里底水電站導(dǎo)流明渠下閘研究及公路架橋機的應(yīng)用

黃偉，王超，雷寶民

（華能瀾滄江水電股份有限公司烏弄龍·里底水電工程建設(shè)管理局，云南 維西 674606）

1 引言

目前,國內(nèi)大中型水電站導(dǎo)流洞（導(dǎo)流明渠）封堵閘門下閘時，主要采用整體閘門下閘或單節(jié)疊梁門葉下閘方法。里底水電站導(dǎo)流明渠施工招標階段擬定采用單節(jié)疊梁門葉下閘，由于工期優(yōu)化，下閘時間提前引起下閘條件變更，下閘水頭超過單節(jié)門葉高度較多，下閘時存在門底和門頂同時過水情況，風(fēng)險高，單節(jié)疊梁門葉下閘方法不可行，現(xiàn)場也不具備整體閘門下閘條件，需對下閘方法重新開展研究。

2 工程概述

里底水電站位于云南省迪慶藏族自治州維西縣巴迪鄉(xiāng)境內(nèi)的瀾滄江上游干流上，是瀾滄江上游曲孜卡水電站至苗尾水電站河段規(guī)劃8個梯級中的第4級水電站，為河床式水電站，電站總裝機容量420 MW（3臺×140 MW）。

大壩左岸布置導(dǎo)流明渠，用作電站二期施工期間導(dǎo)流，導(dǎo)流明渠寬33.0 m，由中墩分為2孔，孔口型式為露頂式，底板高程1 775.00 m，每孔各設(shè)一扇封堵閘門，每扇閘門寬14.0 m，高16.0 m，設(shè)計擋水水頭15.5 m。每扇閘門由8節(jié)疊梁閘門門葉組成，每節(jié)門葉高度均為2 m?？紤]受力及節(jié)省成本，底部4節(jié)門葉為單重24.0 t的大疊梁閘門，頂部4節(jié)門葉為單重17.6 t的小疊梁閘門。導(dǎo)流明渠原定于2017年12月下閘，下閘水頭2 m，擬采用汽車吊逐節(jié)下閘。導(dǎo)流明渠下閘后，由3孔泄洪底孔分流過水，泄洪底孔進口底板高程1 778.00 m。

3 下閘特點及難點

圖1 導(dǎo)流明渠平面布置示意圖

由于導(dǎo)流明渠下閘后需在一個枯水期內(nèi)改建為溢洪道，工期極緊。為確保改建溢洪道工程順利完成，工程達到預(yù)定度汛目標，將下閘時間由2017年12月提前至11月。12月份下閘，下閘標準采用12月份10年一遇的月平均流量354 m3/s，下閘最大水頭2 m； 11月下閘，下閘流量選取11月中旬10年一遇的旬平均流量547 m3/s，下閘最大水頭6 m，下閘最大流速4.01 m/s。

下閘條件變更，帶來以下下閘難點：

（1）施工招標階段擬定采用單節(jié)疊梁門葉下閘方法，由于下閘時間提前，下閘水頭由2 m提高到6 m，超過單節(jié)門葉高度較多，下閘時存在門葉頂部和底部同時過水、下閘啟閉設(shè)備的抓梁在動水中退軸困難等風(fēng)險。

（2）施工招標階段擬定采用汽車吊作為下閘設(shè)備，由于提前下閘，孔口周圍不能形成汽車吊站位平臺，下閘啟閉設(shè)備無法布置。

（3）未形成設(shè)備運輸通道，閘門和啟閉設(shè)備轉(zhuǎn)運至各門槽孔口困難。

4 下閘方法研究

4.1 下閘門葉節(jié)數(shù)選取

目前, 國內(nèi)大中型水電站導(dǎo)流洞（導(dǎo)流明渠）封堵閘門下閘主要采用以下兩種方法：一是整體閘門下閘[1-2]，在工地現(xiàn)場將閘門組裝成整體后，利用固定卷揚機等啟閉機設(shè)備下閘；二是單節(jié)疊梁門葉下閘[3-4]，利用固定卷揚機或汽車吊等啟閉設(shè)備單節(jié)疊梁門葉下閘。整體閘門下閘有以下特點：①下閘時間短，風(fēng)險小；②整體閘門重量大，下閘啟閉力需求大，啟閉設(shè)備選型要求大；③如采用固定卷揚機作為下閘設(shè)備，需在門槽孔口上方布置啟閉機排架；④下閘后，固定卷揚機作為臨時設(shè)備需拆除，由于各水電站的差異性較大，拆除后的固定卷揚機重復(fù)利用比較困難，一般作報廢處理，造成資源浪費。單節(jié)疊梁門葉下閘有以下特點：①閘門門葉重量輕，下閘啟閉力需求小，啟閉設(shè)備選擇靈活；②如下閘水頭超過單節(jié)門葉較多，下閘時存在門葉頂部和底部同時過水風(fēng)險，下閘風(fēng)險較高；③下閘時間長，風(fēng)險增大。采用何種形式下閘，根據(jù)工程情況而異。

