蓋下壩水電站金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計

李大偉，趙玉霞，馬會全，溫占營

（1.中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司 ,吉林 長春 130021；2.中國水電顧問集團(tuán)北京勘測設(shè)計研究院 ,北京 100024；3.遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司 ,遼寧 丹東 118200）

1 概述

蓋下壩水電站位于重慶市云陽縣和奉節(jié)縣境內(nèi)的長江一級支流長灘河中上游河段，蓋下壩水電站開發(fā)的主要任務(wù)是發(fā)電。水庫總庫容3.54×108m3，電站裝機(jī)容量120 MW。

蓋下壩水電站金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備主要布置在泄洪系統(tǒng)、引水發(fā)電系統(tǒng)和施工導(dǎo)流系統(tǒng)等部位。金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備共有閘門（含攔污柵）9扇，埋設(shè)件10孔，啟閉設(shè)備8臺（套），以及與金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備有關(guān)的附屬件等。

2 泄洪系統(tǒng)

泄洪系統(tǒng)設(shè)有3個泄洪表孔，孔口尺寸為12.0 m×14.0 m（寬×高，下同），每孔均設(shè)1扇工作閘門用于控制泄洪，為滿足工作閘門及其門槽檢修的要求，一般應(yīng)在泄洪表孔工作閘門的上游側(cè)設(shè)置檢修閘門，結(jié)合該工程的具體情況，通過對水文規(guī)劃資料的分析,水庫46年中水位低于堰頂高程連續(xù)2個月的概率有42年，且在每年2、3月份，該地區(qū)在此時期氣溫符合閘門檢修要求，故經(jīng)論證泄洪表孔工作閘門前不設(shè)檢修閘門，不但節(jié)約了金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備投資，同時還縮短了閘墩的長度也節(jié)省了土建工程量。

泄洪表孔工作閘門型式通常有平面定輪工作閘門和弧形工作閘門兩種型式，根據(jù)該工程泄洪要求，該閘門有局部開啟要求。因此經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后采用弧形閘門。

弧形工作閘門啟閉設(shè)備比較了液壓啟閉機(jī)和弧門固定卷揚啟閉機(jī)兩種型式。液壓啟閉機(jī)可以布置在閘墩側(cè)面，總體布置上整齊、美觀，且較固定卷揚啟閉機(jī)易實現(xiàn)可靠的遠(yuǎn)程信號傳輸及閘門控制，而弧門固定卷揚啟閉機(jī)布置上需要在閘墩之間設(shè)置啟閉機(jī)排架，增加了土建工程量，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的制約因素也較多。雖然液壓啟閉機(jī)造價較弧門固定卷揚啟閉機(jī)略高，但節(jié)省了土建工程量。經(jīng)綜合比較后選定液壓啟閉機(jī)做為弧形工作閘門的啟閉設(shè)備。根據(jù)設(shè)備布置和啟閉力計算該弧形工作閘門，采用2×1600 kN后拉式液壓啟閉機(jī)操作，液壓啟閉機(jī)吊點分別布置在弧門下主梁兩端。3臺液壓啟閉機(jī)分別設(shè)3套獨立泵站，液壓機(jī)泵站布置在394.00 m高程的閘墩上，1臺液壓機(jī)設(shè)1套泵站，每個泵站均設(shè)兩套互為備用的油泵電機(jī)組。

水庫調(diào)度原則為正常蓄水位啟門泄洪，因此閘門按正常蓄水位392.00 m設(shè)計，泄洪表孔堰頂高程379.00 m，弧形工作閘門設(shè)計水頭為14.00 m，門頂超高取0.5 m，閘門支鉸布置在387.00 m高程，操作方式為動水啟閉，局部開啟泄水時，如出現(xiàn)振動區(qū)應(yīng)避開運行。

