蒲石河抽水蓄能電站工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計

李大偉，刁彥斌，馬會全，葛光錄

（中水東北勘測設(shè)計研究有限責任公司，吉林 長春 130021）

1 電站概況

蒲石河抽水蓄能電站位于遼寧省寬甸滿族自治縣境內(nèi)，距丹東市約60 km，是我國東北地區(qū)在建的第一座大型純抽水蓄能電站。電站總裝機容量為1 200 MW，單機容量為300 MW，共4臺機組。

蒲石河抽水蓄能電站金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計包括上、下水庫及尾閘室3大部分，金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備布置在上、下水庫進／出水口、尾閘室、上、下水庫導流系統(tǒng)、下水庫泄洪排沙閘、下水庫引水壩段進水口等部位。共設(shè)有閘門23扇，攔污柵12扇，埋設(shè)件37孔、各種啟閉設(shè)備18臺/套。

2 上水庫進／出水口

上水庫設(shè)有兩條引水隧洞，為攔截污物，在其進、出口處分別設(shè)2孔2扇直立固定式攔污柵。在攔污柵后 （發(fā)電方向）設(shè)有2孔2扇平面定輪事故閘門，供閘后隧洞和壓力鋼管出現(xiàn)事故時使用，各采用1臺1×2 500 kN液壓啟閉機操作。

2.1 上水庫進／出水口攔污柵

攔污柵為半固定式，潛孔式，孔口尺寸為7.5 m×16 m，底坎高程為341.50 m，考慮到抽水蓄能電站攔污柵雙向過水的特殊性，設(shè)計水頭差采用5 m，柵條凈距為160 mm，采用彈性滑塊支撐。攔污柵靜水啟閉，清污方式為人工清污，利用臨時起吊設(shè)備安裝及操作。攔污柵與柵槽之間采用楔型配合，柵槽主軌為鉛垂布置，反軌為斜度1∶100的斜面布置，柵體反向滑塊工作面為1∶100的斜面，主滑塊工作面為鉛垂面。

鑒于攔污柵處于抽水和發(fā)電兩種工況，其水流方向交替變化，水流條件復雜，因此攔污柵進行了整體水彈性模型試驗及有限元分析，靜力和動力分析成果表明攔污柵設(shè)計滿足工程運行要求。

2.2 上水庫進／出水口事故閘門及啟閉機

事故閘門孔口尺寸為7.5 m×8.1 m，閘門底坎高程為341.50 m，按正常蓄水位392.00 m設(shè)計，擋水水頭為52 m，閘門操作方式為動水閉門、靜水啟門，節(jié)間充水平壓，啟門時水頭差不大于5 m，每扇事故閘門各由1臺1×2 500 kN液壓啟閉機配拉桿操作，每臺液壓啟閉機設(shè)置一個泵站，泵站布置在高程418.80 m的平臺上。液壓啟閉機電氣控制具備現(xiàn)地、遠方 “手動”和 “自動”控制功能，并能全時顯示閘門開度?；钊麠U每次運行至上、下限極限位置時，行程控制裝置能夠發(fā)出停機報警信號并自動停機。

閘門沿高度方向分3節(jié)制造、運輸，下兩節(jié)閘門在工地焊成整體，上、下兩節(jié)之間采用帶橢圓孔的活動連接板、銷軸連接。閘門主要材料為Q345B，門葉結(jié)構(gòu)為主橫梁、面板、小梁焊接結(jié)構(gòu)。閘門止水布置在上游面板側(cè)，頂、側(cè)止水為 “P”形橡塑止水，底止水為 “Ⅰ”形橡皮。

3 下水庫

下水庫進/出水口位于蒲石河左岸黃草溝溝口右側(cè)。為攔截污物，在隧洞前沿設(shè)置4孔4扇直立式活動攔污柵，采用2×400 kN單向門機操作。在攔污柵上游 （按發(fā)電水流方向）設(shè)有2孔2扇平面檢修閘門，供隧洞、尾水事故閥門及其門槽埋件檢修時使用，采用2臺1 250 kN固定卷揚式啟閉機操作。

