福建周寧抽水蓄能電站金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備設(shè)計與布置

張志兵，李世豪

（華電福新周寧抽水蓄能有限公司，福建 寧德 355101）

1 工程概況

福建周寧抽水蓄能電站安裝4 臺單機容量300 MW 可逆式水泵水輪機組[1]，為日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站，年平均發(fā)電量為12 億kW·h，年平均抽水電量16 億kW·h。工程屬一等大（1）型工程，電站樞紐主要由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地面開關(guān)站及地下廠房等建筑物組成[2]。主要永久性建筑物按1 級建筑物設(shè)計，次要永久性建筑物按3 級建筑物設(shè)計。

電站金屬結(jié)構(gòu)主要分布于輸水系統(tǒng)（包括上水庫、下水庫進/出水口）、泄水系統(tǒng)（包括下水庫溢洪道、下水庫泄洪底孔）、機組尾水出口和導(dǎo)流洞等部位。金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備主要包括閘門、攔污柵及其啟閉設(shè)備，承擔(dān)泄洪、保護機組安全運行和控制水位等任務(wù)，總工程量為3 768.6 t。

上水庫調(diào)節(jié)庫容815萬m3，正常蓄水位716.00 m，死水位691.00 m，設(shè)計洪水位（P=0.5%）717.32 m；下水庫調(diào)節(jié)庫容799 m3，正常蓄水位299.00 m，死水位262.00 m，設(shè)計洪水位（P=0.5%）304.15 m。

電站檢修閘門的結(jié)構(gòu)設(shè)計依據(jù)靜水壓力計算。依照NB 35055-2015《水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范》[3]第8 條計算啟閉機容量，并參考啟閉機的系列標(biāo)準(zhǔn)選取，所選取的啟閉機容量不小于計算值。當(dāng)閘門采用動水操作時，按靜水壓力乘以1.1 的動力系數(shù)考慮。本工程地震基本烈度為Ⅵ度，地震動加速度峰值為0.045 g，金屬結(jié)構(gòu)按照規(guī)范的荷載組合進行復(fù)核。

2 金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備布置與設(shè)計

2.1 上水庫金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備

上水庫進/出水口金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備：2 扇事故閘門、8 扇攔污柵、2 臺3 200 kN 固定卷揚式啟閉機及啟閉機房內(nèi)的2 臺50 kN 單梁葫蘆。

為避免上水庫中的污物在發(fā)電時進入機組而影響機組正常運行[4]，上水庫進/出水口共設(shè)置8 扇攔污柵，每個進/出水口設(shè)4 扇。為便于攔污柵檢修，在高程691.50 m 處設(shè)置了1 個檢修平臺。當(dāng)攔污柵需維修時，將上庫水位降至死水位以下，通過臨時起吊設(shè)備將攔污柵整體起吊，分節(jié)拆吊至檢修平臺進行操作。如攔污柵需大修或需更換時，用臨時設(shè)備將攔污柵移至搬運軌道處，通過小車將攔污柵運至壩頂，小車采用牽引力為2×100 kN 的卷揚機進行操作。

當(dāng)機組運行出現(xiàn)事故或正常檢修時，且主閥保護發(fā)生故障，水泵水輪機導(dǎo)葉不能完全關(guān)閉，在2 條引水隧洞平段上的閘門井內(nèi)均設(shè)置1 道事故閘門，共2 扇，以截斷上庫水流，避免事故擴大。閘門由固定卷揚式啟閉機操作，容量為3 200 kN。在735.80 m 高程平臺上布置啟閉機，啟閉機房內(nèi)設(shè)有1 臺50 kN單梁檢修電動葫蘆。

為確保生態(tài)流量的下泄，在上庫導(dǎo)流泄放洞底板設(shè)置放水鋼管。鋼管沿底板鋪設(shè)至出口，出口高程609.45 m，管徑為DN150。在出口處設(shè)置球閥控制水流，并設(shè)工作和檢修閥。閥門均為動水操作，滿足區(qū)間生態(tài)流量的要求。

