烏東德水電站導(dǎo)流洞進(jìn)口一槽雙門設(shè)計(jì)研究

錢軍祥　胡劍杰

摘要：為解決大型水電站導(dǎo)流洞運(yùn)行期檢修難題，優(yōu)化導(dǎo)流洞進(jìn)口布置，以烏東德水電站導(dǎo)流洞工程為例，從導(dǎo)流洞檢修通道設(shè)置、檢修門及其埋件布置方式等方面進(jìn)行分析研究，提出了導(dǎo)流洞進(jìn)口檢修門和封堵閘門共用門槽的“一槽雙門”設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)闡述了“一槽雙門”的閘門和門槽布置方案、門槽型式選擇和門槽主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程。工程實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明：“一槽雙門”設(shè)計(jì)方案在滿足導(dǎo)流洞檢修及封堵的功能的同時(shí)，能大大降低施工難度、縮短施工工期、減少工程投資，該方案可供同類工程設(shè)計(jì)參考。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)流洞進(jìn)口; 一槽雙門; 封堵閘門; 檢修閘門; 烏東德水電站

中圖法分類號(hào)： TV34

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.016

0引 言

大中型水電站布置的導(dǎo)流隧洞，運(yùn)行時(shí)間短則3～5 a，長則7～8 a。對(duì)于泥沙含量高且推移質(zhì)較多的河流，導(dǎo)流洞運(yùn)行期間極易因水流沖刷和推移質(zhì)磨蝕而受損[1-3]。圖1是烏東德水電站3號(hào)導(dǎo)流隧洞運(yùn)行5 a后的情況，可以看出，導(dǎo)流洞底板襯砌混凝土已被沖蝕，面層鋼筋完全裸露，破損嚴(yán)重。盡管相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范未對(duì)導(dǎo)流洞運(yùn)行期的檢修和維護(hù)提出明確要求，但出于安全考慮，溪洛渡、錦屏一級(jí)等工程均定期采用臨時(shí)圍堰截?cái)嗨?，?duì)導(dǎo)流洞進(jìn)行了檢查和維修[4]。

在可研設(shè)計(jì)階段，就明確提出烏東德水電站工程的導(dǎo)流洞在運(yùn)行期應(yīng)定期開展隧洞檢修與維護(hù)的要求，但考慮到臨時(shí)圍堰施工難度和投資較大、占用直線工期較長等因素，初步方案擬定在導(dǎo)流洞進(jìn)口除設(shè)置封堵門外，也設(shè)置一道檢修門，如圖2所示。根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定和初步布置結(jié)果，檢修門槽順?biāo)鞣较蚣s需4.5 m左右的布置空間。布置檢修門槽后，烏東德導(dǎo)流洞進(jìn)水塔進(jìn)口順?biāo)鞣较蚩傞L32.5 m。若取消檢修門槽，相當(dāng)于節(jié)省10%以上的開挖工程量，大型水電站工程導(dǎo)流洞進(jìn)口一般布置在陡峭河谷地帶，開挖施工難度大且容易產(chǎn)生塌方[5-7]。

另外，導(dǎo)流洞封堵門僅在最后下閘封堵時(shí)使用，而檢修門通常是在封堵門下閘前檢修使用，檢修門和封堵門的使用在時(shí)空上是錯(cuò)開的。為優(yōu)化導(dǎo)流洞進(jìn)口水工結(jié)構(gòu)布置和降低施工難度，并節(jié)約工程投資，本文將從導(dǎo)流洞進(jìn)口檢修門、封堵門及其門槽埋件布置和設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行分析，研究檢修門、封堵門共用門槽設(shè)計(jì)方案，并通過工程實(shí)際運(yùn)行來檢驗(yàn)“一槽雙門”效果。

1烏東德導(dǎo)流洞工程概況

烏東德水電站是金沙江下游河段四大水電梯級(jí)——烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩中最上游梯級(jí)，電站正常蓄水位975.00 m，水庫總庫容74.08億m3，總裝機(jī)容量10 200 MW，屬Ⅰ等大（1）型工程。樞紐工程主要由混凝土雙曲拱壩、泄洪消能建筑物、左右岸引水發(fā)電系統(tǒng)及導(dǎo)流建筑物等組成。

