庫什塔依水電站金屬結構的布置與設計

張廣川

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

庫什塔依水電站金屬結構的布置與設計

張廣川

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

庫什塔依水電站是庫克蘇河上第4級的水電站，該電站裝機100MW，為Ⅱ等大（2）型工程，金屬結構主要包括平面閘門、弧形閘門、攔污柵及液壓啟閉機、固定卷揚式啟閉機等設備。這些設備布置在水工建筑物上，分別擔任電站的泄洪和發(fā)電任務，保證工程的順利進行。本文主要介紹該電站的工程概況及金屬結構的布置和設計。

庫什塔依水電站；金屬結構；閘門；啟閉機

1 工程概況

庫什塔依水電站工程位于新疆維吾爾自治區(qū)伊犁州直屬（以下簡稱“伊犁地區(qū)”）的特克斯縣境內(nèi)，是新疆伊犁河流域庫克蘇河水力發(fā)電規(guī)劃“2庫5級”中的第4級水電站，為推薦的近期開發(fā)工程，開發(fā)任務是發(fā)電。工程壩址距該河與特克斯河匯合口18.36km，距特克斯縣20km，距伊寧市139km，距烏魯木齊市831km，壩址處地理坐標為東經(jīng)81°53′，北緯43°07′。工程等別為Ⅱ等大（2）型工程，采用堤壩式開發(fā)，由攔河大壩、表孔溢洪洞、導流兼泄洪洞、發(fā)電引水洞及電站廠房等組成。最大壩高91.1m，水庫總庫容1.59億m3，水庫正常蓄水位1305m，死水位1285m，調(diào)節(jié)庫容0.74億m3，具有季調(diào)節(jié)性能；電站裝機容量100MW，保證出力9.9MW，多年平均年發(fā)電量3.50億kW·h，電站建成后向北疆電網(wǎng)供電。

2 金屬結構布置與設計

庫什塔依水電站的金屬結構主要分布在泄洪系統(tǒng)和引水發(fā)電系統(tǒng)上。

2.1 泄洪系統(tǒng)閘門及啟閉機

泄洪系統(tǒng)由表孔溢洪洞和導流兼泄洪洞組成，表孔溢洪洞和導流兼泄洪洞位于樞紐右岸。表孔溢洪洞控制段堰頂高程1296.50m，閘頂平臺高程1307.60m。采用“WES”實用堰型，共1孔，最大下泄流量為846.84m3/s。根據(jù)水庫運行方式，庫水位無足夠的連續(xù)時間低于底檻，故設一道檢修閘門和一道工作閘門。導流兼泄洪洞為有壓洞，前期作為導流洞，后期承擔泄洪任務，并且保證發(fā)電洞進口的“門前清”。進口底板高程1229.00m，閘井內(nèi)設一道事故閘門，出口底板高程1225.00m，閘井內(nèi)一道工作閘門。該洞最大下泄流量為599.85m3/s。

2.1.1 表孔溢洪洞閘門及啟閉機

檢修閘門∶設在溢流堰前沿，孔口尺寸12m×10.5m（寬×門高，下同），設計水頭10m。閘底板高程1295.00m。閘門采用下游面板，下游封水，底水封設在下游面板底端，支承在溢流堰前沿底水封座板上。側向采用輪徑為φ300mm的導向側輪擋動。閘門門葉結構材料采用Q345C，閘門為雙吊點，吊點距為7.78m；底側水封為P60橡皮，橡皮予壓3mm。閘門靜水閉門，門頂設直徑為φ250mm、行程為210mm的充水閥，充水閥與啟閉機聯(lián)動，啟門前打開充水閥充水平壓后水壓差不超過1m時靜水啟門。該檢修閘門采用QP2×400kN-15m的固定卷揚式啟閉機操作，啟閉機安裝在閘頂平臺以上1322.00m高程的閘房內(nèi)。