下水庫大壩4～11號壩段為泄洪排沙閘壩段，上設(shè)有7孔泄洪排沙閘，每孔設(shè)1扇弧形工作閘門，采用2×2 000 kN液壓啟閉機操作，為滿足冰凍期水庫放流要求，7孔弧形閘門埋件中1孔設(shè)為加熱埋件。在泄洪排沙閘弧形工作閘門的上游設(shè)1孔平面滑動檢修閘門，7孔共用1扇閘門，用于弧門及其埋件的檢修和維護，檢修閘門采用2×1 600 kN單向門機配自動抓梁操作。

下水庫大壩16、17號壩段為引水壩段，每個壩段布置2個進水口，為攔截污物，在每個進水口前沿設(shè)1扇固定式攔污柵，共4扇。在攔污柵下游設(shè)有1道檢修閘門槽，4孔設(shè)4扇平面檢修閘門，供機組檢修及施工期擋水時使用。攔污柵、檢修閘門均采用臨時啟吊設(shè)備操作。

3.1 下水庫進／出水口攔污柵及啟閉機

下水庫進/出水口攔污柵為潛孔式，孔口尺寸為7.5 m×16 m （寬 高，下同），底檻高程為43.5 m，設(shè)計水頭差為5 m，柵條凈距為160 mm。其柵葉結(jié)構(gòu)及埋件結(jié)構(gòu)形式與上水庫進/出水口攔污柵均相同。攔污柵利用位于67.00 m檢修平臺上設(shè)置的2×400 kN單向門式啟閉機配機械自動抓梁操作。

3.2 下水庫進／出水口及啟閉機

下水庫進出水口檢修閘門孔口尺寸為4.9 m×11.5 m，閘門底檻高程為43.50 m，按正常蓄水位66.00 m設(shè)計，擋水水頭為23 m，閘門操作方式為靜水啟閉，節(jié)間充水平壓，啟門時水頭差不大于5 m。閘門門葉結(jié)構(gòu)為主橫梁、面板、小梁焊接結(jié)構(gòu)，單吊點，沿高度方向分4節(jié)制造、運輸，下3節(jié)閘門在工地焊成整體，上、下兩節(jié)之間采用帶橢圓孔的活動連接板、銷軸連接。閘門，頂、側(cè)止水為“P”形止水，底止水為 “Ⅰ”形橡皮。閘門主支撐采用為滑道支承。

下水庫進出水口檢修閘門采用1 250 kN固定卷揚式啟閉機操作，起升高度為28 m，工作級別為Q2-輕。

3.3 下水庫泄洪排沙閘弧形工作閘門及啟閉機

下水庫泄洪排沙閘弧形工作閘門為露頂式，孔口尺寸14 m×19 m，閘門底檻高程為47.412 m，按正常蓄水位66.00 m設(shè)計，設(shè)計水頭為18.588 m，閘門為3主橫梁斜支腿π型框架結(jié)構(gòu)，面板外緣半徑為21 m，支鉸中心距離為12.4 m，閘門為雙吊點，吊點設(shè)在下主橫梁懸臂端上，吊點間距13 m，側(cè)導向簡支式滾輪。門葉分7個制造運輸單元，節(jié)間工地焊接，支腿分3個制造運輸單元，工地焊接。

泄洪排沙閘弧形工作閘門由2×2 000 kN液壓啟閉機操作，每臺液壓啟閉機設(shè)置一個泵站，泵站布置在高程70.10 m的平臺上。電氣控制設(shè)備具備現(xiàn)地、遠方 “手動”和 “自動”控制功能，泵站內(nèi)設(shè)置備用泵，一旦液壓系統(tǒng)的工作泵發(fā)生故障，備用泵能自動啟動，代替工作泵完成其余工作?；钊麠U每次運行至上、下限極限位置時，行程控制裝置能夠發(fā)出停機信號和開度顯示。設(shè)備除具有兩吊點不同步偏差超限保護及報警等功能，還具有手動分步操作和一次指令完成啟門或閉門操作的功能，并能實現(xiàn)閘門啟閉過程中各種工況參數(shù)的自動監(jiān)測、顯示以及各種故障狀態(tài)的聲光報警。