4.2 下閘方法比選

根據(jù)工程實際情況，對單節(jié)疊梁門葉下閘、整體閘門下閘和兩者相結(jié)合的組合下閘方案的水力學(xué)、閉門力和啟門力進行了計算分析。

（1）水力學(xué)參數(shù)對比分析

對3種下閘方法各種工況下的水力學(xué)參數(shù)進行對比和分析（見表1）。單節(jié)門葉下閘和底部2節(jié)門葉組成整體下閘，門頂和門底存在同時過流情況；底部3節(jié)門葉組成整體下閘，在第二孔下閘時仍存在門頂和門底同時過流情況，最高水位1 783.45 m；底部4節(jié)門葉組成整體下閘可基本解決門頂和門底同時過流問題，最高水位1 783.83 m；底部5節(jié)及以上門葉組成整體下閘可完全解決門頂和門底同時過流問題。

（2）下閘閉門力計算

下閘閉門力可采用平面滑動閘門閉門力計算公式[5]，

計算門葉下閘閉門力Fw（kN）（見表1），式中，nT為摩阻力安全系數(shù)，Tzd為支承摩阻力（kN）；Tzs為止水摩阻力（kN）；nG為計算閉門力的門重修正系數(shù)；G為閘門自重（kN）；Pt為上托力（kN）。如果計算得出下閘閉門力為正值，依靠自重不能下閘，需加配重，閉門力為負值，不需配重，閘門依靠自重能下閘。

下閘閉門過程中，如果存在門頂、底同時過流，門葉將處于紊亂的脈動水流中，所承受的載荷復(fù)雜，難于計算，故一般均避免門頂、底同時過流情況下下閘。

（3）下閘啟門力計算

導(dǎo)流明渠下閘后，一般情況下不會重新提起閘門，但是如果在下閘時，閘門出現(xiàn)卡阻等異常情況，需將閘門重新提開，待卡阻原因消除后再重新下閘，因此，封堵閘門啟門力最低條件要滿足下閘水頭下啟門條件[6]，一般還需考慮下閘1～2 h內(nèi)涌高水頭下啟門。

啟門力可采用以下公式[5]，

計算啟門力FQ（kN）（見表1），式中，n"G為計算啟門力的門重修正系數(shù)；G為閘門自重（kN）；Px為下吸力（kN）。

同樣，啟門過程中，如果存在門頂、底同時過流，門葉所承受的載荷復(fù)雜。

（4）下閘方法比選

通過表1對比分析可知，在工況1、2、3時，存在門頂、底同時過流情況，下閘風(fēng)險大，方法不可行；在工況5、6、7、8時，門頂和門底無同時過流風(fēng)險，方法可行，但啟門力需求較大，啟閉設(shè)備選型要求大；在工況4時，4節(jié)閘門高8 m，6 m水頭下閘，可解決門頂和門底同時過流問題，如需啟門，存在水位澭高后門頂過水高度0.83 m情況，但該方法對啟門力需求小，啟閉設(shè)備選型要求小，較經(jīng)濟合理。經(jīng)反復(fù)比選，擬定采用工況4方法，即“底部4節(jié)門葉整體下閘+頂部4節(jié)門葉單節(jié)下閘”組合下閘方法。

表1 下閘方法對比分析表

4.3 下閘啟閉設(shè)備選擇

孔口上方未設(shè)計布置啟閉機排架，不能采用傳統(tǒng)的固定卷揚式啟閉設(shè)備作為下閘設(shè)備，如采用汽車吊作為下閘設(shè)備，唯一的站位平臺在左岸14號壩段1 802.50 m高程，右孔下閘時汽車吊作業(yè)半徑達36 m，汽車吊選型噸位需求極大，不具備可行性。

參考其他水電站利用公路架橋機安裝表孔弧門經(jīng)驗[7-8]，經(jīng)多次研究論證，擬采用公路架橋機作為下閘啟閉設(shè)備，公路架橋機具有起吊覆蓋范圍大、主梁跨度大、起重荷載大、揚程高、裝配靈活、安裝時間短等特點。利用架橋機的鋼結(jié)構(gòu)支腿及主梁，可解決孔口無啟閉機安裝平臺難題；利用起吊覆蓋范圍大、主梁跨度大可過孔的特點，可解決導(dǎo)流明渠未布置設(shè)備運輸通閘門和啟閉設(shè)備無法轉(zhuǎn)運難題。

5 架橋機選擇及布置

5.1 架橋機參數(shù)選擇

為確保架橋機滿足下閘要求，對架橋機主要參數(shù)進行了研究：

（1）根據(jù)下閘時啟門力不小于2 317 kN的要求，從經(jīng)濟性、安全穩(wěn)定性考慮，選擇架橋機的容量為2×1 200 kN；

（2）考慮到導(dǎo)流明渠寬33.0 m，導(dǎo)梁段長度不小于20 m，要求架橋機長度不小于53 m；

（3）導(dǎo)流明渠頂部高程為1 802.50 m，導(dǎo)流明渠底坎高程為1 775.00 m，閘門高度為2 m，考慮到天車吊鉤、吊索具等因素的影響，以導(dǎo)流明渠頂部高程1 802.50 m為基準，選取大鉤起升高度應(yīng)大于6 m以上，大鉤下落最底部距離應(yīng)大于27.5 m以上，架橋機最大起升高度應(yīng)大于36 m；

