大藤峡工程金属结构布置与设计

2020-01-19陆阳，陆旭

中国水利 2020年4期

关键词：拦污栅启闭机孔口

陆阳，陆旭

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，130021，长春；2.吉林省水利厅信息中心，130051，长春）

一、金属结构概况

大藤峡工程金属结构设备由泄水、发电、航运、灌溉和生态及鱼道系统组成，各种闸门161 扇，闸门埋件280 套，启闭设备67 台，金属结构设备总重7.19 万t。

二、泄水建筑物金属结构设计

1.主坝泄水建筑物金属结构布置

泄水系统设在主坝左、右岸厂房之间，自左岸厂房至右岸厂房依次布置1 个泄水高孔、20 个泄水低孔、左右岸连接纵向围堰、4 个泄水低孔、1个泄水高孔。泄水高孔设有一道露顶式弧形工作闸门，工作闸门上游设有一道平面定轮事故闸门。泄水低孔设有一道潜孔式弧形工作闸门，上游设有一道平面定轮事故闸门，下游设有一道浮箱式检修闸门。

2.主坝泄水高孔闸门及启闭机

泄水高孔工作闸门采用弧形闸门，考虑闸门孔口尺寸较大，汛期调度运行频繁，工作闸门多次开启、关闭等因素，为保证弧形闸门频繁运行条件下安全可靠，泄水高孔工作闸门上游侧设有一道平面事故闸门。泄水高孔露顶式弧形工作闸门孔口尺寸为14 m×26.5 m（宽×高，下同），闸门底槛高程35.00 m，设计水位61.00 m，动水启闭。支铰高程根据宣泄校核洪水时水流不冲击支铰的原则确定在高程48.00 m。闸门运行工况除全开、全关之外，具备局部开启的功能要求。

高孔弧形工作闸门由门叶结构、支臂结构、水封装置、侧轮装置、支铰装置组成。弧形工作闸门为三主横梁、三斜支臂结构，支臂与门叶、支臂与支铰之间均采用螺栓连接。弧形工作闸门由QHLY-2×5 000 kN液压式启闭机操作，液压启闭机工作行程12 000 mm。启闭机现地操作，也可远程监视，每台液压启闭机设1套泵站，分别设在高程64.00 m 的坝顶检修平台上。

每个泄水高孔堰顶前端设一道事故闸门，2 孔共用1 扇事故闸门。事故闸门利用坝顶2×2 500 kN 双向门机配自动抓梁操作，事故闸门平时置于主坝左右岸连接段的门库内。泄水高孔事故闸门为露顶式平面定轮闸门，孔口尺寸14 m×26 m，底槛高程35.492 m，设计水位61.00 m，采用节间充水静水开启。该事故闸门由门叶结构、主轮装置、反轮装置、侧轮装置、水封装置组成，闸门主要材料为特种钢（Q345B）。事故闸门反向采用简支轮支撑，侧向设导向轮，止水装置设在下游侧。

3.主坝泄水低孔闸门及启闭机

泄水低孔工作闸门上游设24 孔2 扇事故闸门，采用2×2 500 kN 双向门机配自动抓梁操作，工作闸门下游设24 孔2 扇浮箱闸门。泄水低孔事故闸门进行了滑动支撑和定轮滚动轴承支撑、定轮滑动轴承支撑3 种方案比选。经综合比较，事故闸门采用滚动轴承支撑型式。闸门孔口尺寸9 m×20.593 m，底槛高程22.0 m，按正常蓄水位61.00 m 设计，设计水头39 m，充水阀充水平压。该闸门门叶主体材料采用Q345B，闸门面板和止水设置在下游侧。

泄水低孔工作闸门进行了平面闸门及弧形闸门的方案比选。低孔工作闸门采用平面闸门时，工作闸门孔口净宽10 m，孔口高度为18 m，采用2×4 000 kN 固定卷扬启闭机操作。低孔工作闸门采用弧形闸门时，工作闸门孔口净宽9 m，孔口高度为18 m，采用2×6 300 kN 液压启闭机操作。

