三峽水利樞紐工程泄洪壩段共設23個(gè)泄洪深孔，每孔設置三道閘門(mén)：孔道進(jìn)口上游壩面設置反鉤式檢修疊梁門(mén)；孔道中部設平板定輪事故閘門(mén)；孔道有壓段末端設弧形工作閘門(mén)�；￠T(mén)用擺缸式雙作用液壓?jiǎn)㈤]機動(dòng)水操作，單吊點(diǎn)，吊頭與弧門(mén)頂吊耳相連，一門(mén)一機，啟閉容量為4500/1000kN.事故閘門(mén)及檢修疊梁門(mén)由壩頂5000kN/2×630kN門(mén)式起重機借助抓梁操作。

　　水庫運用條件決定了泄洪深孔具有孔數多，孔口尺寸大，水頭高和操作相對頻繁的特點(diǎn)，并由此決定了深孔為三峽樞紐正常泄洪的主要通道。

　　根據長(cháng)江三峽洪水特點(diǎn)、樞紐布置及調度方式，深孔弧門(mén)有局部開(kāi)啟的要求。水庫初期運行閘門(mén)操作水頭40～50m（操作水位135～145m）。永久運用期常見(jiàn)操作水頭50～60m（操作水位145～155m），更高水頭操作的機會(huì )較少，閘門(mén)多處于擋水狀態(tài)。

　　1泄洪深孔體型及閘門(mén)布置方案研究

　　在初步設計階段圍繞深孔體型及其閘門(mén)止水布置方式進(jìn)行了多種布置方案的比較，并根據泄洪壩段大壩結構布置要求推薦采用孔道為有壓短管、工作門(mén)采用不突擴常規止水的弧形門(mén)布置方案。在1996年技術(shù)設計的金屬結構專(zhuān)家審查會(huì )上專(zhuān)家們提出了很多意見(jiàn)和建議，并認為“大壩泄洪深孔是三峽樞紐宣泄洪水的主要通道，最大流速近35m/s，工作弧門(mén)啟閉頻繁，并有局部開(kāi)啟要求，建議結合深孔摻氣減蝕措施研究弧門(mén)采用突擴門(mén)槽止水方案”。

　　隨后，結合深孔孔道水力學(xué)及壩體結構分析，對孔道體形及閘門(mén)止水布置進(jìn)行了多種方案的專(zhuān)題研究，并進(jìn)行了水工模型試驗，集中研究門(mén)槽突擴突跌、跌坎摻氣等布置（對應閘門(mén)止水采用液壓伸縮式和常規不突擴門(mén)槽止水）。試驗研究認為突擴與不突擴方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，突擴門(mén)槽對閘門(mén)止水布置較為有利，在水力學(xué)方面均可滿(mǎn)足設計要求，在實(shí)際工程中均有成功實(shí)例，減壓試驗表明門(mén)槽側擴不是空化源；但從工程實(shí)踐經(jīng)驗、運行條件、結構復雜程度等方面仍有差異：

　�、購乃�力學(xué)角度，通過(guò)優(yōu)化體形的突擴門(mén)槽方案可以做到避免空化，但在側墻的水舌沖擊區存在不穩定的壓力分布區，流態(tài)復雜，如布置不當，可能使側壁水流沖擊區成為空化源，其整體水力學(xué)特性稍次于側壁水流平順的跌坎門(mén)槽；

　�、谌龒{深孔運用條件復雜，要求在135～175m水位的各種工況條件下均取得較優(yōu)的水力學(xué)流態(tài)，且多在低水位條件下運行，相比之下跌坎摻氣門(mén)槽方案對各種運行水頭適應性較強；

　�、廴龒{泄洪大壩布置有三層泄洪及導流設施，壩體結構復雜而單薄，突擴門(mén)槽對壩體削弱較多。

　　綜合以上比較并在1998年8月由三峽總公司技術(shù)委員會(huì )組織的水工專(zhuān)家進(jìn)行專(zhuān)題審查討論會(huì )審定采用跌坎摻氣門(mén)槽方案，跌坎高1.5m.

　　2止水布置及試驗研究

　　三峽樞紐泄洪深孔運行期將歷經(jīng)施工導流期、初期發(fā)電運行期及永久運行期，工作水頭變幅在45～85m之間變化，根據已審定的三峽深孔體型布置方案，并結合其運行的實(shí)際情況，經(jīng)過(guò)對國內已建在建工程設計運行實(shí)踐的調查研究，選定深孔弧門(mén)采用不突擴的門(mén)槽體型，頂止水采用固定P型水封和轉鉸式防射水裝置，底側止水為常規預壓式。轉鉸式防射板止水布置在門(mén)楣頂部門(mén)槽埋件上，借助于不銹鋼片和上游庫水壓力推動(dòng)止水元件繞轉軸轉動(dòng)，壓緊在經(jīng)過(guò)機加工的弧門(mén)面板上，以適應閘門(mén)受水壓變形并達到封水目的。這種布置具有適應變形能力強、結構簡(jiǎn)單、制造加工操作運行方便等特點(diǎn)。為適應三峽各種運行水位，做到在低水位時(shí)不漏水，高水位時(shí)不致于將止水橡皮壓壞，在轉鉸止水上設置限位支承輪，以控制橡皮壓縮量，并起導向作用。由橡膠止水頭與面板接觸可以適應面板的不平度，同時(shí)在頻繁操作的條件下可減少對面板防腐涂層的磨損，延長(cháng)防腐壽命。另在閘門(mén)頂部設置1道蓋板式頂止水。以確保閘門(mén)在全關(guān)狀態(tài)的止水效果。側止水用方頭P型橡皮，摩擦面包四氟減少摩阻力。底部采用刀型橡皮，并與底坎垂直布置。

