缅甸耶涯水电站泄水底孔金属结构设计

2010-02-24李大伟马会全

东北水利水电 2010年9期

李大伟，马会全

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春 130021）

1 概述

耶涯水电站位于缅甸东南部，距缅甸第二大城市曼德勒约150 km，装机4台，共790 MW。水库正常蓄水位185.00 m，最大可能水位196.50 m，坝顶高程197.00 m，属多年调节水库，年平均发电量36×108kW·h。为满足工程蓄水期间下游供水及工程运行期间，一旦溢流坝和机组均无法向下游供水时，通过底孔向下游供水。因此，将原设计方案的2条导流洞中的1条改造为2条永久泄水洞，并在泄水洞中部设地下闸门室，沿水流方向，在闸门室内设一道2扇检修闸门和工作闸门。闸门底坎高程79.64 m，闸门及其埋件按水库最高水位196.50 m设计，最大操作水头达117 m，由于闸门室高程远低于库水位，因此闸门必须设计成高压闸阀型式。泄水底孔单孔最大泄量245 m3/s，相应门槽处最大平均流速38.4 m3/s。此种底孔布置型式国内工程建设中采用的不多，而如此高流速和水头更是不多见。对水力学、设备选择、结构材料的使用等提出了相当高的要求。同时，由于地下洞室空间有限，加大了安装难度。

2 金属结构设备布置

底孔闸门室沿水流方向首部设平面滑动检修闸门，孔口尺寸2.2 m×3.1 m（宽×高，下同），检修闸门下游设平面滑动工作闸门，孔口尺寸2.2 m×2.9 m，两门槽中心线间距2.9 m。检修闸门与工作闸门均置于整体封闭门槽埋件中，且与围岩间填充混凝土，上游侧与泄水洞钢衬相连。底孔闸门挡水时，最大内水压力可达120 m水头，因此，闸门槽顶部设置顶盖防止高压水流涌出，同时作为液压启闭机底座。

根据外方招标文件要求，检修闸门动水闭门，静水启门，设旁通阀充水平压，静水启门水头差经分析并参考国内的有关规程规范取为5 m。检修闸门平时悬停在门槽孔口段以上0.5～1.0 m处，一旦泄水时工作闸门无法完全关闭，检修闸门动水下门截断水流。工作闸门动水启闭，平常挡水，泄水时开启泄水。

检修闸门和工作闸门均由设在88.69 m平台上2种型号的双作用液压启闭机操作，4台液压启闭机共用1套液压动力泵站，检修闸门和工作闸门不同时工作，为满足2种型号液压机不同的液压压力要求，液压泵站采用可调柱塞泵实现这一功能，闸门操作前，手动调节柱塞泵流量定值。

因闸门室处于地下，常年处于潮湿环境，为避免潮湿环境对液压泵站及其电气元件的影响，在闸门室内角落处单独设封闭电气控制室。为满足设备安装及检修与维护的需要，在闸门室顶拱处设2台电动葫芦作为起重设备。

底孔闸门泄水时，流速高达40 m/s，属高速水流，为解决闸门后产生负压补气问题，在工作闸门后底孔出口处设与外部大气直通的补气廊道，断面尺寸1.5 m×1.5 m，补气廊道与外部相连进口处用钢栅栏防护。泄水底孔闸室金属结构布置见图1，2。

图1 泄水底孔口中心线剖面图

3 检修闸门及工作闸门

门叶均采用厚钢板焊接接结构，整扇制造及运输主要结构材料采用Q345B，闸门面板及止水布置在下游侧，主支承为滑动型式并兼作止水，主支承材料采用ZcuAlqMn2铸铝青铜，底止水也采用相同材料。门叶底主梁为双腹板箱形梁，其余主梁为工字型实腹梁。为避免闸门泄水时高速水流产生底缘负压区，引起闸门有害振动，门叶底缘倾角按45°设计，且门叶底小梁腹板与底主梁后翼采用同一块钢板，并在转角处用半径为150 mm圆角过渡。闸门的侧、反导向材料均使用了铜合金材料，以防锈蚀及磨损破坏。