工作閘門∶孔口尺寸為12m×9.2m，設計水頭8.7m，考慮到弧形閘門無門槽，具有較好的水力學條件，故設1扇弧形鋼閘門。閘門設在堰頂下游0.2m處，底檻高程為1296.30m，根據(jù)風浪爬高確定門葉超高為0.5m；閘門門葉采用雙主橫梁斜支臂結構；綜合研究閘門結構和啟閉設備的布置要求，取弧門面板曲率半徑為11m，與閘門高度的比值為1.2，主橫梁與支臂的單位剛度比為4.53，根據(jù)溢洪道堰頂校核洪水位水面曲線及宣泄校核洪水不沖擊支鉸的原則，確定支鉸設置高程為1302.30m；門葉結構及支臂采用Q345C制造，側水封采用圓頭L形橡皮，橡皮預壓8mm，側向設直徑為φ200mm的簡支式導向側輪，鉸鏈、鉸座材料為ZG310-570，鉸軸直徑為φ300mm，材料為40Cr鋼，軸承采用自潤滑球面滑動軸承；埋件結構材料采用Q235B。由于液壓啟閉機具有結構緊湊、對閘門的振動能起緩沖作用等優(yōu)點，又考慮到工程所在地為高地震區(qū)，經(jīng)比較閘門采用一臺容量為QY2×630kN-5m的懸掛式液壓啟閉機操作。液壓啟閉機設一個液壓泵站。液壓啟閉機的缸體安裝在閘墩上，經(jīng)優(yōu)化確定上支承中心位置高程為1307.30m，閘門處于全關位置時油缸中心線與鉛垂線夾角約32.0711°，閘門處于全開位置時（閘門底緣高出校核水面線約1.2m）油缸中心線與鉛垂線夾角約80.7363°。吊耳位于閘門下游下主梁兩端附近，吊點距為11.1m。液壓啟閉機的操作系統(tǒng)安裝在與表孔溢洪洞相鄰壩段上（高程為1307.60m）的操作室內(nèi)。

工程所在地冬季最低氣溫可達-32℃。根據(jù)電站運行的基本調(diào)度曲線分析，工作閘門在嚴冬長期擋水，在此期間閘門不進行操作，因此不考慮門槽的防凍問題。為防止閘門承受冰的靜壓力，采用發(fā)熱電纜方法加熱面板，使附著在面板上的冰融化，與冰層隔開達到防止閘門承受冰的靜壓力的目的。

2.1.2 導流兼泄洪洞閘門及啟閉機

事故閘門∶孔口尺寸5m×7m（寬×高，下同），設計水頭76m。共1孔，設1扇滑動支承平板鋼閘門。閘門采用上游面板，下游封水。側向設直徑為φ250mm的懸臂式導向側輪擋動。閘門門葉結構材料采用Q345C；閘門頂側止水采用P60橡皮，橡皮預壓4mm，底水封采用平板橡皮?；啦捎娩摶~塑復合材料；閘門為單吊點；閘門靠自重和水柱壓力動水閉門，門頂設直徑為φ300mm、行程為280mm的充水閥，充水閥與啟閉機聯(lián)動，啟門前打開充水閥充水平壓后水壓差不超過3m時靜水啟門。閘門采用QP1×5000kN-80m的固定卷揚式啟閉機操作，啟閉機安裝在閘頂平臺以上1319.50m高程的閘房內(nèi)。為便于啟閉機檢修，在閘房內(nèi)設有1臺100kN-9m的檢修用單梁吊。

門槽處最大流速約為17.1m/s，為避免門槽處發(fā)生氣蝕破壞和泥沙沖蝕，采用帶錯距、圓角、斜坡的Ⅱ型門槽。門槽中心線前1.5m、后3m范圍內(nèi)的底板用鋼板襯護。

工作閘門∶孔口尺寸4m×5m，設計水頭80m。設有1扇雙主梁直支臂圓柱鉸弧形鋼閘門，閘門面板曲率半徑為9m，支鉸高度7.5m，主橫梁與支臂的單位剛度比為7.48；該閘門門葉結構及支臂材料采用Q345C，鉸鏈、鉸座材料選用ZG310-570，鉸軸直徑φ480mm，材料為40Cr鋼；閘門頂水封采用一道‘P’形橡皮和一道轉鉸式水封，其中轉鉸式水封設在門楣上，另一道設在門葉上，側水封采用方頭形橡皮；側向設有導向滑塊。閘門門葉結構按運輸單元分二節(jié)制造，運至工地后在現(xiàn)場拼焊成整體。埋件結構材料采用Q235B，門槽底板加鋼板襯護。閘門動水啟閉，由QY2500/800kN（啟門力/下壓力）-7.1m液壓啟閉機操作。液壓啟閉機的缸體安裝在1241.00m高程的平臺上，液壓啟閉機的泵站設兩套油泵電動機組，互為備用。啟閉機采用現(xiàn)場手動和PLC控制，并通過PLC與閘門控制LCU之間的實時通訊實現(xiàn)遠程控制和自動控制。為便于液壓啟閉機檢修，在1254.00m高程設有一臺容量為200kN，揚程為18m的檢修用單梁吊。

2.2 發(fā)電引水系統(tǒng)閘門及啟閉設備

引水發(fā)電系統(tǒng)布置在樞紐的右岸，在導流兼深孔泄洪洞右側，采用一洞四機的布置形式，主要由進口引渠、進水口、引水隧洞、壓力管道、岔管、支管及發(fā)電廠房組成。由引水渠引水至發(fā)電洞進口，進口底板高程1270.00m，閘頂平臺高程1370.60m。為降低過柵流速，發(fā)電洞進口為喇叭口體型，分4個進水口聯(lián)通式布置。每個進水口各設一道清污抓斗導向槽和一道攔污柵，在水道漸變段末端設一道事故閘門。電站共有4臺水輪發(fā)電機組，2大2小，裝機容量分別為35MW和15MW。每臺大機組尾水有2個出口，每臺小機組尾水有1個出口，共6個出口?？紤]前期有1臺小機組發(fā)電，后3臺機組安裝時間可能較長，故設6扇檢修閘門。

