量产品。
(3)同意长江委设计院的设计方案；采用23座弧形工作闸门、3座平面事故检修闸门、3套门机，另于深孔进口预留倒钩门槽，以防万一事故门故障失灵时应急之用。弧形闸门既可挡水，又可动水操作。若有疑虑可在弧门设计中适当加强底缘及支铰节点。在应力分析中应考虑动力系数，降低许可应力，使构件强度与刚度有一定储备，留有安全余地。确定面板厚度时应考虑机加工余量。
(4)关于增加20座平面事故检修闸门及若干座门机的建议，其用意是利用平面检修闸门在非汛期挡水，让弧门休整，以策安全。我们认为这一建议亦有不是之处：增加了20座事故门等，耗资甚巨，操作复杂，似无必要，国内外已建工程亦无此先例。总体上看，认真解决弧门止水问题，方为上策。
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