摘要：由于伸缩式水封良好的封水效果，许多大型的弧型闸门均采用这种密封型式，本文结合大岗山工程参数，介绍了充压水封系统的系统构成，设计原理及选主要设备的选型方式，并针对系统实际运行中出现的问题给出了解决方案，可以为类似系统的设计和运行提供借鉴。
关键词：弧型闸门；伸缩式充压水封；系统设计；
由于弧形闸门具有应用水头高、挡水性能好、流量控制性能好、对水流流态影响小等诸多优点，许多大型电站的泄洪洞、大坝的中孔、深孔等处均采用了弧形闸门，如现已投运的二滩、瀑布沟、官地、溪洛渡等大型电站。根据统计，设计水头较高的弧形闸门大多数采用伸缩式水封止水，利用水或气水混合物作为水封（一般为橡胶围带）保压的工作介质。水封充压腔的压力由库水位与弧形闸门伸缩式水封平均高程之间的水头压差决定，一般来说，水封充压腔内部压力比闸门设计水头高约0.4MPa，即可实现封水效果。
1 大岗册电站基本情况
该水电站拱坝坝身设有四孔深孔，对称溢流中心线布置，其作用为调洪削峰。弧形工作闸门底坎高程①、④孔底坎高程为1042.17m，闸顶高程为1055.66m；②、③孔底坎高程为1045.51m，闸顶高程为1058.43m。
关键词：弧型闸门；伸缩式充压水封；系统设计；
由于弧形闸门具有应用水头高、挡水性能好、流量控制性能好、对水流流态影响小等诸多优点，许多大型电站的泄洪洞、大坝的中孔、深孔等处均采用了弧形闸门，如现已投运的二滩、瀑布沟、官地、溪洛渡等大型电站。根据统计，设计水头较高的弧形闸门大多数采用伸缩式水封止水，利用水或气水混合物作为水封（一般为橡胶围带）保压的工作介质。水封充压腔的压力由库水位与弧形闸门伸缩式水封平均高程之间的水头压差决定，一般来说，水封充压腔内部压力比闸门设计水头高约0.4MPa，即可实现封水效果。
1 大岗册电站基本情况
该水电站拱坝坝身设有四孔深孔，对称溢流中心线布置，其作用为调洪削峰。弧形工作闸门底坎高程①、④孔底坎高程为1042.17m，闸顶高程为1055.66m；②、③孔底坎高程为1045.51m，闸顶高程为1058.43m。
闸门的主要参数如下：
闸门型式 潜孔式弧形闸门
孔口宽度 6m
闸门高度 6.6m
设计水头 87.83m
考虑到闸门水头高，设置两道止水，主止水采用充压伸缩式止水型式，水封充水（气）容积~0.3m3；辅助侧止水为P型水封，辅助顶止水为转铰式水封，辅助底止水为刀型水封。闸门为动水启闭，全开运行。
2 充压伸缩式水封系统设计
2.1 系统要求
大岗山深孔弧门主要用于泄洪错峰，根据其运行特点，充压水封系统设计应达到如下要求：
（1）弧门关闭状态时，水封内压应保持基本恒定，并高于迎水面水压，以保证封水效果；
（2）弧门开启前，水封内水、气应全部排除，水封完全退回水封槽内，确定弧门顺利
闸门型式 潜孔式弧形闸门
孔口宽度 6m
闸门高度 6.6m
设计水头 87.83m
考虑到闸门水头高，设置两道止水，主止水采用充压伸缩式止水型式，水封充水（气）容积~0.3m3；辅助侧止水为P型水封，辅助顶止水为转铰式水封，辅助底止水为刀型水封。闸门为动水启闭，全开运行。
2 充压伸缩式水封系统设计
2.1 系统要求
大岗山深孔弧门主要用于泄洪错峰，根据其运行特点，充压水封系统设计应达到如下要求：
（1）弧门关闭状态时，水封内压应保持基本恒定，并高于迎水面水压，以保证封水效果；
（2）弧门开启前，水封内水、气应全部排除，水封完全退回水封槽内，确定弧门顺利
安全开启。
2.2 系统选型设计
一般来说，充压伸缩式水封系统由滤水器、空压机及储气罐、水环式真空泵、动力及控制柜等组成。
根据水封的运行要求，在投入期间内水封应基本保持恒定压力，因此，正常情况下，可以采用坝上永久消防水源作为水封保压水源；水库初期蓄水时，坝顶永久消防水还未最终形成，水封的供水可采用临时水源加泵增压；极端情况下，可采用空压机供气保压，直至水源形成。
（1）气罐的选型：
Vg=KPHVH/（P1-P2）=1×1.2×0.3/（1.5-1.3）=1.8m3
式中：K－考虑同时补气的系数，按1扇弧形闸门水封吹气考虑。
P2－空压机启动压力，1.3MPa。