弧形工作閘門主受力框架結(jié)構(gòu)為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，閘門主體材料為Q345-B，采用兩個主橫梁斜支臂支撐。主橫梁及支臂均為焊接組合結(jié)構(gòu)，主橫梁橫截面為工字形，支臂橫截面為箱形，弧門面板外緣曲率半徑為15 m?；⌒喂ぷ鏖l門按國家運輸界限的有關(guān)規(guī)定，門葉按5個單元分節(jié)設(shè)計制造運輸，工地焊接拼為整體?；⌒喂ぷ鏖l門支鉸軸承選用新型自潤滑關(guān)節(jié)軸承，關(guān)節(jié)軸承較相同直徑的圓柱面滑動軸承具有很高的比壓，避免了軸承在受到較大壓力時由于圓柱面滑動軸承允許壓力較低，而需要人為加大支鉸軸直徑導(dǎo)致弧形閘門支鉸裝置過大問題。選用新型自潤滑關(guān)節(jié)軸承另一大優(yōu)點是允許徑向有少量偏角，因此具有自動調(diào)心的功能，能補(bǔ)償弧形閘門制造及安裝產(chǎn)生的部分偏差，能降低閘門在運行過程中可能出現(xiàn)的閘門門葉結(jié)構(gòu)卡、阻現(xiàn)象及避免出現(xiàn)較大邊緣軸承剪應(yīng)力。

3 引水發(fā)電系統(tǒng)

引水發(fā)電系統(tǒng)由進(jìn)水口和廠房尾水兩個部位組成。 進(jìn)水口設(shè)攔污柵和平面事故檢修閘門及其啟閉設(shè)備。尾水設(shè)一道檢修閘門及其啟閉設(shè)備。

3.1 進(jìn)水口攔污柵及啟閉機(jī)

為了攔截污物，保證機(jī)組的正常運行，在引水隧洞進(jìn)水口前端設(shè)有一道兩孔活動式直立攔污柵，攔污柵孔口尺寸為5.0 m×9.0 m，設(shè)計水頭差取為4 m，底坎高程為341.00 m，檢修及清污平臺高程為394.50 m，攔污柵清污方式通過調(diào)查了解庫區(qū)多為植被較好的山區(qū)，基本無規(guī)模以上人口聚集區(qū)因此生活垃圾極少，另外調(diào)研了近幾年該地區(qū)已建成運行的水電站，僅在蓄水初期存在少量樹枝、灌木堆積在攔污柵前，且未對攔污柵使用產(chǎn)生實質(zhì)性影響。因此經(jīng)分析認(rèn)為該電站設(shè)置永久清污設(shè)備的必要性不大，最終采用投資較少且相對簡單的提柵清污方式。

進(jìn)水口共設(shè)攔污柵2扇，因數(shù)量較少宜采用固定卷揚式啟閉機(jī)一柵一機(jī)布置方式。攔污柵要求在靜水中啟閉，根據(jù)柵體自重（含拉桿）和附著在柵體上污物重量并參考啟閉機(jī)啟閉力系列標(biāo)準(zhǔn)確定啟閉機(jī)容量，經(jīng)計算采用QP-1×250 kN固定卷揚式啟閉機(jī)操作?？紤]到攔污柵應(yīng)能整體提出檢修及清污，因此啟閉機(jī)布置在406.50 m高程平臺上。

攔污柵長年處于孔口位置，因此啟閉機(jī)鋼絲繩長期處于水中，水面處鋼絲繩經(jīng)常處水與空氣兩種交替狀態(tài)極易發(fā)生銹蝕，即使采用不銹鋼鋼絲繩由于電離的化學(xué)作用也不能完全避免。為解決這一問題在攔污柵與啟閉機(jī)吊具間采用拉桿連接，拉桿頂部伸出清污平臺并且鎖定在此平臺上。此連接方式不利之處在于提柵清污或攔污柵需要檢修維護(hù)時，需多次拆卸拉桿才能將攔污柵提出孔口，但考慮到工程正常運行后，提柵工況極少，操作上還是可以接受的。

進(jìn)水口攔污柵為框架直立式板梁焊接結(jié)構(gòu)，攔污柵主體材料為Q235-B，按國家運輸界限的有關(guān)規(guī)定分3節(jié)設(shè)計制造運輸，攔污柵節(jié)間采用銷軸配合連接板活動連接，以便提柵清污和檢修維護(hù)時方便拆卸，攔污柵主反支、承均采用鑄鐵滑塊。