平面闸门的优点是金属结构设备工程量相对较小，闸门检修时可以完全提出孔口，维护较为方便。缺点是门槽水流流态复杂，易产生空蚀，特别是局部开启时问题更突出。根据大藤峡闸门运行调度原则，每开启1个低孔，需要2 个高孔进行相应的调节，虽然避免了低孔平面闸门局部开启的情况，但实际操作较复杂，高孔弧形闸门操作频繁，对止水系统、支铰装置带来很大的运行压力。平面闸门方案中启吊设备采用2×4 000 kN卷扬式启闭机，需要设置约30 m 高的混凝土排架，坝面布置不美观，额外增加了门机的高度。依据《水利水电工程钢闸门设计规范》第3.2.3 条的规定：泄水系统工作闸门宜选用弧形闸门。经技术综合比选后，低孔工作闸门采用弧形闸门。

泄水低孔弧形工作闸门孔口尺寸为9 m×18 m，底槛高程22 m，设计水位61.00 m，设计水头39 m，由门叶结构、支臂结构、水封装置、侧轮装置、支铰装置组成。弧形工作闸门为双主纵梁式、直支臂结构，支臂与门叶、支臂与支铰之间均采用螺栓连接，弧形闸门面板外缘半径33 000 mm。弧形闸门支撑结构采用支承钢梁支撑，钢梁采用一孔一联布置，每根钢梁总长度为15.1 m，钢梁结构材料为Q345B，其截面为实腹式箱形焊接结构，钢梁采用整体制造、运输、安装。

弧形工作闸门由QHLY-2×6 300 kN 液压式启闭机操作，工作行程13 000 mm，最大行程13 200 mm。启闭机现地操作，可远程监视。每台液压启闭机设1 套泵站，共设24 套，泵站设在高程64.00 m 的坝顶。

由于工作闸门下游水位较高，为检修工作闸门埋件，在工作闸门下游侧设24 孔2 扇浮箱式检修闸门。

三、发电系统金属结构设计

1.发电系统金属结构布置

大藤峡水利枢纽设置的河床式电站，电站厂房采用两岸分设，左岸布置3 台机组，右岸布置5 台机组，共设8 台机组，总装机容量为1 600 MW。每台机组设进水口3 孔，即8 台机共设24 个进水口，在每个进水口顺水流方向分别设置清污装置轨道、拦污栅、检修闸门和事故闸门各一道，在库区内左、右岸发电系统进水口前端还各设置一道浮式拦污栅，用于拦截库区发电坝段内的漂浮物，在厂房尾水出口处设一道检修闸门供机组检修使用。

2.进水口浮式拦污排及启闭机

为有效地保证机组出力及电站的安全运行，减轻拦污栅及清污装置的压力，在左、右岸发电系统进水口库区内分别设置1 道浮式拦污栅。上游浮式拦污栅固定在水工构造柱上，下游固定在左、右岸厂房拦污栅导向墩上。左、右岸浮式拦污栅可随库水位变幅利用固定启闭机进行调整。左岸浮式拦污栅设计长度为279.56 m，右岸浮式拦污栅设计长度为415.5 m。

3.进水口拦污栅及启闭机

发电进水口拦污栅孔口尺寸8.067 m×33.25 m，底槛高程9.57 m，按4.0 m 水头差设计，双吊点，共24 孔，拦污栅净距250 mm。拦污栅主要材料为Q235B。每节拦污栅均由框架、栅条组成，框架采用工字形主横梁、边柱焊接结构。拦污栅主梁前、后翼缘设有导水结构以减少过栅水头损失，拦污栅正、反向均采用滑道支撑，侧面设有钢滑块导向。拦污栅利用坝上2×2 500 kN 双向门机整体提栅清污。