烏東德水電站左、右岸共布置“4低1高，4大1小”共5條導(dǎo)流隧洞（從左到右依次編為1～5號(hào)，其中5號(hào)導(dǎo)流隧洞為高洞）。1～4號(hào)導(dǎo)流隧洞進(jìn)口高程分別為814.00 m（1、2號(hào)）和812.00 m（3、4號(hào)），出口高程均為800.00 m。左岸1、2號(hào)導(dǎo)流隧洞出口與左岸電站1、2號(hào)尾水洞出口相結(jié)合;右岸3號(hào)、4號(hào)導(dǎo)流隧洞出口與右岸電站5、6號(hào)尾水洞出口結(jié)合。左、右岸電站尾水檢修門兼作導(dǎo)流隧洞的出口封堵門。

烏東德水電站導(dǎo)流隧洞于2012年1月開工，2019年1月開始下閘封堵，歷時(shí)近8 a。為方便導(dǎo)流期間對(duì)導(dǎo)流洞的檢查和維修，在1～4號(hào)導(dǎo)流隧洞進(jìn)口布置了2扇檢修門。導(dǎo)流洞檢修門在枯水期低水位動(dòng)水啟閉，最大啟閉水位為821.68 m，相應(yīng)水頭為9.68 m;隧洞檢查與維修期間最大擋水水位為833.00 m，相應(yīng)水頭為21.00 m。

2導(dǎo)流洞檢修方案及檢修門布置

大型水電站導(dǎo)流隧洞，由于運(yùn)行時(shí)間長、隧洞底板過流流速大、河流泥沙及推移質(zhì)含量較高等原因，隧洞底板極易遭受磨損。導(dǎo)流洞運(yùn)行期間如果不及時(shí)進(jìn)行檢修，隧洞側(cè)墻及底板會(huì)遭到嚴(yán)重沖蝕破壞，甚至?xí)鹚矶淳植刻?，威脅工程安全。故對(duì)于大型水電站長年運(yùn)行的導(dǎo)流隧洞，一般需考慮創(chuàng)造檢查、維護(hù)等條件。

2.1導(dǎo)流洞檢修通道比選

導(dǎo)流洞檢修通道布置一般有3處：導(dǎo)流洞進(jìn)口、導(dǎo)流洞出口和打開施工支洞。烏東德水電站左、右岸各布置2條低洞（導(dǎo)流洞），左岸和右岸2條低洞均共用施工支洞。根據(jù)檢修期流量水位關(guān)系及導(dǎo)流洞過流能力計(jì)算，枯水期檢修必須保證3條導(dǎo)流洞過流，即單次僅能檢修1條導(dǎo)流洞。左岸2條導(dǎo)流洞平行布置，由于共用施工支洞的原因，如要檢修2號(hào)導(dǎo)流洞，則1號(hào)導(dǎo)流洞不能過流。同理，如要檢修3號(hào)導(dǎo)流洞，則4號(hào)導(dǎo)流洞不能過流。顯然，打開施工支洞作為檢修通道不可行。

烏東德水電站導(dǎo)流洞沿順?biāo)鞣较虿贾?，右岸進(jìn)口底板高程比出口高程高12.00 m（左岸高出14.00 m）。檢修期導(dǎo)流洞抽干后，考慮閘門漏水、洞身滲水等因素，結(jié)合進(jìn)、出口高程差，洞內(nèi)必然有大量水及泥沙不間斷自流至導(dǎo)流洞下游出口段。故導(dǎo)流洞出口難以形成檢修通道，即便出口能形成檢修通道，檢修人員和物質(zhì)從下游通道運(yùn)輸也不方便，困難較大。