P1－储气罐额定压力，1.5MPa。
PH－充压水封系统保压压力，1.2MPa。
VH－由于水封回缩上升后需要补气的容积（伸缩式水封空腔容积），
2.2 系统选型设计
一般来说，充压伸缩式水封系统由滤水器、空压机及储气罐、水环式真空泵、动力及控制柜等组成。
根据水封的运行要求，在投入期间内水封应基本保持恒定压力，因此，正常情况下，可以采用坝上永久消防水源作为水封保压水源；水库初期蓄水时，坝顶永久消防水还未最终形成，水封的供水可采用临时水源加泵增压；极端情况下，可采用空压机供气保压，直至水源形成。
（1）气罐的选型：
Vg=KPHVH/（P1-P2）=1×1.2×0.3/（1.5-1.3）=1.8m3
式中：K－考虑同时补气的系数，按1扇弧形闸门水封吹气考虑。
P2－空压机启动压力，1.3MPa。
P1－储气罐额定压力，1.5MPa。
PH－充压水封系统保压压力，1.2MPa。
VH－由于水封回缩上升后需要补气的容积（伸缩式水封空腔容积），
VH=0.3m3。
考虑气罐稳压效果，选取气罐的容积为2.5m3，额定压力为1.5MPa。
（2）空压机的选型：
Qk =（Vg+V管路）P1/60T =（4+0.7）×1.5×10/60×（2～4）= 0.29～0.59（m3/min）
式中：T－伸缩水封充压泄压系统的充气时间，根据《水电站机电设计手册》，一般压力装置充气时间为2h～4h；
V管路－管路的容积，经初步计算为0.7 m3。
Qk－空压机额定排气量（生产率）
留取一定安全裕量，并且考虑在利用气排除水封充压腔及其管路内的积水时，保证气体流速远大于气体正常流速15m/s，最终取值Qk=1.0m3/min。
（3）水环式真空泵的选择
当工作弧门开启前，应使水封完全回缩，但由于水封受到长期侧向压力、水封橡胶老化、水封安装质量或设计制造的原因，在用压缩空气将管路及水封内部水排除后，充压式伸缩水封有可能不能均匀回缩，因此应设置水环式真空泵，将水封内部压力抽至真空状态，使水封能均匀回缩，弧门顺利开启。参考厂家资料，选择2台水环式真空泵，一台工作，一台
考虑气罐稳压效果，选取气罐的容积为2.5m3，额定压力为1.5MPa。
（2）空压机的选型：
Qk =（Vg+V管路）P1/60T =（4+0.7）×1.5×10/60×（2～4）= 0.29～0.59（m3/min）
式中：T－伸缩水封充压泄压系统的充气时间，根据《水电站机电设计手册》，一般压力装置充气时间为2h～4h；
V管路－管路的容积，经初步计算为0.7 m3。
Qk－空压机额定排气量（生产率）
留取一定安全裕量，并且考虑在利用气排除水封充压腔及其管路内的积水时，保证气体流速远大于气体正常流速15m/s，最终取值Qk=1.0m3/min。
（3）水环式真空泵的选择
当工作弧门开启前，应使水封完全回缩，但由于水封受到长期侧向压力、水封橡胶老化、水封安装质量或设计制造的原因，在用压缩空气将管路及水封内部水排除后，充压式伸缩水封有可能不能均匀回缩，因此应设置水环式真空泵，将水封内部压力抽至真空状态，使水封能均匀回缩，弧门顺利开启。参考厂家资料，选择2台水环式真空泵，一台工作，一台
勾海峰备用。
3系统调试运行情况
弧形闸门投运前，对伸缩式水封充泄压系统进行了全面的调试。在调试运行过程中，水封充水保压流程操作顺利，水封按设计要求保压投入，但是在水封进行排水（气）退出操作调试时，发现在吹气排水的过程中，储气罐气压急速下降，水封排水口水流大部分时间为完全气饱和状态的发散形雾化性状，排水后，即使延长真空泵抽真空时间，水封仍不能完全回缩，检查发现水封下部仍有存有积水。
结合系统设计和项目实际情况分析后认为，由于布置条件限制，水封排水管出口位于弧门顶端位置，高于最底排水点~15m，因此水封内的水不能依靠自流排尽，必须投入吹气系统辅助；但在吹气排水初期，排水管打开时，水封内水体压力下降，使气罐内气体与水封内水体压差变大，导致高压气流直接贯穿水封内水体，气体携水效果大为降低，且气压急速降低，导致排水不完全；同时该弧门孔口尺寸较高，真空泵布置于弧门上方的启闭机室内，使其对水封底部的积水抽排能力下降，因此，虽然数次启动真空泵，水封内的余留积水仍不能完全排除，水封回缩不到位。针对上述问题，经过考虑，在吹气管路上增设气体减压阀，减少气流与水封内水的压差，同时，缩小水封排水管出口管径，使其产生一定的憋水（气）效
