瀑布溝水電站金屬結(jié)構(gòu)設計

賈愛軍，呂念東，張萬秋

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川成都 610072)

1 工程概況

瀑布溝水電站是大渡河干流水電梯級規(guī)劃調(diào)整推薦22級方案中的第17個梯級，是一座以發(fā)電為主，兼有防洪、攔沙等綜合利用效益的大型水電工程，是大渡河中游控制性工程。水庫正常蓄水位高程850 m，總庫容53.37億m3，為不完全年調(diào)節(jié)水庫。電站布置6臺單機容量為600 MW的混流式水輪發(fā)電機組，裝機總?cè)萘繛? 600 MW，多年平均年發(fā)電量147.9億kW·h。

瀑布溝水電站金屬結(jié)構(gòu)設備包括泄水、引水、施工導流等部位的閘門、攔污柵及其埋件以及啟閉設備。金屬結(jié)構(gòu)總工程量約2.5萬t。

2 泄水系統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)設計

瀑布溝水電站泄水建筑物布置3孔溢洪道、1孔泄洪洞和1孔放空洞。

2.1 溢洪道閘門及啟閉機

2.1.1 工作閘門及啟閉機

溢洪道共3孔，每孔設置1扇弧形工作閘門，閘門尺寸為12 m×17.897 m－17.497 m(長 × 寬－水頭，下同)。底坎高程832.513 m，閘門按正常蓄水位高程850 m設計。閘門為雙主橫梁、斜支臂結(jié)構(gòu)，球鉸支承。閘門面板外緣半徑為18 m，支鉸中心高程841 m，閘門總水壓力為22 295 kN。支鉸軸承為自潤滑球面滑動軸承。工作閘門動水啟閉，可局部開啟調(diào)節(jié)流量。

工作閘門由2×2 000 kN后拉式液壓啟閉機操作，啟閉機工作行程約7.6 m。每套液壓啟閉機配置1套獨立液壓泵站。液壓啟閉機可現(xiàn)地操作，也可遠控操作。

2.1.2 事故閘門及啟閉機

工作閘門前設置3孔事故檢修門槽，共用1扇事故門葉。閘門孔口寬度為12 m，底坎高程833 m，閘門按正常蓄水位高程850 m設計，設計水頭17 m，閘門頂超高0.5 m，閘門總水壓力為17 520 kN。閘門為露頂平面定輪閘門，上游封水。閘門操作條件為動水下門，靜水啟門。啟門時節(jié)間充水平壓，門前后水位差小于1 m后啟門。定輪直徑為750 mm，采用帶密封的球面滑動軸承。為了保證所有定輪踏面在同一平面而采用偏心軸。門葉分為5節(jié)制造、運輸，現(xiàn)場將上面三節(jié)焊接成一體，下面兩節(jié)焊接成一體，兩大節(jié)間用連接板和銷軸連接。門槽采用Ⅱ型門槽。閘門平時存放在儲門槽內(nèi)。

事故閘門用2×1 000 kN/160 kN單向門機操作。門機軌距8 m，軌上揚程18 m，總揚程25 m，工作級別為Q2－輕。160 kN回轉(zhuǎn)吊可用來檢修工作閘門液壓啟閉機。

2.2 泄洪洞的閘門及啟閉機

泄洪洞位于左岸地下廠房左側(cè)。在泄洪洞進口處設事故閘門和工作閘門各1扇，閘門底坎高程795 m。

2.2.1 工作閘門及啟閉機

工作閘門為潛孔弧形閘門，孔口尺寸為11 m×11.5 m－55 m，閘門為雙主橫梁、直支臂結(jié)構(gòu)，球鉸支承。閘門面板外緣半徑22 m，支鉸中心高程812.5 m，閘門總水壓力為91 688 kN。工作弧門的頂水封設置兩道:一道P型水封，固定在門葉上，當弧門關閉孔口后能起止水作用;另一道采用固定在門楣上的轉(zhuǎn)軸式水封，以防止弧門在啟閉過程中門頂縫隙射水。支鉸軸承為自潤滑球面滑動軸承。工作閘門動水啟閉，可局部開啟調(diào)節(jié)流量。

工作閘門由2×4 000 kN后拉式液壓啟閉機操作，啟閉機工作行程約9 m。啟閉機泵房布置在孔口上方高程829.5 m的平臺上。液壓啟閉機可現(xiàn)地操作，也可遠控操作。閘頂856 m高程另設1臺250 kN雙向門機，用于液壓啟閉機的檢修起吊。

2.2.2 事故閘門及啟閉機

事故閘門為潛孔平面滑動閘門，孔口尺寸為11 m ×14 m －58.78 m，總水壓力為 85 853 kN。閘門下游封水，操作條件為動水閉門，靜水啟門。閉門時利用閘門上的水柱閉門，啟門時先通過門頂?shù)某渌y充水平壓，待水壓差小于5 m后啟門。閘門采用增強四氟板材—NL150滑道支承。門槽采用Ⅱ型門槽。閘門平時鎖定在850.5 m高程的平臺上。