2.2 下水庫金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備

下水庫進/出水口金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備：2 扇溢洪道弧形工作閘門和2 套2×630 kN 液壓啟閉機、8 扇攔污柵、1 扇泄洪底孔事故閘門、2 扇檢修閘門、1 扇溢洪道檢修閘門、1 臺2×320 kN 雙向門式啟閉機、1 臺2 000 kN 壩頂雙向門式啟閉機、1 臺1 250 kN臺車式啟閉機、1 臺2 000 kN 壩頂雙向門式啟閉機（與溢洪道檢修閘門共用）、2 扇泄洪底孔弧形工作閘門和2 套2 500 kN/1 600 kN 液壓啟閉機。

為防止下水庫中的污物在抽水時進入機組，下水庫進/出水口共設(shè)置8 扇攔污柵，每個進/出水口設(shè)4 扇。攔污柵采用壩頂2×320 kN 雙向門式啟閉機啟閉。在下水庫進/出水口攔污柵后布置1 道檢修閘門，用于機組或尾水隧洞檢修時擋水。兩孔共設(shè)2 扇，采用1 臺1 250 kN 臺車式啟閉機操作。閘門操作方式為靜水啟閉。在高程306.00 m 處設(shè)置了1 個檢修平臺，攔污柵清污或檢修時，通過自動抓梁將攔污柵整體起吊，分節(jié)拆吊至檢修平臺上進行操作。

每扇溢洪道工作閘門前設(shè)有1 道檢修門門槽，兩孔共用1 扇檢修門，用于其下游弧形工作閘門或門槽檢修時擋水。閘門操作方式為靜水啟閉，檢修閘門平時鎖定在孔口上方。閘門檢修在306.00 m高程平臺進行，采用2 000 kN 壩頂雙向門機配專用自動抓梁操作。下庫溢流壩段布置兩孔溢流表孔，設(shè)2 扇弧形工作閘門，主要用于宣泄洪水。溢流表孔工作閘門采用露頂式弧形鋼閘門，閘門操作方式為動水啟閉，可局部開啟，采用2×630 kN 雙吊點后拉式液壓啟閉機操作。

兩孔泄洪底孔工作閘門前各設(shè)有1 道事故閘門門槽，共設(shè)1 扇事故閘門。閘門操作方式為動閉靜啟，事故閘門平時用鎖定梁鎖定在孔口上方的門槽內(nèi)。閘門檢修在306.00 m 高程平臺進行，采用2 000 kN 壩頂雙向門機（與溢洪道檢修閘門共用）配專用自動抓梁操作。下庫溢流壩段設(shè)有兩孔泄洪底孔，設(shè)2 扇弧形工作閘門。泄洪底孔工作閘門采用潛孔式弧形鋼閘門，閘門操作方式為動水啟閉，采用2 500 kN/1 600 kN 液壓啟閉機操作。

每套弧形閘門及其對應(yīng)的液壓啟閉機各布置1套在線監(jiān)測系統(tǒng)。通過在線監(jiān)控系統(tǒng)對弧形閘門及液壓啟閉機的運行數(shù)據(jù)進行實時自動監(jiān)測，并經(jīng)過信息傳輸與處理，實現(xiàn)對弧形閘門和液壓啟閉機結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力、動應(yīng)力、振動響應(yīng)、運行姿態(tài)及軸承運行狀態(tài)的實時在線監(jiān)測和故障預(yù)警、報警。在決策系統(tǒng)支持下，制訂優(yōu)化調(diào)度并監(jiān)控弧形閘門和液壓啟閉機的運行狀態(tài)，以確保其運行安全和充分合理利用水資源。

為確保生態(tài)流量的下泄，在下水庫混凝土重力壩設(shè)置生態(tài)放水管。閥室段管中心高程255.80 m，管徑為DN400。在出口廊道內(nèi)設(shè)置閘閥以控制管路水流，并設(shè)工作和檢修閥，管道鋪設(shè)從壩腳至下游護坦，以滿足區(qū)間生態(tài)流量的要求。

為滿足施工導(dǎo)流后封堵需要，下庫左岸導(dǎo)流洞進口設(shè)封堵閘門1 道，閘門型式為潛孔式平面滑動鋼閘門，底坎高程214.00 m，明洞段平臺頂高程222.50 m。閘門在枯水期下閘擋水，封堵水位216.00 m。采用臨時起吊設(shè)備操作。