（4）由于門葉厚度為2 m，為防止起吊過程中，鋼絲繩與架橋機結(jié)構(gòu)干涉，要求架橋機主梁間寬度大于3 m。

研究比選后，選用JQ240 t-50 m型架橋機，其性能參數(shù)如下：

最大啟閉力：2×1 200 kN

整機總長：60 m

最大起升高度：50 m（其中軌上部分6.6 m）

主梁間寬度：6.5 m

天車起升速度：0.64 m/min

天車橫移速度：1.85 m/min

最重部件：中支腿，重16 t

5.2 架橋機布置

根據(jù)現(xiàn)場地形，架橋機布置在導(dǎo)流明渠門槽孔口1 802.50 m高程，軌道中心線與封堵閘門門槽中心線重合。架橋機主梁長60 m，導(dǎo)梁段長20 m，布置在14號壩段作業(yè)平臺，用于架橋機受料，其余40 m跨兩孔導(dǎo)流明渠（總寬33 m），布置見圖2。

考慮到架橋機在下閘中僅需用于閘門轉(zhuǎn)運、節(jié)間組裝及下閘，架橋機可覆蓋整個門槽孔口，不需具備上下游行走功能，取消了大車行走機構(gòu)及支腿橫移軌道；架橋機一次布置到位，不需過孔，取消了主梁縱向移動裝置、液壓系統(tǒng)。最終，下閘使用的架橋機由主梁、前支腿、中托、反托、后支腿、天車總成和電氣系統(tǒng)組成。同時，為了提高架橋機的安全穩(wěn)定性，安裝時將前支腿直接固定在右邊墩上，中托固定在中墩上，反托固定在左邊墩上，后支腿固定在14號壩段作業(yè)平臺上。

圖2 架橋機布置示意圖

6 下閘方法實施

2017年11月22日，水下探摸表明門槽及底坎完好，無掏空、無沖坑，底坎沒有淤積，在完成了閘門門葉組裝，并檢驗及確認架橋機、閘門和門槽各部位運行工況良好后，正式下閘。此時，導(dǎo)流明渠流量為518 m3/s，未超過月平均流量。下閘時，首先將左孔4節(jié)大疊梁整體下閘，再右孔4節(jié)大疊梁整體下閘，兩孔4節(jié)大疊梁下閘后，門頂過水深度約0.2 m，然后按順序?qū)⑹Ｓ嚅T葉采用兩孔單節(jié)門葉交替下閘的方式下閘，下閘過程非常順利。架橋機荷載儀啟閉力讀數(shù)顯示左側(cè)吊點最大值為920 kN，右側(cè)吊點最大值為840 kN，同時出現(xiàn)在右孔4節(jié)大疊梁入水深度接近四節(jié)門葉高度的一半時（4 m）。

下閘時架橋機操作靈活，設(shè)備運行安全可靠，左右兩側(cè)吊點同步性較好，下閘過程荷載平穩(wěn)無突變，下閘時間較短，底部4節(jié)大疊梁單孔下閘僅用時21 min，下閘取得了全面成功。

導(dǎo)流明渠下閘后，在枯水期改建為溢洪道，利用架橋機將閘門提出孔口，回收用作溢洪道表孔檢修閘門，架橋機拆除回收。

7 結(jié)語

通過對下閘啟閉力、水力條件研究，創(chuàng)造性提出了“底部4節(jié)門葉整體下閘+頂部4節(jié)門葉單節(jié)下閘”的組合下閘方法，在國內(nèi)水電行業(yè)首次使用公路架橋機作為下閘啟閉設(shè)備，成功實現(xiàn)了里底水電站導(dǎo)流明渠封堵閘門下閘任務(wù)，該方法值得其他類似工程借鑒，有以下優(yōu)點：

（1）與單節(jié)疊梁門葉下閘方法相比，底部采用多節(jié)門葉整體下閘，閘門高度增加，避免了單節(jié)門葉門頂和門底同時過流風(fēng)險，提高了下閘的安全可靠性，縮短了下閘時間。

（2）與整體閘門下閘方法相比，最大吊裝單元重量減輕，啟閉機容量相應(yīng)減少，節(jié)省啟閉設(shè)備投資。

（3）與采用傳統(tǒng)固定卷揚式啟閉機相比，節(jié)省了啟閉機及配套的排架工程量，架橋機為公路施工通用設(shè)備，拆除回收后可重復(fù)利用于其他工程；架橋機設(shè)備模塊化，安裝調(diào)試時間短，縮短了施工工期。

（4）公路架橋機起吊覆蓋范圍大，主梁跨度大可過孔，可完成閘門從架橋機受料平臺跨孔轉(zhuǎn)運至各門槽孔口任務(wù)，孔口不需另外布置設(shè)備運輸通道，也不需引進大噸位起吊設(shè)備，節(jié)省投資。