綜合分析，僅能在導(dǎo)流洞進(jìn)口設(shè)置檢修通道。

2.2導(dǎo)流洞進(jìn)口檢修門布置方式

導(dǎo)流洞進(jìn)口設(shè)置檢修通道有兩種方式：一是單獨(dú)增設(shè)一道檢修門;二是將封堵門兼做檢修門使用。經(jīng)分析，烏東德水電站1～4號(hào)導(dǎo)流洞封堵閘門孔口尺寸為8.25 m×24.00 m，閘門最大設(shè)計(jì)擋水水頭108.88 m，總水壓力203 392 kN;固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)容量18 000 kN。閘門及啟閉機(jī)規(guī)模巨大，根據(jù)可研概算，8扇閘門及8臺(tái)固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)總投資約8 000萬元。如果工程初期就制造、安裝封堵門和啟閉機(jī)，則會(huì)導(dǎo)致資金占?jí)?，并且?dǎo)流洞下閘封堵前運(yùn)行時(shí)間較長，閘門及啟閉機(jī)維護(hù)保養(yǎng)工作量較大。另外，導(dǎo)流洞封堵閘門制造運(yùn)輸單元尺寸11.0 m×3.0 m×3.0 m，重量為60.0 t，在專用公路未形成前，大件運(yùn)輸較困難。

從封堵門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上分析，烏東德水電站導(dǎo)流洞封堵水位為920.88 m，遠(yuǎn)高于導(dǎo)流洞進(jìn)水塔頂高程848.00 m，因此導(dǎo)流洞封堵閘門的止水只能布置在下游側(cè)，如圖2中封堵門槽所示。如果采用封堵門兼作檢修門必須完全封住孔口，難以形成檢修通道。故導(dǎo)流洞封堵門兼作檢修閘門的方式不可行，導(dǎo)流洞進(jìn)口設(shè)置檢修通道的方式僅能是增設(shè)一道檢修門。

2.3檢修閘門槽布置方式

根據(jù)導(dǎo)流洞檢修通道布置比選和進(jìn)口檢修門布置方式分析結(jié)果，導(dǎo)流洞進(jìn)口設(shè)置一道檢修門是最合理可行的方案?？紤]到導(dǎo)流洞檢修門和封堵門的使用在時(shí)空上是錯(cuò)開的，為減小資金占?jí)骸⒔档驮O(shè)備維護(hù)費(fèi)用，在封堵閘門槽澆筑完成后，先期施工可以先不形成導(dǎo)流洞封堵門及其啟閉設(shè)備，僅生產(chǎn)制造完成檢修門即可。

為優(yōu)化導(dǎo)流洞進(jìn)口水工結(jié)構(gòu)布置和降低施工難度，縮短導(dǎo)流洞進(jìn)水塔長度并節(jié)約工程投資，結(jié)合先期施工僅需要形成檢修門及封堵閘門槽的需求，可將檢修閘門槽與封堵閘門槽一體化設(shè)計(jì)，即形成檢修門和封堵門共用一道門槽的“一門雙槽”設(shè)計(jì)方案[8]，滿足導(dǎo)流洞檢修和封堵要求。

3“一門雙槽”的門槽初步布置設(shè)計(jì)

3.1門槽型式初步布置

烏東德水電站導(dǎo)流洞檢修門和封堵門要共用一個(gè)門槽，且檢修門后需預(yù)留檢修通道，該通道需能保證檢修物質(zhì)及檢修設(shè)備能垂直上下快速吊運(yùn)至導(dǎo)流洞底板。經(jīng)研究，創(chuàng)新性提出了“π”形斷面結(jié)構(gòu)的檢修閘門，門葉結(jié)構(gòu)布置在上游側(cè)，門后形成檢修通道，具體如圖3～4所示。

“一門雙槽”的門槽型式初步布置研究主要是確定門槽寬度W和門槽深度D。以下說明門槽尺寸確定思路。

3.1.1門槽寬度W

3.1.2門槽深度D

無論是檢修門還是封堵門，閘門承受的水壓力最后都傳至門槽下游側(cè)埋件（主軌）。門槽深度D與布置一套主軌還是兩套主軌關(guān)系密切，而主軌型式又取決于閘門支承型式，閘門支承型式又影響閘門啟閉機(jī)容量及啟閉機(jī)型式選擇，應(yīng)經(jīng)過研究計(jì)算綜合比較后確定。

烏東德水電站1～4號(hào)導(dǎo)流隧洞孔口寬度為8.25 m，最大設(shè)計(jì)擋水水頭為108.88 m（3號(hào)和4號(hào)洞）。封堵閘門線壓強(qiáng)大于6 000 kN/m，采用定輪支承已不能滿足要求，應(yīng)選用滑塊支承?；瑝K支承對(duì)應(yīng)的主軌埋件一般為Q355厚鋼板焊接結(jié)構(gòu)。