2.3 機組尾水事故閘門金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備

閘門采用閘閥式高壓平面滑動閘門，安裝在尾水閘門室內(nèi)，主支承采用滑道形式。電站每臺機組尾水管設(shè)1 扇尾水事故閘門，共4 扇。閘門操作方式為靜水啟閉，利用自重及部分水柱壓力動水下門，由旁通管充水平壓。閘門及充水管上設(shè)置自動泄壓裝置。尾水事故閘門啟閉應(yīng)與機組前的球閥聯(lián)鎖，即在打開尾水事故閘門后，再開啟球閥；先關(guān)閉球閥截斷上庫水流，再關(guān)閉尾水事故閘門[5]， 以防止在全關(guān)狀態(tài)下閘門意外承受來自上庫方向水壓而遭破壞[6]。

閘門平時由液壓啟閉機鎖定于孔口上方的腰箱內(nèi)。每扇閘門采用1 250 kN/5 000 kN（啟門力/持住力）液壓啟閉機操作，在尾閘平臺中部啟閉機房內(nèi)安裝液壓控制泵站。為便于液壓啟閉機的安裝檢修，尾閘洞內(nèi)設(shè)有1 臺630 kN/100 kN 檢修橋機。啟閉機采用現(xiàn)地和遠方控制相結(jié)合的方式進行控制。

周寧抽水蓄能電站的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備主要特性見表1。

3 設(shè)計工作重點及難點

（1）相較于常規(guī)水電站，抽水蓄能電站攔污柵的布置設(shè)計要能適應(yīng)在雙向水流的過流條件[7]。由于雙向過流的工作條件，上、下庫進/出水口的出流流態(tài)較差，易引起攔污柵振動，從而造成攔污柵的損壞。針對抽蓄電站攔污柵的特點從以下方面進行考慮：

1）為了降低水流經(jīng)過攔污柵所產(chǎn)生的擾動頻率，攔污柵的主橫梁、縱梁及柵條的雙向迎水面采用圓弧或錐角。

2）攔污柵采用固定支承。為了增加攔污柵的自振頻率，上、下游每塊支承滑塊下均設(shè)有橡皮墊塊，攔污柵入槽后每塊橡皮壓縮2 mm，使得柵和柵槽間具有適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力。

3）每組柵條另設(shè)置2 根水平支撐條以提高柵條的側(cè)向穩(wěn)定性并增加?xùn)艞l的抗振性能。

4）增強攔污柵的結(jié)構(gòu)剛度。由3 根箱形主橫梁、2 根邊梁和2 根箱形縱梁組成剛度較高的柵架結(jié)構(gòu)。攔污柵由4 節(jié)柵葉組成。

（2）由于周寧抽水蓄能電站機組尾水事故閘門最高擋水位達146 m，在超高水頭下的閘門強度及門槽封水設(shè)計為設(shè)計難點。針對尾水事故閘門的設(shè)計從以下方面進行考慮：

1）進人孔蓋與腰箱頂蓋、腰箱頂蓋與腰箱之間采用可靠的密封裝置。門槽結(jié)構(gòu)型式采用全封閉箱形。

2）閘門設(shè)置自動泄壓裝置，以防止在全關(guān)狀態(tài)下閘門意外承受上庫方向水壓而造成損壞。

4 結(jié)語

福建周寧抽蓄電站的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計嚴(yán)格依照國家現(xiàn)行相關(guān)規(guī)程，對照《工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)強制性條文》，所有設(shè)計均符合強制性條文及相關(guān)規(guī)范的要求，設(shè)計中關(guān)于施工、運行的安全性措施均在施工技術(shù)要求及現(xiàn)場設(shè)計交底中予以明確。本文根據(jù)周寧抽蓄電站實際工程情況，對金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備進行了合理設(shè)計與布置，確保閘門、攔污柵及各類啟閉設(shè)備安全運行。福建周寧抽蓄電站自2022 年8 月全容量投產(chǎn)至今，金屬結(jié)構(gòu)部分均正常運行。