4.进水口检修闸门及启闭机

发电进水口检修闸门孔口尺寸8.067 m×21.786 m，按正常蓄水位61.0 m 设计，设计水头54.0 m，下游止水，闸门主支撑采用滑道支撑形式，操作方式为静水启闭，节间充水平压。该检修闸门主体结构材料采用Q345B，门叶为焊接结构，门叶主横梁为焊接组合工字梁，纵隔板为实腹T 形焊接结构，面板及侧、顶止水布置在下游侧，闸门侧止水为P 形橡皮，底止水为Ⅰ形橡皮，闸门正向支撑为钢基铜塑复合材料滑道支撑。该检修闸门采用坝顶2×2 500 kN 双向门机配液压自动挂脱梁操作。

5.进水口事故闸门及启闭机

根据水工专业结构要求，事故闸门采用下游止水。闸门经综合比较，采用滚动轴承滚轮支承型式较经济合理，不需要另加配重，启闭机容量小，工程布置结构紧凑。

发电进水口事故闸门孔口尺寸8.067 m×17.096 m，按正常蓄水位61.00 m 设计，操作方式为动水闭门，静水启门。采用充水阀充水平压方式，启门时允许水头差不大于5 m。该闸门门叶主体材料采用Q345B，主横梁为焊接组合工字梁，纵隔板为实腹T 形焊接结构。闸门采用坝顶2×2 500 kN 双向门机配液压自动挂脱梁操作。

6.厂房尾水检修闸门及启闭机

厂房尾水检修闸门孔口尺寸8.26 m×10.76 m，按下游设计洪水位44.17 m 设计，设计水头52 m ，利用机组旁通管充水平压，止水布置在厂房侧。闸门主支撑采用滑道支撑形式，操作方式为整扇闸门静水启闭，启门时允许水头差不大于1 m。闸门主体结构材料为Q345B。该闸门门叶为焊接结构，门叶主横梁为焊接组合工字梁，纵隔板为实腹T 形焊接结构，面板及侧、顶止水布置在厂房侧，闸门正向支撑为钢基铜塑复合材料滑道支撑。左、右岸厂房尾水检修闸门分别采用1 台2×800 kN单向门式启闭机配液压自动抓梁进行操作。

四、通航建筑物金属结构设计

1.船闸系统金属结构布置

大藤峡单级船闸布置在主坝左岸，大藤峡黔江船闸级别为Ⅰ级。在闸室系统的上、下闸首均设有人字工作闸门，在上闸首人字闸门上游侧设置了一道平面事故闸门。下闸首人字闸门下游侧设有一道浮箱式检修闸门，用于闸室及人字闸门检修。闸室两侧各设一条充泄水廊道，沿水流方向右侧闸墙靠近下闸首处设有一条辅助泄水廊道。

2.上闸首闸门及启闭机

上闸首设一道平面事故闸门，主要防止船舶驶入闸室时，防止因操作不慎，撞开上、下闸首人字闸门，造成闸室水体突然下泄的意外情况。事故闸门孔口宽度34.00 m，底槛高程为38.20 m，按正常蓄水位61.00 m 进行设计，设计水头22.8 m，闸门高23.3 m。上游止水，采用滑道支承型式，操作方式为动水闭门，静水启门，采用2×2 500 kN 桥式启闭机操作。

上闸首的事故闸门下游侧设有一道人字工作闸门，闸室净宽34 m，挡水水头22.8 m，人字闸门单扇宽度20.2 m，最大挡水高度及淹没水深均为22.8 m，门高24.45 m。

上闸首人字闸门采用变截面主横梁结构，面板布置在上游侧，下游面设有两层预应力背拉杆，人字闸门两侧的竖向门缝止水采用刚性止水，门轴柱和斜接柱分别设有连续式不锈钢支撑和垫块，用以传递水压力并进行竖向门缝止水，底槛止水采用P形橡胶水平止水，以防止闸门关闭时杂物损坏橡皮止水。