1～4號(hào)導(dǎo)流隧洞檢修門最大擋水水位為833.00 m，相應(yīng)水頭為21.00 m。檢修門線壓強(qiáng)不到1 500 kN/m，既可采用滑塊支承，也可采用定輪支承。如選用滑塊支承，則兩套閘門可以共用埋件主軌。檢修門選用何種支承應(yīng)考慮閘門啟閉機(jī)容量和型式。

閘門支承型式?jīng)Q定了支承摩擦系數(shù)，也就決定了啟閉機(jī)容量和啟閉機(jī)型式。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，啟閉力計(jì)算公式如下：

檢修門動(dòng)水啟閉，啟閉機(jī)容量由啟門力控制。對(duì)于同一扇閘門，擋水總水壓力P、閘門重量G、止水摩阻力Tzs是相同的。1 000 mm的定輪其摩擦系數(shù)一般小于0.01，而滑塊（按工程塑料合金滑塊）摩擦系數(shù)實(shí)際一般大于0.1。以烏東德水電站導(dǎo)流洞檢修門為例，如采取用定輪支承，計(jì)算啟門力FQ=1 350 kN。根據(jù)現(xiàn)場場地布置，容量3 000 kN左右汽車吊即可滿足操作要求，且可現(xiàn)場調(diào)用。如采取用滑塊支承，計(jì)算啟門力FQ=2 080 kN。根據(jù)現(xiàn)場場地布置，需要容量4 500 kN汽車吊或履帶吊進(jìn)行啟閉操作，且需從工區(qū)外租用，調(diào)用極不方便。

經(jīng)綜合比選，檢修門采用定輪支承，檢修門埋件主軌選用鑄鋼軌道;封堵閘門采取滑塊支承，埋件主軌選用厚鋼板焊接結(jié)構(gòu)，即門槽下游共布置兩套主軌。進(jìn)一步考慮門葉結(jié)構(gòu)與門槽之間的位置關(guān)系后，可以初步確定門槽深度D。

3.2門槽尺寸確定

導(dǎo)流洞汛期水頭超過30 m，流速超過20 m/s。為保護(hù)門槽，避免門槽空蝕空化，門槽型式應(yīng)選用“Ⅱ”形門槽。根據(jù)規(guī)范，“Ⅱ”形門槽合宜寬深比W/D為1.5～2.0。如果初步確定的W，D兩者比值不滿足合宜寬深比的要求，還應(yīng)進(jìn)一步調(diào)整。

4“一門雙槽”的門槽埋件結(jié)構(gòu)及閘門設(shè)計(jì)與運(yùn)行

“一槽雙門”設(shè)計(jì)方案是綜合考慮檢修門和封堵門操作運(yùn)行條件、導(dǎo)流洞檢修要求及工地現(xiàn)場施工條件等因素后提出的。烏東德水電站1～4號(hào)導(dǎo)流隧洞進(jìn)口封堵門槽埋件初步布置見圖5。以下主要討論“一槽雙門”方案閘門和埋件設(shè)計(jì)中應(yīng)特別注意的問題，常規(guī)設(shè)計(jì)不再詳述。

4.1門槽埋件設(shè)計(jì)

（1） 止水及主軌。

從圖5檢修門和封堵門埋件布置可以看出，檢修門止水布置在上游側(cè)，上游埋件（反軌）上應(yīng)布置止水座板。封堵門止水布置在下游側(cè)，下游埋件上也應(yīng)布置止水座板。一道門槽埋件上應(yīng)布置兩套分別與兩扇閘門相匹配的止水座板。檢修門和封堵門的主軌均布置在下游側(cè)，共布置兩套主軌。兩套主軌在垂直水流方向上的位置可以根據(jù)需要調(diào)整。

（2） 門槽襯砌。

為解決導(dǎo)流洞運(yùn)行期間門槽自身的安全問題，應(yīng)對(duì)門槽設(shè)計(jì)鋼襯進(jìn)行保護(hù)[12-14]：一是門槽采取全斷面鋼襯襯護(hù)，確保門槽主體結(jié)構(gòu)安全;二是門槽底板以門槽中心線為基準(zhǔn)上、下游3.0～5.0 m范圍內(nèi)采取鋼襯保護(hù)。這樣確保門槽附近的底板不會(huì)被掏空，從而保證閘門底止水座板的安全。