图2 泄水底孔88.69 m高程设备布置图

4 闸门埋件及门槽

耶涯泄水底孔闸门为高压滑动闸阀，闸门埋件为整体封闭箱形结构，主要结构材料为Q345B，按运输要求分多个单元制造和运输，各单元均为钢板焊接结构，在工地拼装为整体，埋件使用的钢板较厚，如工地采用焊接拼接，不但工艺复杂，最主要是限于工地的施工条件，焊接变形无法控制。同时又因为金属止水兼作滑道，对埋件工作面平面度偏差要求很高，因此只能采用各单元间螺栓连接方案，仅在单元间拼接缝处采用焊量很小的密封焊，防止内水外渗。支承主轨使用厚钢板制作，埋件上的支承和导向工作面材料为1Cr18Ni9Ti不锈钢板，防止锈蚀并降低摩擦系数。

泄水底孔出口较低，属淹没出流不利工况，存在水流对门槽及其附近埋件空蚀问题，门槽须采用Ⅱ型门槽，在门槽宽深比和错距按规程、规范要求在较优数值范围内选取。

闸门埋件为封闭箱形结构，放空检修时，根据外方招标文件的要求，应能够承担70 m的外水压力。在进行强度和稳定计算时，在内水压力情况下，应考虑埋件与外包混凝土联合受力，但此种情况下的受力分析计算，按传统的结构力学方法无法计算。在外水作用下，可不考虑外包混凝土承担外水的作用，因此，可按“口”型封闭框架进行埋件强度、刚度及稳定性计算。同时考虑型外水压力与内水压力相差不大，两者水头的差值由外包混凝土承担其余的内水压力。将这种计算工况的成果提供给外方咨询工程师审查时，得到了咨询工程师的认可。

5 启闭机

检修闸门及工作闸门均选用单吊点垂直式双作用液压启闭机操作。液压启闭机通过密封顶盖与闸门连接，因底孔闸门室空间较小，4台液压机共用1套液压动力泵站，检修闸门与工作闸门不存在同时工作情况，因此泵站油箱容积按2套工作闸门操作情况确定。为适应两种闸门液压机的操作要求，液压泵站选用可调的变量轴向柱塞泵。启闭闸门前，将柱塞泵流量控制开关设到相应位置。

4台液压启闭机均采用内置式行程检测装置，并设置上、下极限等位置控制节点，所有控制和故障信号均传至厂房控制室。正常情况下现地手动操作闸门启闭，紧急情况下具备在厂房控制室远方闸门控制功能，现地与远方控制互锁，以防止误操作。

6 旁通阀充水系统

检修闸门充水平压后静水启门，限于闸门尺寸较小，设计水头较高，液压机操作困难等原因，在门叶上无法设置充水装置，因此在闸门边墩内埋设连接上、下游的充水管路，充水管路在闸门室88.69 m平台上串联2套相互备用的手动控制闸阀，闸阀公称通径100 mm，压力等级1.6 MPa，为检修和维护方便，闸阀与管路间采用法兰连接。

为充水平压时排出闸门埋件封闭空间内的气体，以及在泄水过程中防止高速水流溢出气体存留在封闭埋件顶部而引起有害振动，在封闭顶盖最高点设1套自动排气阀，在排气阀下部与闸门底孔流道连接的管路上，设1套手动球阀，以便排气阀损坏时截断水流进行更换或维修。

7 主要问题及解决办法

闸门金属止水外方招标文件中明确规定，必须使用青铜合金和不锈钢作为滑动摩擦副材料，而青铜材料与钢材的焊接属异性材料焊接，焊接相当困难。针对这一难题，确定设计方案时查阅了各种青铜合金材料的力学性能及可焊性，同时咨询了国内几家权威的焊接研究机构，最终选择铸铝青铜（ZcuAl9Mn2）与门叶低合金钢板用角焊缝连接，但在工厂实际制造过程中，尽管采取了预热、钎焊等焊接工艺措施，包括更换了各种焊条，最终焊接质量一直无法满足要求。为保证供货时间，其它焊接试验措施已不可能继续进行了，不得已采取堆焊的焊接方式，最终满足了焊接质量要求，但也花费了大量的人工和时间，增加了制造成本。

泄水底孔闸门室高度低，因此闸门及其液压机整体吊装的空间不足，只能分别吊装，另外闸门埋件门龛内空间极为有限，闸门与液压机的连接吊轴使用常规止轴板型式会导致由于吊轴较长，在狭小空间内无法安装。还有水库蓄水后，高达100多米的内水压力会导致闸门向下游侧偏移，这样就会对液压机的吊头产生附加水平力，会在活塞杆底端产生附加弯矩，对活塞杆的强度不利。因此设计时吊轴采用两端法兰盖固定方式且吊轴与水流同向布置，从而解决了安装问题，又使闸门在水压力作用下产生少量偏移的同时，闸门能沿吊轴自由滑动。