3.下闸首闸门及启闭机

船闸下闸首设有一道人字工作闸门，最大挡水高度46.05 m，人字闸门最大封闭面积达1 566 m2。根据《船闸闸阀门设计规范》相关规定，属于特大型闸门。

下闸首人字闸门采用变截面主横梁结构，面板布置在上游侧，人字闸门两侧的竖向门缝止水采用刚性止水，门轴柱和斜接柱分别设有连续式不锈钢支撑和垫块，用以传递水压力并进行竖向门缝止水，底槛止水采用P 形水平橡胶止水。人字闸门主梁间距1.0～2.4 m，自顶向下共布置30 根主梁。顶部2 根主横梁间距缩小并连成整体，以改善启闭机拉门点的受力状态，增强闸门抗扭刚度以及防撞荷载的传递。门叶下部主横梁原则上按等水压布置。根据主梁水压力变化情况，30 根主梁共分3 组截面设计，主横梁按压弯构件进行计算。为了控制疲劳和脆性断裂，适当加大门体下部数根主梁的截面，降低应力水平，部分采用Q345GJDZ25 钢材，结构采用圆弧过渡，顶枢A、B 杆采用具有良好冲击韧性的材料。人字闸门门扇下游背面设有三层预应力背拉杆装置，用于提高门体抗扭刚度，减小闸门运行时门扇发生过大的翘曲变形。

人字闸门底枢均采用固定式，由顶盖、球形轴头和底座3 部分组成。底枢蘑菇头不承受水平荷载，顶盖与门叶底主梁腹板采用绞制孔精制螺栓连接，并用剪力板顶紧。

下闸首人字闸门3 200 kN 启闭机型式为中部支撑卧缸直推式。油缸安装在由滚动轴承支撑的双向摆机架上，可适应启闭门时油缸摆动和安装偏差。活塞杆前端与人字门拉门点采用球面滑动轴承铰接。

为保证船闸闸室检修，需在下闸首设一道检修闸门，经方案比选，考虑到闸门使用频率不高，最终选择浮箱式检修闸门方案。

4.输水系统进水口拦污栅

为防止污物进入输水主廊道和闸室影响船闸正常运行，在每条主廊道上游进水孔前缘各布置8 孔拦污栅，共16 扇。由于该部位高程较低，采用临时移动设备启吊提栅清污。拦污栅孔口尺寸5 m×7 m，底槛高程28.0 m，按5 m 水头差设计。

拦污栅主要材料为Q235B，栅体节间采用销轴配合连接板活动连接，在工地组装。每节拦污栅均由框架、栅条组成，框架采用工字形主横梁、边柱焊接结构。拦污栅正、反向均采用滑道支撑，侧面设有钢滑块导向。

5.输水系统检修闸门

在反向弧形阀门的上、下游侧各布置一道平面检修门，供阀门维护检修使用。上、下游检修门孔口尺寸均为5 m×7 m，共8 孔8 扇。检修闸门均用临时移动式启闭机通过多节吊杆启闭，操作条件为静水启闭。

船闸输水系统检修闸门均为平面滑动闸门，门体结构主材采用Q345B，面板设在背水面。检修闸门正向支承为复合材料滑道，反向导承为弹簧钢片，侧向设有钢滑块导向。门顶设充水平压阀，管口直径300 mm，通过吊杆连接操作。

6.输水系统工作阀门及启闭机

在闸室两侧主输水廊道设置反向弧形阀门。阀门孔口尺寸均为5×5.5 m，工作水头40.25 m。正常情况下该阀门静水闭门，在事故工况或控制闸室超灌超泄时动水闭门。

船闸输水系统阀门，底槛高程-7.25 m，弧门半径8.2 m。反向弧形阀门均采用横梁全包式门型。门体由上游导水护板、下游面板、次梁、竖梁、主横梁、支臂、支铰梁、悬臂铰轴、轴承及支座等组成，门叶、支臂支铰梁及各部位包护导水板连成整体焊接结构，形成闭合框架，以保证门体在运行过程的刚度和强度。门体结构主要材质采用Q345D，下游面板采用不锈钢复合钢板，以提高抗气蚀破坏的能力，延长使用寿命，保证运行安全。