事故閘門由一臺2×4 500 kN固定卷揚啟閉機操作。啟閉機設置在底高程為872.7 m的啟閉機房內(nèi)。啟閉機工作級別為Q2－輕，總揚程57 m，起升速度分為2種:當閘門底緣高程在810 m以下時為1.64 m/min、閘門底緣高程在810 mm以上時為 3.28 m/min。

2.3 放空洞的閘門及啟閉機

放空洞位于右岸。在放空洞中部設工作閘門1扇，進口處設事故閘門1扇。

2.3.1 工作閘門及啟閉機

工作閘門為潛孔弧形閘門，孔口寬度6.5 m，孔口高度8 m。閘門底坎高程727.5 m。擋水水頭按校核洪水位高程853.78 m設計，為126.28 m;放空時全開操作水位為高程805 m，操作水頭77.5 m。閘門總水壓力為121 870 kN。閘門為主縱梁、直支臂結(jié)構(gòu)，球鉸支承，閘門面板外緣半徑17 m，支鉸中心高程739.5 m?？紤]到閘門水頭高，門槽采用突擴、跌坎型，兩邊突擴寬度各為600 mm，跌坎高度1 500 mm。主止水采用充壓伸縮式止水形式，側(cè)止水為二道，分別為充壓水封及P型水封;頂水封共三道，分別為充壓水封、轉(zhuǎn)鉸式水封及P型水封;底水封共二道，分別為充壓水封及刀型水封。支鉸軸承為自潤滑球面滑動軸承。工作閘門動水啟閉，可局部開啟調(diào)節(jié)流量。

工作閘門啟閉機為搖擺式液壓啟閉機，容量為5 000 kN/1 600 kN(啟門力/下壓力)，工作行程12.3 m。油缸的中部與機架支座相連，油缸活塞桿的下端與閘門頂部吊耳相連。液壓泵站布置在孔口上方高程757.5 m的啟閉機房內(nèi)。液壓啟閉機可現(xiàn)地操作，也可遠控操作。啟閉機房內(nèi)773 m高程設550 kN橋機一臺，用于液壓啟閉機的檢修起吊。

2.3.2 事故閘門及啟閉機

事故閘門為潛孔平面閘門，孔口寬7 m，高9 m。閘門底坎高程730 m。擋水水頭按校核洪水高程853.78 m設計，為123.78 m;最大操作水位為高程805 m，操作水頭75 m。閘門總水壓力為84 894 kN。放空洞事故閘門孔口尺寸大、設計水頭高，采用滑道支承會造成持住力過大，定輪支承輪壓過大，鏈輪閘門摩阻力小，相應啟閉力較小，故選擇鏈輪作為事故閘門支承。

事故閘門為上游封水，加重閉門，操作水頭下充水閥充水平壓，水壓差小于5 m后啟門。門葉分四節(jié)制造，每節(jié)均為焊接結(jié)構(gòu)，節(jié)間采用高強螺栓連接。鏈輪直徑270 mm，踏面寬度320 mm，材料為34CrNi3Mo。頂、側(cè)水封采用山型水封，底水封為刀形水封。門槽為整體Ⅱ型門槽，主軌材料為ZG270－500，門槽上下游一段范圍內(nèi)用鋼板襯砌保護。

事故閘門采用5 000 kN固定卷揚式啟閉機操作，啟閉機布置在底高程875 m的啟閉機房內(nèi)。啟閉機揚程127 m，工作級別為Q2－輕，起升速度分為2種:當閘門底緣在高程745 m以下時為2.5 m/min、閘門底緣高程在745 m以上時為5 m/min。

3 引水發(fā)電系統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)設計

引水發(fā)電系統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)包括進水口攔污柵、進水口檢修閘門、進水口快速閘門、尾水管檢修閘門及尾水洞出口檢修閘門。

3.1 進水口攔污柵及啟閉機

攔污柵布置在進水口前緣。為保證攔污柵清污或檢修時不停機，減少污物堵塞攔污柵，設置了二道聯(lián)通式平面直立柵槽，前一道為工作柵槽，后一道為備用柵槽。當部分攔污柵被堵塞時，仍能保證足夠的引水量。每臺機組進口又分為5孔，每孔寬度為3.7 m，高度為30 m，按4 m水位差設計。設工作柵30扇，備用柵1扇。工作柵和備用柵均采用2 500/500/500 kN門機上游側(cè)的500 kN回轉(zhuǎn)吊通過平衡梁配合拉桿操作。備用柵平時分4節(jié)儲存在壩頂?shù)膬挪蹆?nèi)。

3.2 進水口檢修閘門及啟閉機

進水口為單機單管引水，六臺機組共6個孔口，共用1扇檢修閘門。檢修閘門為潛孔平面滑動閘門，孔口尺寸為 7.5 m ×10.08 m －85 m，閘門總水壓力為62 231 kN。主支承滑道采用增強鋼基銅塑復合材料滑道。檢修閘門為下游止水，單吊點，靜水啟閉，充水閥充水平壓，水壓差小于3 m后啟門。閘門用2 500/500/500 kN雙向門機主鉤通過液壓抓梁操作，閘門平時存放在儲門槽內(nèi)。