3.2 進(jìn)水口平面事故檢修閘門及啟閉機(jī)

該水電站為引水式開發(fā)方式，引水隧洞較長，從分析上看，當(dāng)引水隧洞較長時，在引水隧洞進(jìn)水口設(shè)事故閘門較為有利，比較靈活可靠，一旦引水隧洞及機(jī)組前蝶閥發(fā)生事故，事故閘門可作為安全備用閘門。因此要求閘門能夠動水關(guān)閉孔口截斷水流，起到事故保護(hù)和防止事故擴(kuò)大的作用。引水隧洞及機(jī)組前蝶閥日常維護(hù)檢修時，事故閘門可在靜水中啟閉。綜合考慮該閘門的使用工況，操作要求按動水閉門靜水啟門確定。因此在攔污柵下游側(cè)設(shè)有一道事故檢修閘門。事故檢修閘門孔口尺寸為4.5 m×5.6 m，閘門底坎高程為341.00 m，閘門檢修平臺高程為394.50 m。閘門按正常蓄水位392.00 m設(shè)計，設(shè)計水頭為51 m。經(jīng)計算閘門動水閉門時，閘門自重不足以克服水壓力產(chǎn)生的摩阻力閉門截斷水流，設(shè)計上經(jīng)常采取2種方式解決，第一種利用閘門井形成頂主梁水柱壓力從而動水閉門，這樣閘門需要設(shè)成下游止水且面板應(yīng)位于上游側(cè)，在這種情況下閘門井內(nèi)無論閘門是否處于擋水狀態(tài)，閘門井始終處于有水狀態(tài)，須在閘門槽下游側(cè)另設(shè)通氣孔并在其中設(shè)置從閘門檢修平臺至引水隧洞的爬梯。由于閘門頂主梁水柱壓力的存在，作用在閘門上的持住力較大所需啟閉機(jī)容量相對較高。第二種是在閘門門葉內(nèi)加足夠的混凝土或鑄鐵配重，最后選擇在門葉梁格內(nèi)放置鑄鐵加重塊，以此滿足動水閉門的要求，此時閘門可以采用上游止水，閘門井可兼做通氣孔并設(shè)置從檢修平臺至閘門井底部的爬梯。結(jié)合本工程的具體情況，經(jīng)綜合分析比較后閘門選定第二種方式設(shè)計。為滿足閘門靜水啟門的要求，閘門采用節(jié)間充水，當(dāng)閘門前后水壓差小于規(guī)定的數(shù)值后靜水啟門。該事故閘門為1孔1扇，宜選用固定卷揚式啟閉機(jī)操作一門一機(jī)方式布置。根據(jù)閘門各工況下的啟閉力計算成果，啟閉設(shè)備選用1×1250 kN高揚程固定卷揚式啟閉機(jī)。閘門平時可鎖定在閘門檢修平臺，因此不存在啟閉機(jī)鋼絲繩長期泡水的問題，可采用高揚程啟閉機(jī)與閘門直接連接方式，避免了拆裝拉桿的麻煩。啟閉機(jī)安裝高程根據(jù)閘門高度，啟閉機(jī)上極限及閘門吊出檢修平臺的富?？臻g確定，啟閉機(jī)布置在405.50 m高程的平臺上。

事故檢修閘門為焊接結(jié)構(gòu)，閘門主體材料為Q345-B，主橫梁采用工字型實腹等截面焊接鋼梁，閘門主支承采用偏心軸定輪，以便在工地安裝時，能根據(jù)閘門制安和埋件安裝質(zhì)量情況，調(diào)整各主輪踏面高度，使各主輪踏面盡量在同一平面內(nèi)。門葉按國家運輸界限有關(guān)規(guī)定分上、下2節(jié)制造及運輸，在工地節(jié)間采用銷軸配合連接板活動連接以滿足節(jié)間充水要求。閘門面板布置在上游側(cè)，閘門止水方式采用上游止水。