（3） 門槽體型。

“Ⅱ”形門槽一般用于高水頭永久水工建筑物設(shè)計(jì)，導(dǎo)流隧洞封堵門槽設(shè)計(jì)應(yīng)參考選用“Ⅱ”形門槽，以改善了門槽水力學(xué)條件，防止門槽空蝕空化破壞。

4.2檢修門設(shè)計(jì)

檢修門的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是擋水水位較低、采取臨時(shí)啟閉機(jī)設(shè)備操作、應(yīng)能為導(dǎo)流洞檢修時(shí)提供人員和設(shè)備通道。通過分析這些設(shè)計(jì)特點(diǎn)和要求，檢修門斷面可設(shè)計(jì)成“π”形斷面結(jié)構(gòu)。門葉結(jié)構(gòu)兩邊邊柱較高以適應(yīng)門槽尺寸，便于支撐和受力。中間主梁結(jié)構(gòu)較矮，以便在門后留出空間，形成人員和設(shè)備的進(jìn)出通道。這種結(jié)構(gòu)一方面降低了檢修門重量;另一方面節(jié)省了工程量，進(jìn)而減小了臨時(shí)啟閉機(jī)設(shè)備的容量，便于施工操作和運(yùn)行。

由于門葉斷面采用“π”形結(jié)構(gòu)，中間主梁和兩邊邊柱高度差較大，斷面突變。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免應(yīng)力集中?！唉小毙谓Y(jié)構(gòu)為異形結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)精確計(jì)算閘門重心位置，以便于啟閉機(jī)操作。

4.3 “一門雙槽”的門槽及閘門運(yùn)行

烏東德導(dǎo)流洞檢修門為疊梁門，共6節(jié)。下面3節(jié)聯(lián)接成整體后，選擇低水位動(dòng)水下閘，然后上面3節(jié)疊梁無水下閘。待檢修完畢后，選擇低水位時(shí)機(jī)讓上面3疊梁在無水狀態(tài)下依次啟門，下面3節(jié)疊梁整體動(dòng)水提門。下面3節(jié)疊梁計(jì)算啟門力為1 350 kN，現(xiàn)場實(shí)際利用2 600 kN汽車吊操作。圖6（洞內(nèi)朝向上游拍攝）是檢修門下閘擋水效果圖，從4條導(dǎo)流洞檢修結(jié)果來看，物質(zhì)及檢修設(shè)備可從門后直接吊運(yùn)至導(dǎo)流洞底板，非常方便順暢。抽水檢查表明，門槽埋件基本完好，檢修門止水效果良好（基本不漏水），為導(dǎo)流洞檢修創(chuàng)造了良好的條件[15]。

5結(jié) 論

本文以烏東德水電站1～4號(hào)導(dǎo)流洞進(jìn)口檢修門和封堵門共用門槽設(shè)計(jì)為例，闡述了“一槽雙門”設(shè)計(jì)方案的研究過程，并指出了設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題，研究成果總結(jié)如下。

（1） 河流泥沙及推移質(zhì)含量高、運(yùn)行時(shí)間較長（如超過3 a）的大型水電站工程導(dǎo)流洞應(yīng)考慮具備檢修要求，并建議在導(dǎo)流洞進(jìn)口設(shè)置檢修門作為檢修通道。

（2） 為簡化導(dǎo)流洞進(jìn)口水工結(jié)構(gòu)布置，節(jié)省投資和降低施工難度，建議參考“一槽雙門”設(shè)計(jì)方案。門槽尺寸、門槽埋件止水座板及主軌設(shè)計(jì)應(yīng)能同時(shí)滿足兩套閘門運(yùn)行要求，門槽布置可根據(jù)實(shí)際進(jìn)行優(yōu)化。

（3） 導(dǎo)流洞進(jìn)口檢修門結(jié)構(gòu)建議采用“π”形斷面結(jié)構(gòu)型式，以利于在門后形成檢修通道，同時(shí)節(jié)省工程量。檢修閘門宜采用定輪支承，以減小啟閉機(jī)容量，便于汽車吊等臨時(shí)啟閉設(shè)備操作運(yùn)行。

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（編輯：胡旭東）