為滿足冰凍期水庫泄洪要求，泄洪排沙閘弧形工作閘門設(shè)一套加熱泵站及埋件，其中采用了中水東北公司的保障露頂弧門冬季運行的融冰專利技術(shù)，保證下水庫冬季泄洪安全。當環(huán)境溫度低于0℃，弧門埋件表面開始結(jié)冰且弧門需要運行時加熱系統(tǒng)投入工作，先將油箱內(nèi)的導熱油加熱至80±5℃并維持此溫度，當埋件需要加熱時，油泵電機組啟動，熱油分兩路經(jīng)節(jié)流閥通向兩側(cè)埋件。

3.4 下水庫泄洪排沙閘檢修閘門及啟閉機

在泄洪排沙閘弧形工作閘門的上游側(cè)設(shè)孔口尺寸為14 m×19 m平面滑動檢修閘門，7孔共用1扇閘門，用于弧門及其埋件的檢修維護，閘門底坎高程為47.621 m，節(jié)間充水平壓，上節(jié)閘門動水啟門，整扇閘門靜水啟閉。

檢修閘門按正常蓄水位66.00 m設(shè)計，閘門沿高度方向分7節(jié)設(shè)計制造、運輸。下5節(jié)工地焊成整體，為下節(jié)，上兩節(jié)工地焊成整體，為上節(jié)，上下兩節(jié)之間采用帶橢圓孔的活動連接板、銷軸連接。門葉為主橫梁、面板、小梁焊接結(jié)構(gòu)。閘門止水布置在下游面板側(cè)，側(cè)止水為 “P”型橡皮，底止水為“Ⅰ”型橡皮。檢修閘門由一臺2×1 600 kN單向移動式啟閉機配自動抓梁操作。啟閉機現(xiàn)地操作，起升和運行機構(gòu)不同時工作。整體啟吊檢修閘門，但分節(jié)運輸以降低門機軌上揚程，回轉(zhuǎn)吊用于弧門及其附屬設(shè)備的檢修與維護。啟閉機上裝有帶數(shù)碼顯示儀表的高度限制器、過負荷裝置、風速儀等安全措施。配一套液壓自動抓梁，用來操作下水庫泄洪排沙閘平面滑動檢修閘門。

3.5 下水庫引水壩段閘門及攔污柵

引水壩段設(shè)2臺2 000 kW大機組及2臺600 kW小機組，為攔截污物，在每一引水壩段進口處各設(shè)1扇固定式攔污柵。在攔污柵下游側(cè)，各設(shè)有1孔平面檢修閘門，供機組檢修及施工期、擋水時使用。攔污柵、檢修閘門均采用臨時啟吊設(shè)備。

大機組檢修閘門孔口尺寸為2.4 m×2.4 m，小機組檢修閘門孔口尺寸為1.4 m×1.4 m，閘門底坎高程均為53.80 m，均按正常蓄水位66.00 m設(shè)計，擋水水頭均為13 m，閘門操作方式為靜水啟閉，大機組檢修閘門采用節(jié)間充水平壓，小機組檢修閘門小開度充水平壓，均采用臨時起吊設(shè)備配拉桿操作。大機組檢修閘門分兩節(jié)制造、運輸，上、下兩節(jié)之間采用帶橢圓孔的活動連接板、銷軸連接。小機組檢修閘門整扇制造、運輸。

攔污柵為潛孔式，孔口尺寸分別為2.3 m×2.0 m及3.4 m×4.4 m，底坎高程分別為53.8 m和52.8 m，設(shè)計水頭差均為4 m，柵條凈距均為50 mm。大機組攔污柵沿高度方向分2節(jié)制造，運輸，工地焊成整體。小機組攔污柵整體制作運輸。

