黄河龙口水利枢纽工程金属结构设计

郑向晖 易 伟 刘国军

龙口金属结构设备包括表孔系统、底孔系统、电站及排沙系统各类闸门、拦污栅及启闭设备,总质量约7100 t。

1 表孔系统金属结构设计

表孔系统布置在大坝最右侧,由两个坝段组成,主要功能为满足枢纽泄洪要求。表孔工作闸门选用平板闸门;表孔结构型式为开敞式溢流堰。表孔系统每个坝段设1个泄洪表孔,共设2孔工作闸门。在每孔工作闸门上游设1道检修门槽,2孔工作闸门共用1套检修闸门;考虑到工作闸门冬季运行要求,表孔工作闸门门前设防冰装置,工作闸门门槽设防冻装置。表孔系统与底孔系统共用1台1600kN坝顶双向门机。

表孔检修闸门(12m×10.6m-10.053 m孔口宽度×孔口高度-设计水头,下同)、表孔工作闸门(12m×11.5m-11.04m)与底孔事故闸门共用1台门机,闸门为动水启闭。黄河水中含沙量较大,为防止闸门梁格及门槽内淤沙,闸门面板及底、侧止水均布置于上游侧;闸门最大挡水压力为8500kN;由于检修水位与正常蓄水位相同,为便于管理及检修维护,检修闸门与工作闸门采用完全相同的结构形式,同时检修闸门与工作闸门可以互换使用,延长使用寿命。检修闸门平时存放在隔墩坝段的检修门库内。工作、检修闸门均由坝顶1600kN门机直接操作。详见图1。

2 底孔系统金属结构设备

图1 表孔系统剖面图

底孔系统分布在5个坝段,每个坝段内设2个泄洪底孔,共10个泄洪底孔。底孔系统共设10孔4.5m×6.5m-35m弧形工作闸门,在每孔工作闸门上游侧设1道事故检修闸门门槽,10孔工作闸门共用2套4.5m×7.444m-35m事故检修闸门。底孔弧形工作闸门启闭设备为1600/500kN摇摆式液压启闭机,2台液压启闭机共用1套泵站,泵组及油缸布置于底孔启闭机廊道内。底孔事故检修闸门由底孔1600kN坝顶双向门机通过1600kN液压自动抓梁启闭。

底孔事故检修闸门为平板定轮闸门。布置于底孔工作闸门上游侧,当底孔工作弧门事故或需要检修时,闸门动水闭门;闸门充水平压后,静水启门。事故检修闸门面板及止水均布置于上游侧。闸门加重块布置于梁格内。闸门顶部设柱塞式充水阀2个。闸门按6m挡沙高度及35m水头条件设计。闸门动水闭门时,通过闸门井补气。闸门平时存放于门库内。为方便检修操作,每孔门槽顶部设置了闸门锁锭装置,锁锭装置采用摆叉式锁锭,事故检修闸门可由底孔1600kN坝顶双向门机通过1600kN液压自动抓梁吊起后,由人工操作闸门锁锭,将闸门锁定于门槽顶部。

事故检修闸门门槽处水流速度较高,门槽段边界突变,将产生局部压降,形成空穴现象,导致空蚀破坏。为防止门槽下游产生负压,采用1∶10斜坡错距式门槽。主轨采用ZG50Mn2整体铸造,无突出物,主轨面与侧护角光滑过度,用以提高门槽抗泥沙冲刷和抗气蚀能力。底坎用钢埋件加宽衬护。

因底孔担负着泄洪排沙任务且水头较高,流速较快,而弧形闸门门槽段无边界突变,有较好的水流条件,不会产生局部压降,形成空穴,底孔工作闸门采用弧形闸门。

弧形闸门为双主梁直支臂闸门,总水压力约13000kN,并考虑淤沙至869.00m高程的泥沙压力。弧门半径11.25m(面板外缘),支铰中心至底槛距离为8.9m。弧门门楣上设置转铰式水封。在弧门支铰后设置支撑面经加工的支撑大梁,支撑大梁埋入二期混凝土内。在高程871.5m处设有检修平台,用于弧门水封的更换及弧门维修。