3系统调试运行情况
弧形闸门投运前，对伸缩式水封充泄压系统进行了全面的调试。在调试运行过程中，水封充水保压流程操作顺利，水封按设计要求保压投入，但是在水封进行排水（气）退出操作调试时，发现在吹气排水的过程中，储气罐气压急速下降，水封排水口水流大部分时间为完全气饱和状态的发散形雾化性状，排水后，即使延长真空泵抽真空时间，水封仍不能完全回缩，检查发现水封下部仍有存有积水。
结合系统设计和项目实际情况分析后认为，由于布置条件限制，水封排水管出口位于弧门顶端位置，高于最底排水点~15m，因此水封内的水不能依靠自流排尽，必须投入吹气系统辅助；但在吹气排水初期，排水管打开时，水封内水体压力下降，使气罐内气体与水封内水体压差变大，导致高压气流直接贯穿水封内水体，气体携水效果大为降低，且气压急速降低，导致排水不完全；同时该弧门孔口尺寸较高，真空泵布置于弧门上方的启闭机室内，使其对水封底部的积水抽排能力下降，因此，虽然数次启动真空泵，水封内的余留积水仍不能完全排除，水封回缩不到位。针对上述问题，经过考虑，在吹气管路上增设气体减压阀，减少气流与水封内水的压差，同时，缩小水封排水管出口管径，使其产生一定的憋水（气）效
果，延缓气流压力下降速度。
水封充压系统经过改造后，重新调试运行，水封投入、回缩均达到设计要求，说明上述调整是成功有效的。
4 结语
（1）大型弧门采用伸缩式充压水封，已在许多工程中实际运用，本文结合大岗山项目的实际参数特点，对弧门水封系统进行了系统设计和设备选型，经系统的调试和成功运行来看，该系统的设计和调整是合适可靠的。
（2）为避免排水效果不理想的情况，在条件许可的情况下，水封的排水管路应尽量低于水封最低排水点，以确保可以完全通过自流排水排尽水封内的积水。缩短气系统的运行时间，降低系统能耗。
（3）如果因为布置，要采用吹气排水，排气压力应根据项目的实际情况合理设定，确保吹气排水效果，缩短排水时间。
参考文献：
[1] 赵海峰，梁小飞，杨维平.充压伸缩式水封系统在锦屏一级大坝工程的应用[J].水电与抽水蓄能，2016，2（2）：65-67.
水封充压系统经过改造后，重新调试运行，水封投入、回缩均达到设计要求，说明上述调整是成功有效的。
4 结语
（1）大型弧门采用伸缩式充压水封，已在许多工程中实际运用，本文结合大岗山项目的实际参数特点，对弧门水封系统进行了系统设计和设备选型，经系统的调试和成功运行来看，该系统的设计和调整是合适可靠的。
（2）为避免排水效果不理想的情况，在条件许可的情况下，水封的排水管路应尽量低于水封最低排水点，以确保可以完全通过自流排水排尽水封内的积水。缩短气系统的运行时间，降低系统能耗。
（3）如果因为布置，要采用吹气排水，排气压力应根据项目的实际情况合理设定，确保吹气排水效果，缩短排水时间。
参考文献：
[1] 赵海峰，梁小飞，杨维平.充压伸缩式水封系统在锦屏一级大坝工程的应用[J].水电与抽水蓄能，2016，2（2）：65-67.
[2] 刘凤维.超高水头充压弧门的制造工艺研究[J].住宅与房地产，2016（10X）.
[3] 李福年，杨浩，薛德惠.新型表孔弧门侧水封结构在阿海水电站的应用[J].水电站机电技术，2017，40（6）：30-31.
[4] 邸南思，董作见，张辉.图尔古松水电站泄洪深孔弧形闸门设计及融冰措施[J].水电与新能源，2017（10）：27-31.
[3] 李福年，杨浩，薛德惠.新型表孔弧门侧水封结构在阿海水电站的应用[J].水电站机电技术，2017，40（6）：30-31.
[4] 邸南思，董作见，张辉.图尔古松水电站泄洪深孔弧形闸门设计及融冰措施[J].水电与新能源，2017（10）：27-31.
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