4 尾閘室事故閘門及啟閉機

尾閘室位于廠房下游側(cè)，尾閘室內(nèi)布置尾水高壓閘閥，距機組中心線82.8 m，4條尾水支洞在其下部通過，每條支洞分設(shè)一扇高壓閘閥及全封閉門槽，以保護機組安全運行及機組檢修時防止尾水倒灌廠房。

尾水高壓閘閥采用630 kN/800 kN液壓機操作，動水閉門，設(shè)置旁通閥管路系統(tǒng)充水平壓。靜水啟門，啟門時閘門上下游水頭差不大于5 m，設(shè)置自動充、排氣閥管路以保障機組充水及運行時對尾水管內(nèi)氣體進行處理，液壓機布置在高壓閘閥全封閉門槽的頂蓋上。在尾閘室頂拱處設(shè)一臺800 kN/200 kN橋式起重機，用于高壓閘閥及其操作設(shè)備的安裝及檢修。

高壓閘閥及其全封閉門槽設(shè)計工況比較復雜，閘門設(shè)計荷載考慮運行工況組合及涌浪的影響，最終按其最不利荷載組合進行設(shè)計及設(shè)備選型。

高壓閘閥為平面定輪閘門，門葉為焊接結(jié)構(gòu)，單吊點，門葉分2個制造運輸單元。主支承采用簡支式定輪，為保證工地的安裝精度，主輪軸采用偏心軸。反向支承結(jié)合泄壓裝置一并考慮，使用彈簧鋼板作為反向支承，一旦機組前球閥發(fā)生意外滲漏事故，高壓閘閥能在上水庫高水壓作用下，彈簧鋼板產(chǎn)生變形，使門葉下游推移20～30 mm，從而使閘門止水脫開，避免承受上水庫過高的水壓力，同時閘門吊耳軸水沿水流方向布置，并能少量移動，以避免閘門在水壓作用下的變形及位移對液壓機活塞桿的不利的彎折破壞。

高壓閘閥為全封閉門槽，底板高程為－14 m，總高度為13 m，門槽由中心向上庫側(cè)布置長度為5.05 m，向下庫側(cè)布置長度為7.45 m。門槽埋件有較高的強度、剛度和密封要求。主要由底坎、前后門槽鎧裝、腰箱、腰箱頂蓋等構(gòu)件組成。各件在工地使用螺栓拼接就位后，拼接縫封水焊接。高壓閥門門槽全部用鋼板鑲護，并與一期預埋件焊成一體，以防止門槽內(nèi)混凝土滲水。

每扇尾閘事故閘門由單缸液壓啟閉機操作啟閉。油缸布置在尾閘室事故閘門液壓啟閉機平臺上，通過液壓啟閉機支架垂直安裝固定在液壓啟閉機平臺上。液壓啟閉機上端通過油缸上的法蘭固定在液壓啟閉機支架的底座上，液壓啟閉機下吊頭與事故閘門連接。

5 結(jié)語

蒲石河抽水蓄能電站原設(shè)計上水庫進/出水口的4扇活動攔污柵共用1臺單向門機，作為攔污柵檢修維護的永久啟吊設(shè)備。后在施工設(shè)計時，根據(jù)已建和在建抽水蓄能電站的運行情況，取消了攔污柵永久啟閉設(shè)備，同時降低了攔污柵墩和埋件高度，節(jié)省了部分投資。

在解決了工程存在的設(shè)計難題的同時，也存在許多不足，如下庫進/出水口檢修閘門采用了節(jié)間充水的方式，盡管能滿足工程的運行要求，但在尾水洞充水試驗工況情況下，上節(jié)門葉不能夠動水關(guān)閉、充水過程可控性較差，且充水量不易控制。在設(shè)計過程中還有許多需要改進的地方。