入庫污物將有部分隨風浪匯集到發(fā)電進水口前，為保證柵前清，攔污柵前部約1.5m范圍內(nèi)，利用清污抓斗全跨清污，清污抓斗由發(fā)電洞進口閘頂雙向門機操作，系統(tǒng)電氣元件的控制及聲光信號指示均設在門機司機室內(nèi)。清污抓斗主要由抓斗、液壓傳動裝置和支承框架等組成。抓斗采用全跨多葉形式，由固定葉片和轉動葉片組成。液壓傳動裝置是清污抓斗開合的驅動機構，隨清污機一起進入水下工作，各主要部件都采用防水密封件。支承框架采用焊接結構，設有正、反、側向支承導向裝置。連接件采用鍍鋅螺栓，轉動件均采取防腐措施。攔污柵槽前的軌道槽，作為清污機的導向和限位裝置。

在發(fā)電進水口閘頂平臺上設一臺2×200kN-45m、軌距為7m的雙向門機，用該門機借助自動抓梁操作清污抓斗和攔污柵。

攔污柵∶孔口尺寸4m×10.5m，共1孔，設4扇攔污柵，柵體結構按4m水位差設計，為直立式，滑塊支承，柵條凈距80mm，柵葉結構材料采用Q235C。柵葉結構由柵條和框架組成，柵條焊接在框架主梁的翼緣上，為防止柵條側向失穩(wěn)，在相鄰柵條間用槽鋼聯(lián)結。柵葉為雙吊點，吊點距為4.4m；柵葉結構沿高度方向分四節(jié)制造、運輸，在閘頂1370.60m高程平臺上用連接軸將四節(jié)柵葉連成整體。

事故閘門∶孔口尺寸7.2m×7.2m，設計水頭35m，共1孔，設1扇事故閘門，采用滑動支承平板鋼閘門，上游面板，下游封水，側向設直徑為φ300mm的懸臂式導向側輪擋動。閘門門葉結構材料采用Q345C。門葉沿高度方向分成三節(jié)制造、運輸，在1305.50m高程安裝檢修平臺上分節(jié)吊裝并焊接成整體。閘門靠自重和水柱壓力動水下門，門頂設φ300mm充水閥，充水閥與啟閉機聯(lián)動，充水行程為290mm；啟門前由充水閥充水平壓，待上下游水位差小于3m后靜水起門，該閘門采用QP2×1250kN-38m的固定卷揚式啟閉機操作，啟閉機的安裝高程為1319.00m。

大機組尾水檢修閘門∶孔口尺寸為3.3825m×3.076m，設計水頭16m。共4孔，設4扇平板檢修閘門。尾水管出口底板高程1214.27m，閘門采用鋼基銅塑滑道支承，上游面板，上游封水，反向設四個彈性反輪。閘門為靜水啟閉，啟門前利用機組排水管充水平壓，用一臺2×200kN-20m的單向門機借助自動抓梁操作。

小機組尾水檢修閘門∶孔口尺寸為5.203m×2.709m，設計水頭13.5m。共2孔，設2扇平板檢修閘門。尾水管出口底板高程1216.71m，閘門采用鋼基銅塑滑道支承，上游面板，上游封水，反向設四個彈性反輪。閘門為靜水啟閉，啟門前利用機組排水管充水平壓，共用一臺2×200kN-20m的單向門機借助自動抓梁操作。

2.3 防腐

為使工程建成后，延長整個工程金屬結構設施的使用壽命，減少維護工作量，該工程的所有閘門門葉、攔污柵柵葉及埋件外露表面均進行噴鋅防腐處理。

3 結束語

庫什塔依水電站金屬結構設備共設置孔口19個，設置平面鋼閘門9扇，弧形鋼閘門2扇，攔污柵4扇；啟閉設備共10臺，其中固定卷揚式啟閉機3臺，液壓式啟閉機2臺，雙向門機1臺，單向門機1臺，檢修用單梁吊3臺。

本工程金屬結構的布置與設計，吸收了同類工程的設計經(jīng)驗，并充分考慮到本工程的運行要求，設備布置緊湊，保證了閘門、攔污柵及各類啟閉設備的安全運行。

TV34

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1672-5387（2014）02-0045-03

2014-03-05

張廣川（1979-），男，工程師，從事水電站水工金屬結構的設計工作。