巴基斯坦塔贝拉水电站四期扩建工程金属结构布置与设计

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，成都，610072)

1 工程概况

塔贝拉水电站位于巴基斯坦印度河干流上，具有灌溉、发电、防洪等效益，是巴基斯坦最大的水电站。经过对1至3号隧洞的三期扩建，目前电站总装机3478MW。塔贝拉坝系斜心墙土石坝，最大坝高143m，主坝长2743m。是世界上已建填筑量最大的土石坝。河流控制流域面积17万km2，总库容137亿m3。

四期扩建工程将4号灌溉隧洞改为引水发电隧洞。因塔贝拉水库泥沙含量重，原4号隧洞进口易被泥沙淤积，故在原4号隧洞进口下游侧、压力钢管上游侧，新建4#取水塔，塔下通过新建直径φ13.72m的竖井与4号隧洞连通，形成第二取水通道，原进口未被泥沙淤积完前两通道可同时取水。竖井后设直径为φ13m的压力钢管，压力钢管分为五岔管，其中三根φ7.5m岔管连接3台单机容量为470MW的混流式机组，扩容1410MW，使电站装机容量增大到4888MW，另两根φ8m岔管为低位泄水管，紧急情况放空水库用。

本电站金属结构包括4#取水塔检修门、拦污栅及启闭机；4#取水竖井堵头；引水隧洞的第二道封堵闸门；低位泄水孔出口事故闸门、工作闸门及启闭机(机组尾水闸门属另一标段，在此不做介绍)。金属结构设计按DIN标准执行。

2 取水系统金属结构布置及设计

2.1 4#取水塔检修闸门与启闭机

在新建的4#竖井顶部建圆形取水塔，塔顶为混凝土盖板，绕塔一周共设10孔门槽。施工期间及运行维护时利用布置在塔体的检修闸门挡水；运行期间，提出检修闸门，用布置在塔体的拦污栅拦污。检修闸门与拦污栅门槽共用。

检修闸门为平面滑动叠梁闸门，孔口尺寸为8.3m×20.5m-57m(宽×高-设计水头，下同)。下游止水，滑道支承，分6节制造，每节单独起吊，并具有互换性。因尺寸限制，门槽无反轨，设计时利用侧导向使闸门入槽并阻止闸门过量倾斜。侧导向装置由两部分构成，一是由设在门槽侧轨上厚度为40mm的导向板；二是由设在闸门门叶上的导向槽。为方便现场安装，同时又方便闸门顺利入槽，导向槽由两块角钢背对焊接在钢板上，导向槽宽度70mm，其下方设计成喇叭口。

检修闸门的操作方式为静水启闭。启门时先提起充水阀进行充水，待闸门前后平压后依次提出各节门叶。考虑制造和现场操作，10扇闸门中仅2扇闸门设有充水阀。根据库水位变化情况，设充水阀闸门的每节门叶均设有充水阀，以确保不同水位下对闸门的可靠操作。由于常规充水阀体型大，本闸门使用了一种新型弹簧平盖式充水阀装置，具有结构简单、封水可靠、阀体体型小的特点。根据已运行工程看，运行效果良好。

运行后，取水塔被库水淹没，因此采用容量为500kN的船舶起吊(该设备为专门定制)，并通过容量为2×250kN机械抓梁操作。为保证闸门及拦污栅从船舶起吊后能顺利进入水下门槽，须设置从水面至门槽顶部的专门导向机构。

2.2 4#取水塔拦污栅与启闭机

拦污栅共10扇，栅槽与检修闸门门槽共用。拦污栅采用滑动式布置，设侧导向(型式与检修门侧导向一致)，栅条净距为400mm，按5.5m水压差设计。拦污栅为静水启闭，起吊设备与检修闸门共用，不设清污设备。

拦污栅的结构形式与水头损失密切相关，直接影响水电站的经济效益，本拦污栅栅条断面端部采用圆形；取水塔每孔门槽从下到上设有4道连系梁，每道连系梁高度1m，梁间净距为3.3m。考虑制造、运输、安装，并结合塔体设计特点，拦污栅共分5节，上4节栅叶高度3.74m，底节栅叶高度3.52m，栅条焊接于栅叶上。下节栅叶通过支承座支承上节栅叶，支承座高度为0.56m，通过螺栓现场连接于上节栅叶底部。支承座位于取水塔的连系梁处，避免水头损失。支承座的设计既解决了拦污栅的运输问题，又节省了材料，同时方便现场安装。