　　轉鉸止水與突擴門(mén)槽相比在中高水頭弧門(mén)運用中具有明顯優(yōu)勢：

　�、俎D鉸止水較容易適應閘門(mén)徑向變形量，且對閘門(mén)面板精度要求相對較低；

　�、诮Y構簡(jiǎn)單、操作方便，不需另外設置偏心鉸操作機構或加壓控制設備等�？纱蟠蠼档驮靸r(jià)和制作難度；

　�、劭椎榔巾�，水流條件較好，有利于高速水流的銜接。

　　但是由于轉鉸止水和側止水布置不在同一曲面上，在頂側止水連接角隅處易發(fā)生漏水。同時(shí)其連接多為現場(chǎng)粘接的方式，在閘門(mén)開(kāi)啟過(guò)程中橡皮與側墻摩擦易產(chǎn)生撕裂損壞。對此三峽深孔弧門(mén)止水在以下幾方面進(jìn)行優(yōu)化了設計。

　�。�1）優(yōu)化連接方式。由于常規不突擴止水所固有的弱點(diǎn)，其頂側止水的結構形式雖較難改變，但其連接方式可由現場(chǎng)膠合改為工廠(chǎng)整體模壓成型，制成異型連接構件，其與頂止水和側止水的連接分別在直段膠合，加強頂側止水角隅局部的連接強度。

　�。�2）改善止水橡皮的材料性能。國內止水橡皮是參照前蘇聯(lián)閘門(mén)橡膠止水的有關(guān)技術(shù)規范，用天然橡膠或合成橡膠及優(yōu)質(zhì)高效配合劑制作而成，具有優(yōu)良的彈性、耐磨、抗撕裂等性能。根據工程實(shí)踐的經(jīng)驗，封水水頭越高，需止水橡皮材料的硬度和強度就越大，然而橡膠太硬又不易變形，對封水效果反而不利，經(jīng)與有關(guān)橡膠止水生產(chǎn)廠(chǎng)家和科研單位聯(lián)合研究試制，最終選定的硬度為邵氏75，扯斷強度為28.6MPa的橡膠配方材料，其硬度、強度和彈性等綜合指標均較優(yōu)。

　　止水斷面模型和整體動(dòng)態(tài)模型試驗結果表明：

　�、僭囼炚J為在滿(mǎn)足一定橡皮壓縮量條件下設計止水方案整體密封效果良好，能滿(mǎn)足80~100m封水要求。

　�、陧斔�封預壓縮量3mm，底水封預壓縮量8～10mm，側水封預壓縮量3～5mm，轉鉸水封預壓縮量3～4mm.

　�、鄢袎核�頭85m，通過(guò)反復啟閉弧門(mén)，使水封與門(mén)槽反復摩擦，通過(guò)試驗可知：水封的磨擦破壞先由聚四氟乙烯開(kāi)始；當聚四氟乙烯與橡膠粘結不好時(shí)，聚四氟乙烯易被反復擠壓斷裂破壞，當聚四氟乙烯與橡膠粘結較好時(shí)，聚四氟乙烯被逐漸磨薄而露出橡膠；然后橡膠受磨損壞。當水封聚四氟乙烯與橡膠粘結良好，側水封經(jīng)原型弧門(mén)全開(kāi)全關(guān)約100次（模型水封反復開(kāi)啟2600次，每次行程50cm），聚四氟乙烯磨損而露出橡膠；轉鉸水封經(jīng)原型弧門(mén)全開(kāi)全關(guān)約40～50次（模型水封反復開(kāi)啟1200次）后，聚四氟乙烯磨損而露出橡膠（局部有撕裂現象）；聚四氟乙烯磨損而露出橡膠后，水封尚可止水，但耐磨性較差，有待進(jìn)一步研究改進(jìn)水封材料。

　　3孔弧門(mén)結構設計

　　泄洪深孔工作閘門(mén)選用弧形門(mén)，孔口尺寸7m×9m（寬×高），設計水位175m，底坎高程90m，設計水頭85m，校核水頭90.4m，設計總水壓力66000kN，支鉸高程依據水工模型試驗的水面曲線(xiàn)定為103.0m（至底坎13m），面板曲率半徑16m（約孔口高的1.8倍）。深孔弧門(mén)的門(mén)體結構型式根據孔口尺寸為窄高型而采用主縱梁布置，并結合施工現場(chǎng)安裝工期緊，數量多，以及安裝條件的實(shí)際情況，從閘門(mén)結構運輸單元劃分、節間連接方式方面考慮，以盡量減少現場(chǎng)安裝工作量和難度，主要工作均在工廠(chǎng)完成，確保閘門(mén)結構最終的質(zhì)量，提高安裝進(jìn)度。因此閘門(mén)結構按縱向分為左右兩塊，節間用高強螺栓連接，且門(mén)葉與支臂、支臂與鉸鏈間均采用螺栓連接，避免現場(chǎng)焊接引起的二次變形。