弧形工作闸门采用1600/500kN(启门力/闭门力)摇摆式液压启闭机。工作行程8.5m,油泵站安装于高程886.00m的启闭机室内,每2台液压缸共用1套液压泵站,每套泵站设2套泵组,互为备用。共5套泵站。油缸采用中部铰接支承,下端与闸门连接,吊头内装有自润滑球面滑动轴承。油缸上端内部装有行程检测装置,行程检测装置自带上下极限机械限位开关,可实现弧门在任意开度及上下极限控制。液压启闭机除能在启闭机室内现地控制外,还可以在电站中控室内集中控制。弧形闸门可单台启闭,泄洪时要求对称成组开启和关闭。

底孔、表孔共用1600kN坝顶双向门机由主起升小车、移动副钩、门架、大车运行机构组成。主起升机构采用折线绳槽卷筒。门机供电采用电缆沟内滑触线供电。门机起升及行走机构电机均采用变频电机。门机采用集中润滑系统。门机主钩容量为1600kN,轨上扬程15m,总扬程42m;用于操作底孔事故检修闸门、表孔工作闸门、表孔检修闸门;主钩配有1套液压抓梁,用于底孔事故闸门的启闭。抓梁不用时存放于底孔事故闸门门库内。门机副钩为200kN旋转吊,总扬程33 m,回转吊幅度12m;用于操作坝顶各孔口混凝土盖板、底孔液压启闭机的检修等。门机轨距11m,详见图2。

3 电站系统金属结构设备

每台100MW机组有3个进水口和3个尾水出口,电站进水口设事故闸门,并只考虑1台机组事故。20mW机组有1个进水口1个尾水出口,进水口设事故闸门。大、小机组进口段沿水流方向依次设有主拦污栅、检修闸门和事故闸门,尾水均设检修闸门。以上金属结构设备由电站进口2×1250kN双向门机操作。电站进口检修闸门、事故闸门等设备平时存放于主安装厂坝段的门库内。100MW机组电站尾水出口设有6套检修闸门,可用于2台机同时检修,其中3套闸门平时锁定在电站尾水平台上,3套闸门存放于门库内。20MW机组出口设有1套检修闸门,闸门平时存放于隔墩坝段门库内。尾水检修闸门由2×630kN尾水双向门机通过液压抓梁操作,详见图3。

图2 底孔系统剖面图

图3 大机组电站进口剖面图

3.1 电站进口闸门、拦污栅及启闭机

4台100mW机组电站进水口拦污栅为连通式布置,连通布置可以避免单套拦污栅堵塞而影响机组引水发电。主拦污栅(5.9m×32.5m-4m,孔口宽度×孔口高度-水压差)共设12套。每套主拦污栅共分12节。考虑到门机扬程,可以将每3节拦污栅作为1个拆装的单元。

20mW机组电站进水口拦污栅共1孔,每孔设1套4.4m×32.5m-4m拦污栅。每套主拦污栅共分10节。

100MW机组电站进口检修闸门为5.9m×15.775m-34.82m平板滑动闸门。闸门静水启闭。闸门平时存放于门库内。检修闸门由2×1250kN电站坝顶门机通过2×1250kN液压自动抓梁启闭。进口检修闸门作为永久设备共设3套,考虑到机组安装及下闸蓄水需要,另设6套检修闸门作为电站进口临时封堵用。

20mW机组电站进口检修闸门为4.4m×10.15m-32.54m平板滑动闸门。闸门静水启闭检修闸门由2×1250kN电站坝顶门机单钩通过拉杆启闭。拉杆设摆叉式锁锭梁,闸门启闭过程中可将拉杆锁定于孔口后拆除拉杆。检修闸门及拉杆平时存放于门库内。

100MW机组电站进口事故闸门为5.9m×17.106m-40.216m平板定轮闸门。事故闸门作为永久设备共设3套。闸门动水闭门,静水启门。门顶设柱塞式充水阀。事故闸门面板及顶、底、侧止水均布置于上游侧。充水阀与闸门吊耳相连。充水时由闸门井补气。闸门平时存放于3#坝段事故闸门门库内。事故闸门由2×1250kN电站坝顶门机通过2×1250kN液压自动抓梁启闭。