2.3 4#取水竖井堵头

取水竖井直径φ13.72m，竖井混凝土衬砌壁厚1m。由于本堵头设计工况为双向水压，不同于普通的闸门，设计时从安全、运输、安装等角度全面考虑。

根据工期安排，新建4#取水竖井顶部须设堵头，将竖井封堵，相当于盖板盖住竖井。该堵头工况分两种：①当隧洞内施工时，堵头挡上方的水压，按最高库水位设计，设计水头为63.44m；②当竖井上方的取水塔施工时，机组已发电，竖井内充满水，此时堵头需要挡下方的水压。堵头下方设计水位与施工围堰高程一致，如水位超过围堰，则堵头上方为库水位，此时堵头上下方水位差为0。堵头下方设计水头47m，同时考虑机组水锤压力10m。

因堵头直径大，设计水头高，故堵头受力大，同时现场安装门机的最大起吊容量为400kN，因此，堵头中间部位按0.8m分段，单节门叶设双主梁，主梁为焊接T型结构，主梁腹板同时兼做节间水封座板。门叶上设一孔排气管，其出口高程高于围堰高程。

堵头段间采用条形橡胶水封、螺栓连接，为保证水封能压缩，条形水封中间开槽，成“Ⅰ”字型；安装时预压缩4mm，堵头与埋件一周采用条形橡胶水封连接；安装时预压缩5mm，水封设在埋件上；节间水封端部与圆周水封设一橡胶块现场粘结。

为方便安装与拆除，堵头与埋件采用高强度螺栓连接。中间段门叶每端设4排螺栓，每排布置3颗，即一节门叶共24颗螺栓。堵头受力时结构变形，靠近门叶中心的一排螺栓先受力，然后逐渐远离中心的螺栓受力。螺栓计算假定：根据实际情况，螺栓不能按均布受力计算，也不能按一排螺栓受力计算。为保证螺栓安全，先假定仅靠近门叶中心的第一排螺栓受力，此种假定计算结果螺栓应力小于螺栓屈服强度，再假定靠近门叶中心的第二排螺栓参与受力，此种假定计算结果螺栓应力小于螺栓允许强度，根据计算结果，螺栓采用8.8级M64。

堵头埋件沿竖井顶部设一周，埋件座板用100mm厚板，下方焊接锚杆。埋件既要承受堵头向下的压力，又能承受堵头向上的拉力。当埋件承受向下的压力时，埋件下方混凝土与锚杆参与受力，当埋件承受向上的拉力时，混凝土不参与受拉计算，仅靠下方的锚杆受力，锚杆从圆中心向外布置4排，锚杆计算假定与堵头和埋件的连接螺栓计算类似，直径φ60mm，长度3m，材料Q345B，末端带弯钩。

当埋件受向上水压时，埋件座板与混凝土会脱落，产生缝隙造成漏水，因此，在埋件靠竖井边缘设一周腻子型遇水膨胀止水条。

本堵头已安装并经过向上和向下水压两种工况的使用，止水效果良好，结构安全。

2.4 引水隧洞第二道封堵闸门设计

在4#隧洞进口下游、新建竖井上游侧的隧洞内设第二道封堵闸门，其作用是当原4#隧洞进口闸门止水失去作用时，对隧洞挡水，以便对下游竖井、压力钢管、机组等部位的施工。

隧洞直径φ13.7m，堵头外形尺寸与洞径一致，设计水头122m。由于该封堵闸门位于隧洞内，不同于普通隧洞的闸门可以做门槽，该封堵闸门无门槽。设计该闸门须解决封水及支承问题。

考虑现场运输及现场安装，门叶分5段，每段设4根焊接T型主梁，段间采用开槽“工”字型条形橡胶水封、螺栓连接，安装时预压缩4mm；为使闸门有效止水，在隧洞周壁设“L”型止水埋件，止水埋件通过锚杆固定在洞壁上。

支承结构采用“П”型，支承梁及支承腿为焊接“工”字型，通过锚杆连接在支承腿靠洞壁一侧的翼缘板支承。腿长18.575m，分三节，现场通过螺栓连接。锚杆由土建工程师设计。门叶与支承之间采用螺栓固定。