阀门顶止水采用半圆平板橡皮，在阀门全关闭位置时压紧在门楣止水座板上。阀门两侧止水采用Ω形圆头止水橡皮。在孔口以上设活动止水轨板，当阀门检修时可拆卸，用于检修或拆换侧止水。反向阀门两侧壁、底槛、门楣及下游顶板部分采用钢衬砌，衬护结构的面板采用不锈钢复合钢板。

每扇输水阀门各由1 台2 500 kN/100 kN 液压启闭机操作，启闭机通过吊杆与阀门相连，工作行程6.1m。顶节吊杆连接活塞杆，最下节摆动吊杆与阀门相连。阀门启闭机主要由油缸总成、机架及埋件、吊杆组、导轮、导轮滑槽、导向卡箍、滑槽及卡箍埋件，行程开度检测装置、管道系统及埋件组成。

7.辅助输水系统闸门及启闭机

为满足闸室向下游航道排泄部分水体的要求，在下闸首左侧设一条辅助泄水廊道。辅助泄水短廊道孔口尺寸为3.0 m×3.1 m，采用平面定轮工作阀门，底槛高程为8.35 m，工作阀门挡水水头41 m，启门水头6 m，用500 kN 竖缸式液压启闭机操作。在平面定轮工作阀门上游侧布置一道检修门，供工作阀门检修时使用，采用临时启闭设备通过吊杆操作该闸门。

五、鱼道系统金属结构设计

1.鱼道系统金属结构布置

黔江鱼道布置在主坝右岸，分别由非主汛期鱼道和主汛期鱼道组成。非主汛期鱼道设置在主坝#6 坝段。非主汛期鱼道与主坝连接处设有过坝口。非主汛期鱼道在坝后下游伸展迂回，在坝下与主汛期鱼道汇合后由主汛期鱼道直通鱼道进口。黔江鱼道除#2 过坝口外，每个进鱼口和出鱼口及连接口各设有一道工作闸门，#2 过坝口设有一道事故闸门及一道工作闸门。各类闸门根据不同运行水位进行调度，均采用固定卷扬启闭机操作。

南木江鱼道布置在南木江副坝左岸。依据大藤峡水库运行条件及过鱼要求，在库内设3 个出鱼口，鱼道在坝下游伸展迂回后与南木江仿自然过鱼通道相接，设置1 个进鱼口。

2.主坝鱼道系统闸门和启闭机

主坝鱼道过坝口和连接口工作闸门都采用悬臂定轮支撑，焊接结构。门叶主横梁为焊接组合工字形梁，纵向隔板采用实腹T 形焊接结构，面板及顶、侧止水布置在有压侧，闸门正向支撑采用定轮支撑，主轮轴承采用铜合金镶嵌自润滑轴承。

各部位工作闸门平时处于关闭状态，根据水位需要行鱼时，先开启#1 过坝口和连接口的工作闸门，再操作相应水位条件下的工作闸门过鱼。鱼道各部位工作闸门均为动水启闭，利用固定卷扬启闭机分别操作。

为保证鱼道运行安全，考虑到该过坝口位置的重要性，#2 过坝口上游侧设有一道事故闸门，事故闸门下游侧设一道工作闸门。事故闸门作为#2过坝口不过鱼时挡水使用外，还可在该鱼道出现紧急情况时起到事故备用的作用。

3.南木江副坝鱼道系统闸门和启闭机

南木江鱼道由1 个进鱼口、3 个出鱼口及1 个过坝口组成。过坝口设有一扇工作闸门，进鱼口和每个出鱼口各设有一道工作闸门。出鱼口及进鱼口工作闸门都采用有压侧止水，悬臂定轮支撑，焊接结构。闸门正向支撑采用悬臂定轮支撑，主轮轴承采用铜合金镶嵌自润滑轴承。鱼道各部位工作闸门均为动水启闭，利用固定卷扬启闭机操作。