20MW机组电站进口事故闸门为4.4m×7.86m-32.89m平板定轮闸门。事故闸门作为永久设备共设1套。闸门动水闭门,静水启门。门顶设柱塞式充水阀。事故闸门面板及顶、底、侧止水均布置于上游侧。充水阀于闸门吊耳相连。充水时由闸门井补气。事故闸门由2×1250kN电站坝顶门机单钩通过拉杆启闭。拉杆设摆叉式锁锭梁,闸门启闭过程中可将拉杆锁定于孔口后拆除拉杆。事故闸门及拉杆平时存放于门库内。

电站进口坝顶门机为2×1250kN双向门机,门机由主起升小车、回转吊、移动副钩、门架、大车运行机构组成。门机供电采用电缆沟内滑触线供电。门机采用集中润滑系统。门机起升及行走机构电机均采用变频电机。门机主钩容量为2×1250kN,轨上扬程22m,总扬程58m;其中主钩用于操作电站进水口、拦污栅、电站进水口检修闸门、电站进口事故闸门及排沙洞进口事故闸门,主钩配有2套液压抓梁,分别用于操作电站进水口事故、检修闸门和排沙洞进口事故闸门;门机副钩为200kN旋转吊,总扬程20m,回转吊幅度12m;用于操作坝顶各孔口混凝土盖板、底孔液压启闭机的检修等。门机轨距18m。

3.2 电站尾水闸门及启闭机

3.2.1 电站尾水闸门

100MW机组电站尾水检修闸门为6.4m×9.5m-24.15m平板滑动闸门。检修闸门作为永久设备共设6套,闸门静水启闭,3套闸门平时存放于大机组尾水闸门门库内。尾水闸门还兼做机组冷却器检修闸门,冷却器检修时,闸门边梁吊耳与拉杆相连,拉杆锁定于门槽顶部。检修闸门由2×630kN电站尾水门机通过2×630kN液压自动抓梁启闭。抓梁两端设有与拉杆相连接的吊耳。

20MW机组电站尾水闸门为8m×5.2m-14.72m平板定轮闸门。检修闸门作为永久设备共设1套。闸门静水启闭。检修闸门由2×630kN电站尾水门机通过拉杆启闭。拉杆设摆叉式锁锭梁,闸门启闭过程中可将拉杆锁定于孔口后拆除拉杆。检修闸门及拉杆平时存放于检修闸门门库内。

3.2.2 启闭机

电站尾水门机为2×630kN双向门机,门机由主起升小车、移动副钩、门架、大车运行机构组成。门机供电采用电缆沟内滑触线供电。门机起升及行走机构电机均采用变频电机。门机主钩容量为2×630kN,轨上扬程13 m,总扬程35m;其中主钩用于操作电站尾水闸门及电站坝段、副安装场排沙洞出口工作闸门、检修闸门,主钩配有1套液压抓梁,用于大机组尾水检修闸门;门机副钩为50kN电动葫芦,轨上扬程12m,总扬程32m;用于拉杆及杂物运输。门机轨距9m。

4 排沙系统金属结构设备

排沙系统由电站坝段排沙洞和副安装场排沙洞组成。电站坝段排沙洞共8条,分别位于4台100MW机组3个电站进水口中外侧2个进水口的正下方。副安装场排沙洞共1条,位于副安装场下部。电站坝段(1#排沙洞)、副安装场(2#排沙洞)排沙洞的进口均设有事故闸门,出口均设有工作闸门,在工作闸门的下游侧各设1道检修闸门,1#、2#排沙洞共用2套检修闸门,闸门平时存放于门库中。排沙系统不运行时,出口工作闸门和进口事故闸门均为关闭状态,需要运行时,先将进口事故闸门提出孔口,排沙洞内充满水后,再开启出口工作闸门,放水冲沙。1#排沙洞进口事故闸门由电站2×1250kN双向门机通过排沙洞进口事故闸门液压抓梁操作,2#排沙洞进口事故闸门由电站2×1250kN双向门机单钩通过拉杆操作。1#、2#排沙洞出口工作闸门、检修闸门均由电站尾水2×630kN双向门机单钩通过拉杆操作。