2 500/500/500 kN雙向門機軌上揚程17 m，總揚程94 m，軌距14.8 m，工作級別為Q2－輕。

3.3 進水口快速閘門及啟閉機

每臺機組進口設有1扇快速閘門，孔口尺寸為7.5 m ×9.5 m －85 m，總水壓力為55 400 kN。門型為平面滑動閘門，支承滑道采用增強鋼基銅塑復合材料滑道。下游止水，動水閉門，靜水啟門。閉門時利用門體上的水柱壓力下門。啟門時利用門頂充水閥充水平壓，水壓差小于5 m后啟門。閘門平時停放在孔口以上0.65 m處，處于待命狀態(tài)。當機組發(fā)生事故需關閉快速閘門時，閘門可在2 min內(nèi)動水關閉孔口。

快速閘門由液壓啟閉機通過拉桿操作，啟閉機持住力為10 000 kN，啟門力為4 500 kN，工作行程為10 500 mm，油缸的頂部支承在機架球面支座上，油缸活塞桿的下端與閘門頂部拉桿相連。液壓啟閉機泵站布置在853 m高程的啟閉機室內(nèi)，每三臺機設一套液壓站。液壓啟閉機可現(xiàn)地操作，也可遠控操作。

3.4 尾水管檢修閘門及啟閉機

6條尾水管在尾水閘室出口后匯為兩條尾水洞。為了機組的安裝和維修需要，在尾水管出口設有檢修閘門。6個尾水管出口共設置6個門槽，設3扇檢修閘門?？?口 尺 寸 為10.87 m×15.22 m－25 m，總水壓力為29 195 kN，閘門底坎高程為656.4 m，最高涌浪水位高程為681.4 m。門型為平面滑動閘門，采用增強四氟板材—NL150滑道支承。為保證上游止水效果良好，下游側(cè)設置彈性滑塊。靜水啟閉，節(jié)間充水平壓，水壓差小于1 m后啟門。閘門平時存放在儲門槽內(nèi)。

閘門由2×1 000 kN臺車式啟閉機通過液壓抓梁操作，臺車軌距4.5 m，揚程28 m，工作級別為Q2－輕。

3.5 尾水洞出口檢修閘門及啟閉機

6臺機組共布置有兩條尾水洞。為了檢修尾水洞，在出口設有檢修閘門。閘門孔口尺寸均為20 m ×18 m －17.7 m，閘門底坎高程661.2 m，設計尾水位678.9 m，總水壓力30 918 kN。門型為平面滑動閘門，采用增強四氟板材—NL150滑道支承，下游止水。為保證止水效果良好，上游側(cè)設置彈性反輪。靜水啟閉，節(jié)間充水平壓，水壓差小于、等于1 m后啟門。閘門平時鎖定在687.4 m高程的平臺上。

該閘門尺寸大，單節(jié)重量大，且要在施工期擋水，現(xiàn)場安裝條件差。為了便于現(xiàn)場安裝，設計時考慮閘門分節(jié)單獨受力獨立工作，并考慮運輸單元允許，閘門分5節(jié)設計，現(xiàn)場采用鉸接方式連接，并設置節(jié)間止水，從而大大減少了現(xiàn)場安裝焊接工作量。

閘門用2×1 600 kN固定式啟閉機操作，啟閉機布置在底高程709 m的啟閉機房內(nèi)。啟閉機揚程28 m，工作級別為Q2－輕。

4 施工導流系統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)設計

瀑布溝水電站施工期布置有1#、2#兩條導流隧洞，1#、2#洞進口均設一中墩，分成兩個孔口，每孔設1扇封堵閘門。閘門為平面滑動閘門，孔口寬度均為6.5 m，進口底坎高程均為673 m。閘門孔口尺寸為6.5 m ×16.5 m －133 m，下閘水頭16.41 m，擋水水頭133 m?？紤]到在下門過程中如遇閘門卡住或下閘后閘門漏水能將閘門提出處理，最大動水提門水頭按25 m設計。閘門采用增強四氟板材—NL150滑道支承，下游止水。門葉分為5節(jié)，節(jié)間用焊接連接?？紤]到導流洞需要過流多年，過流期間水流情況復雜，泥沙含量大，為保證下閘前門槽安全，在門槽內(nèi)設置填框保護，門槽采用Ⅱ型門槽，門槽前后設鋼襯保護。下閘前應拆除門槽填框。

閘門用2×4 000 kN固定卷揚式啟閉機通過拉桿操作。揚程27 m，工作級別為Q2－輕。

5 結(jié)語

瀑布溝水電站工程于2002年10月開工建設，2009年11月下閘蓄水，2009年12月第一臺機組并網(wǎng)發(fā)電，2010年底六臺機組全部建成投入運行。經(jīng)過一個完整汛期的考驗，電站的金屬結(jié)構(gòu)設備運行情況良好，達到了設計要求。