由于4#隧洞原进口闸门止水效果良好，同时第二道封堵闸门的安装与拆除困难，最后经协调该闸门不安装。

3 泄水系统金属结构布置及设计

低位泄水孔共两根泄水钢管，钢管的末端通过渐变段由圆变方，在每根钢管出口设一扇事故闸门，事故闸门后设工作闸门。

3.1 事故闸门与启闭机设计

事故闸门为平面闸门，孔口尺寸为6m×7.6m，最大挡水水头135.978m，最大操作水头122.258m。下游止水，面板设置在上游。由于操作水头较高，闸门须靠门顶水柱动水闭门，门叶底缘符合《水电工程闸门设计规范》中图D.0.2关于底缘型式的要求。根据招标文件要求，闸门由定轮支承，轴套选用自润滑球面滑动轴承。闸门分3节制造，顶节门叶布置充水阀，节间在工地现场通过螺栓连接，设节间水封。

事故闸门在正常工况下为静水闭门，特殊工况下能动水闭门，启门时先提起门顶充水阀进行充水，待闸门前后平压后提起闸门。闸门利用液压启闭机操作，容量为2000kN(启)/8600kN(持)。闸门平时由液压启闭机悬吊在孔口上方1m处。

事故门槽顶部高程由门叶、液压启闭机及闸门存放位置确定，闸室总高度20m，采用全钢衬，主轨采用铸钢轨道，顶部采用钢盖板，盖板既能承受门槽内向上的水压力，又能承受液压启闭机运行时作用于盖板向下的压力。盖板与门槽采用螺栓连接，设两道“O”型止水。盖板中间设液压启闭机基座，两侧分别设一直径φ0.73m进人口和一直径φ0.25m通气孔，通气孔上方设补排气双向阀门。根据计算、模型试验及国外工程师要求，在事故门槽下游侧设4根直径φ0.5m通气孔，通气孔上方设补排气双向阀门。

事故闸门已安装并投入使用，效果良好。

3.2 工作闸门与启闭机设计

招标文件中工作闸门为弧形闸门，孔口尺寸为6m×7.5m，采用常规止水，门槽两侧突扩。该闸门最大挡水水头135.94m，最大操作水头122.36m，并能局部开启控制下泄流量。根据国内外类似工程设计经验，高水头弧形闸门一般采用偏心铰弧形闸门或充压伸缩式水封闸门。针对本工程运行工况，采用偏心铰弧形闸门，因此须对标书中的弧门型式进行修改。为此，设计人员做了大量准备工作，并前往小浪底、水布垭进行偏心铰弧门调研，将各种高水头弧形闸门优缺点列出跟国外工程师沟通，最终一致同意采用偏心铰弧形闸门方案。

弧门方案确定后，须确定闸门孔口尺寸。在保证下泄流量的前提下，试验单位南京水利科学研究院通过模型试验及数值计算，对弧门提出优化结果：门槽顶部采用压坡、门槽两侧收缩、门槽底槛末端挑起、门槽两侧及底部突扩，门后两侧设通气孔，并确定弧门孔口尺寸为6m×6.3m。

门叶结构采用双主横梁直支臂结构，分3节，节间现场焊接，门叶结构与支臂现场螺栓连接。门叶每侧设4套侧轮，每侧设两套液压防振设备，开启闸门时，由布置在闸顶两侧的液压杆锁定闸门。

支铰轴为偏心轴，偏心距为50mm，操作时旋转角度60°。支铰与偏心轴连接的轴承直径为φ1.0m，采用球面滑动轴承；支铰座与偏心轴连接的轴承直径为φ0.85m，采用调心滚子轴承。拐臂长度3m，与偏心轴采用销键连接型式。

闸门采用液压启闭机操作，主机(与门叶连接)容量为4000kN，副机(与拐臂连接)容量为4000kN(拉)/500kN(压)，副机下压力是考虑安装时闸门不能自动后退到位。

4 结语

本电站金属结构的设计难度很大，闸门型式新颖，各闸门的尺寸、设计水头、操作水头等较大，有的闸门(如竖井堵头、隧洞第二道封堵门)为首次设计，同时地处巴基斯坦，须考虑制造、运输、现场安装等条件综合考虑。目前，已安装并投入使用的竖井堵头，低位泄水孔出口事故闸门运行良好。