1#排沙洞进口事故闸门为5.9m×4.0m-38.52m平板定轮闸门。事故闸门作为永久设备共设8套。闸门利用水柱动水闭门,静水启门。在事故闸门门槽吊耳高度处内设冲砂管,开启闸门前,可先用高压水冲沙后启门。闸门可由锁锭梁锁定于门槽顶部。事故闸门由2×1250kN电站坝顶门机通过2×1250kN液压自动抓梁操作。2#排沙洞进口事故闸门为3.0m×3.0m-38.52m平板定轮闸门。事故闸门作为永久设备共设1套。闸门动水闭门,静水启门。事故闸门由2×1250kN电站坝顶门机单钩通过拉杆启闭。闸门启闭后可将拉杆锁定于门槽顶部。

1#、2#排沙洞出口工作闸门均为1.9m×1.9m-44.52m平板定轮闸门。1#出口工作闸门作为永久设备共设8套,2#工作闸门作为永久设备共设1套。闸门动水启闭。闸门由2×630kN电站尾水门机通过拉杆操作。拉杆设有摆叉式锁锭梁,闸门启闭后可将拉杆锁定于闸门槽顶部。

排沙洞出口门槽处水流速度较高,门槽段边界突变,将产生局部压降,形成空穴现象,导致空蚀破坏。为防止门槽下游产生负压,采用1∶10斜坡错距式门槽。底坎用钢埋件加宽衬护。

1#、2#排沙洞出口尺寸相同,共用2套检修闸门,检修闸门为1.9m×1.9m-11.72(10.72)m平板滑动闸门。闸门静水启闭。闸门由2×630kN电站尾水门机通过拉杆操作。拉杆设有摆叉式锁锭,闸门启闭后可将拉杆锁定于门槽顶部。

5 左、右岸取水口金属结构设备

5.1 左岸取水口金属结构设备

左岸取水口位于龙口水利枢纽工程左岸坝肩,共1孔。取水口沿水流方向依次设有拦污栅栅槽、检修闸门门槽、工作闸门门槽,分别设有拦污栅、检修闸门、工作闸门各1套及启闭设备100kN固定电动葫芦2台、160kN液压启闭机1台。考虑到此取水口目前还未启用,故只安装门槽及栅槽,拦污栅、闸门、启闭机均未安装,待下一步需要时再安装。拦污栅、检修闸门、工作闸门底槛高程均为886.00m,详见图4。

取水口4.3 m×2.92m-2m拦污栅为潜孔型式布置,共1套。拦污栅通过拉杆由100kN电动葫芦操作,人工清污。取水口1.8m×2.22m-12m检修闸门,由100kN电动葫芦启闭。闸门平时不使用时,可由电动葫芦提出孔口后,锁定在闸门井顶部。

取水口1.8m×2m-12m工作闸门潜孔式平板定轮钢闸门,动水启闭。闸门由160kN液压启闭机通过拉杆启闭。闸门可以根据引水控制流量要求,调节开度。

电动葫芦为现地控制,液压启闭机设开度显示仪与负荷限制器,可现地控制,也可在龙口电站中控室控制。

5.2 右岸取水口金属结构设备

右岸取水口位于龙口水利枢纽工程右岸,共2孔。取水口沿水流方向依次设有拦污栅栅槽、检修闸门门槽,分别设有2套拦污栅和1套检修闸门。拦污栅和检修闸门均通过拉杆由坝顶1600kN双向门机操作。拦污栅和检修闸门底槛高程均为880.00m。

取水口2m×2m-2m拦污栅为潜孔型式布置,共1套。拦污栅由底孔、表孔共用1600kN双向门机将拦污栅提出孔口后,人工清污。

取水口2m×2m-18.52m检修闸门,为潜孔式平板定轮钢闸门。当取水口引水洞后部的蝶阀需要检修时,检修闸门可以由坝顶1600kN双向门机操作。闸门的操作条件为静水启闭。检修闸门平时通过拉杆锁定在闸孔顶部。闸门锁定在闸门井顶部时,应保证闸门底缘不阻水。

6 结 语

龙口电站除左岸取水口外,土建工程、金属结构设备已经全部施工完毕,并投入运行,所有金属结构设备运行良好。

任何一项设计都是一个总结和提高的过程,龙口电站金属结构设计也不例外,在总结经验的基础上,探索新的做法,再结合具体要求,综合比较,使金属结构的布置更合理,使设计的闸门不仅安全可靠,而且更方便实用。