3.3 廠房尾水檢修閘門及啟閉機(jī)

在廠房尾水處設(shè)一道檢修閘門，3孔2扇。因此必須設(shè)置移動式啟閉機(jī)，以滿足閘門轉(zhuǎn)運的要求。尾水閘門功能是當(dāng)機(jī)組檢修、維護(hù)時，擋下游尾水所以屬檢修閘門，靜水啟閉即可。為滿足發(fā)電初期機(jī)組安裝要求，須另增設(shè)1扇臨時尾水管封堵悶頭，機(jī)組安裝完成后割除。啟門時，利用機(jī)組旁通管充水平壓，靜水提門水頭差要求不大于1.0 m。閘門的啟閉設(shè)備選用2×63 kN單向門式啟閉機(jī)，配自動抓梁操作。啟閉機(jī)布置在218.00 m尾水檢修平臺上。

閘門孔口尺寸為3.58 m×2.39 m，綜合考慮施工期及電站運行期工況，閘門擋水位按設(shè)計尾水位210.04 m（P=2%）設(shè)計，閘門底坎高程為196.45 m，設(shè)計水頭為15.0 m。該閘門為焊接結(jié)構(gòu)，雙吊點，閘門主體材料為Q235-B，采用橫梁式工字型實腹等截面焊接鋼梁，閘門采用鑄鐵滑塊支撐，閘門尺寸較小門葉可整體制造運輸。閘門面板布置在廠房側(cè)，止水方式采用廠房側(cè)止水。

4 施工導(dǎo)流系統(tǒng)

在導(dǎo)流洞進(jìn)口設(shè)1扇平面滑動工作閘門，用于水庫蓄水時下門截斷水流。導(dǎo)流閘門孔口尺寸為8.0 m×7.22 m，底坎高程為270.00 m，根據(jù)工程蓄水進(jìn)度計劃和導(dǎo)流洞封堵時間安排，導(dǎo)流閘門最終擋水位按正常蓄水水位392.00設(shè)計，導(dǎo)流閘門的設(shè)計水頭高達(dá)124 m。

導(dǎo)流閘門動水下閘水位為272.40 m，導(dǎo)流閘門動水閉門水頭2.4 m，經(jīng)復(fù)核閘門自重能夠滿足動水關(guān)門要求。

導(dǎo)流閘門下閘蓄水后，一旦出現(xiàn)不可預(yù)測的情況，應(yīng)能及時動水提門，終止水庫蓄水。因此閘門考慮蓄水下閘蓄水后，24 h庫水位287.70 m作為閘門動水啟門水位，動水啟門計算水頭18 m。閘門安裝平臺高程282.0 m也參考此水位確定。閘門采用1臺固定卷揚機(jī)操作，經(jīng)計算啟閉容量為2×1600 kN。啟閉機(jī)安裝高程考慮蓄水后啟閉機(jī)拆除時間及閘門現(xiàn)場拼接空間確定，最終按下閘后72 h庫水位并考慮一定的超高，確定為296.0 m。為保證導(dǎo)流閘門下閘后其啟閉機(jī)能夠及時拆除回收，啟閉機(jī)與閘門間設(shè)短拉桿連接，且在閘門完全關(guān)閉后，短拉桿可在閘門安裝平臺（高程282.0 m）鎖定，以便啟閉機(jī)拆除時其吊具能及時與拉桿分離，而不至于破壞吊具，使啟閉機(jī)能安全撤離。

該閘門為焊接結(jié)構(gòu)，雙吊點，閘門主體材料為Q345-B，采用橫梁式工字型實腹變截面焊接主梁，閘門主支承采用高強(qiáng)度銅基鑲嵌鋼背復(fù)合材料滑道，按國家運輸界限有關(guān)規(guī)定分3節(jié)制造及運輸，到達(dá)工地后在282.0 m高程平臺焊接拼成整體。閘門面板布置在下游側(cè)，止水方式采用下游止水。