　　閘門(mén)由箱型主縱梁、小縱梁、小橫梁、邊梁及面板組成門(mén)葉梁系焊接結構，門(mén)葉結構采用焊后整體退火處理消除焊接應力及變形。門(mén)葉面板、左右門(mén)葉連接面進(jìn)行機加工。支臂結構為箱型斷面Q345D低合金鋼板焊接結構，焊后整體退火處理消除焊接應力，板厚30mm，斷面輪廓尺寸1.0m×1.2m.并按有關(guān)設計規范進(jìn)行強度穩定計算。上、下、左、右支臂支桿間由連系桿件連成整體。上支臂在褲衩處用法蘭螺栓連接。左右門(mén)葉在工地安裝后弧面拼縫用V型坡口水密焊�；￠T(mén)支鉸采用圓柱鉸，鉸座鉸鏈均采用45��#鑄鋼，支鉸軸為40Cr鍛鋼，表面鍍鉻，軸瓦采用進(jìn)口（DEVA）銅基鑲嵌自潤滑免維護軸承，軸承內徑��800mm，內設密封圈。

　　4孔閘門(mén)水力學(xué)設計

　　根據最終審定的深孔閘門(mén)布置方案，按照九五科研計劃分別委托北京水科院和長(cháng)江科學(xué)院進(jìn)行大比尺深孔閘門(mén)水力學(xué)及動(dòng)力特性模型試驗研究，為三峽深孔弧門(mén)的設計和安全運行提供依據和可靠保證。

　　模型試驗表明：各種泄流條件下，深孔閘門(mén)段未發(fā)現特殊流態(tài)，作用于孔壁與弧門(mén)面板上的時(shí)均壓力隨水位升高而增大，隨流速增加而減少，符合一般規律。

　　流激振動(dòng)試驗結果表明：

　�、僮饔迷诨⌒伍l門(mén)上的動(dòng)水荷載，主要為高速水流的壓力脈動(dòng)和止水漏水縫隙射流形成的動(dòng)水荷載，該荷載不但對結構強度產(chǎn)生影響，且可能誘發(fā)閘門(mén)振動(dòng)，1∶26模型試驗進(jìn)行兩組庫水位175.0m及180.4m和弧門(mén)開(kāi)度0.1~0.9九種工況的脈動(dòng)壓力測試，壓力大小與上游水位，閘門(mén)開(kāi)度及測點(diǎn)位置有關(guān)，其隨閘門(mén)開(kāi)度的增加而增大，靠近側止水的邊柱及門(mén)的底緣處，脈動(dòng)壓力較大。

　�、谌�水彈性模型閘門(mén)在各種泄流條件下試驗表明，在常規的不模擬側止水條件下，作用在閘門(mén)上的脈動(dòng)壓力的優(yōu)勢頻率都在6.0Hz以?xún)阮l帶上，按水彈性模型中的脈動(dòng)壓力頻率比尺換算到原型，則作用在原型閘門(mén)上的脈動(dòng)荷載能量大的頻率分量分布在1.34Hz以?xún)阮l帶上。模態(tài)分析已知原型閘門(mén)的第一階自振動(dòng)頻率為3.96Hz，閘門(mén)自振頻率遠離脈動(dòng)荷載優(yōu)勢頻率，因此，閘門(mén)不會(huì )與其發(fā)生共振，而6.0Hz（原型為1.34Hz）以上某些脈動(dòng)壓力頻率分量能量較小，不足以對閘門(mén)產(chǎn)生明顯動(dòng)力放大作用。振動(dòng)將以隨機強迫振動(dòng)為主。

　�、壅駝�(dòng)位移隨上游庫水位增加而增大，位移的最大均方根值為431.23μm，出現在主縱梁與閘門(mén)底緣交接處，動(dòng)應力最大均方根值為3.77MPa，出現在弧門(mén)面板頂部中間位置。有限元計算假定弧門(mén)兩側邊為自由邊，而在設計中除了加強了邊柱，底緣，支臂的剛度采取有效措施外，還在側向限制了約束，即側止水橡皮壓縮量取值為5mm，側輪與軌板間隙按常規設計為5mm，因而弧門(mén)實(shí)際運行時(shí)振動(dòng)位移及止水漏水縫隙射水的脈動(dòng)影響將減小到最低程度。

　　三峽深孔弧形門(mén)結構及止水布置型式，經(jīng)國內外已建工程的運行經(jīng)驗調查、方案比較、科學(xué)試驗并經(jīng)國內同行業(yè)專(zhuān)家充分討論審查，確定并完成了設計，現已全部制造安裝到位，我們將特別關(guān)注其運行情況及原型觀(guān)察，總結經(jīng)驗。