几内亚苏阿皮蒂水电站金属结构设备布置与研究

周 伟，侯庆宏，丁正忠，谢腾飞

(黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003)

1 工程概况

苏阿皮蒂水利枢纽位于几内亚孔库雷流域中游河段，电站坝址距首都科纳克里约135 km，总库容63.17亿 m3，安装4台立轴混流式水轮机，容量450 MW，规模为大(1)型，正常蓄水位210 m，设计洪水位213.11 m。枢纽布置自左至右分别为左岸挡水、发电引水、导流、泄洪、溢流和右岸挡水坝段，发电厂房位于发电引水坝段坝后。

金属结构设备主要布置在电站、泄洪底孔、导流底孔坝段，承担电站引水、泄洪和导流的水流控制任务。包括平面钢闸门(含拦污栅)29扇、弧形闸门2扇、液压启闭机6台、固定卷扬机4台、门机2台，总工程量约5 100 t。

2 电站进口金属结构布置

电站采用坝坡明管单元引水方式，机组前未安装保护阀，钢管为明管，根据规范规定，当机组或钢管要求闸门做事故保护时，电站进口应设快速闸门和检修闸门[1]，因此沿流道方向依次布置拦污栅、检修门、快速门，电站尾水设尾水检修门。电站进口金属结构布置如图1所示。

图1 电站进口金属结构布置(单位：m)

2.1 拦污栅、进口检修门及启闭设备

进水口共布置了12道拦污栅，1洞3栅，联通布置，过栅流速约0.8 m/s，在0.6～1.0 m/s范围内[2]。拦污栅槽前设清污抓斗轨道槽，平时采用回转吊配合清污抓斗清污，卡阻严重时提栅清污。拦污栅尺寸为4.2 m×12.0 m(宽×高，下同)，设计水头差为3 m。为降低门机轨上扬程，栅体分为2节，节间采用可拆卸的销轴连接。考虑到拦污栅数量较多，如其中一套拦污栅因故检修，对应机组就需要停机，发电效益下降，故设置一套拦污栅以作备用，备用栅平时存放在坝顶栅库内[3]。

进口检修门布置在拦污栅后、快速门前，平时存放于坝顶门库中，当机组或快速门进行常规检修时闭门挡水，孔口尺寸为4.5 m×7.0 m，设计水头55 m，为平面滑动钢闸门，门叶材料Q345B，顶、侧止水均布置在下游侧，面板位于上游侧。闸门操作条件为静水闭门，门顶柱塞式充水阀充水平压后静水启门，采用坝顶双向门机配合液压自动抓梁操作。

坝顶双向门机主起升容量1 600 kN，扬程65 m，轨距14.5 m。由于坝面设备较多，门机布置时考虑过设2套起升(1主1副)和1套起升方案，鉴于门机跨度较大，倾覆问题小，布置要求经济合理，最终采用1套主起升方案，主起升可向上游移至拦污栅槽中心位置，如此以来，拦污栅库、检修门库、检修门均在主起升工作范围之内，快速门及液压机检修也采用门机起吊，做到一机多用。为便于坝段两端清污及吊装栅体，门机上游两腿外侧各设一套容量为320 kN的回转吊。由于拦污栅和检修门门槽尺寸不同，设2套液压抓梁。拦污栅需检修时，先用主起升提出孔口，然后用回转吊分节吊装至检修位置，拦污栅前需清污时，采用回转吊配合清污抓斗清污。

2.2 进口快速门及启闭设备

快速门平时靠液压机悬吊在流道上方0.5 m处，当机组飞逸或压力钢管发生事故时，动水快速关闭闸门以免事故进一步扩大。快速门孔口尺寸4.5 m×6.5 m，设计水头58.56 m， 为平面定轮钢闸门。门叶材料Q345B，最大轮压接近3 000 kN， 定轮、主轨材料为35CrMo，为降低启闭容量，轴承采用进口滚动轴承。业主招标文件规定闸门需靠自重闭门，因此闸门不考虑利用水柱，将顶、侧止水均布置在上游面板侧，根据计算配置加重块动水闭门，启门时采用旁通管充水平压启门。门槽为整体式[4]，主轨、反轨、侧轨通过面板、梁肋连为一体，安装精度易于保证，同时提高门槽抗空蚀能力。侧滑块与侧轨间隙为5 mm，加上采用上游止水以及门顶液压杆阻尼作用，有效降低快速闭门过程中由振动产生的危害。考虑到闸门快速关闭时流道补气需要，在快速门后设直径1 m的补气孔，补气孔亦同时兼顾检修人孔用，在171.0 m平台设有法兰盖。

快速门采用双作用液压机启闭，一门一机布置，容量2 500 kN，扬程7.5 m，共设2套液压泵站，2台液压机共用1套泵站。在布置液压机时研究过两种方案，一种是将液压机布置在坝顶，中间采用拉杆与闸门连接，该方案优点是布置方式常规简单，但是存在坝顶不美观，检修时倒拉杆过程繁琐、费时费力等缺点，另一种是采用压盖式布置，即将液压机布置在坝内，机架与门槽间采用密封连接，液压杆直接与闸门连接，该方案具有坝面整洁、运行检修方便的特点，但也存在坝内潮湿，对电气元件不利的缺点。通过综合比较，最后采用压盖式布置方案，并将液压泵站布置于高于正常蓄水位的210.5 m平台，以防电气元件受潮，同时有利于快速闭门时向液压机无杆腔补油。门槽顶部设液压机座预埋件，按长方形法兰结构设计，与液压机架通过高强度螺栓连接，因为机架平台位于正常蓄水位以下，为保证密封效果，液压机架与机座之间设置两道密封。

2.3 电站尾水门及启闭设备

电站尾水门平时锁定在坝顶，孔口尺寸5.1 m×4.4 m，为平面滑动钢闸门，因安装期有挡水要求，设8孔8扇，底坎高程93.20 m，设计水头25.39 m。门体结构主材为Q345B，采用铜基镶嵌自润滑滑道支承，闸门面板布置在迎水面，止水布置在背水面。闸门运用方式为静水启闭，采用门顶柱塞式充水阀充水平压启门，水头差按1m设计。启闭采用尾水单向门机配合液压抓梁操作，门机容量为2×250 kN，扬程28 m，轨距5 m，布置在119.70 m尾水平台，平时停放在尾水坝段左侧检修场。

3 泄洪底孔金属结构布置

泄洪底孔共2孔，主要承担泄洪、排沙任务，进口依次设事故检修门、弧形工作门。由于泄洪底孔底坎低，流速高达35 m/s，为保证过流断面的平整度和抗空蚀能力，事故检修门和弧形工作门之间的流道采用钢衬衬砌。泄洪底孔金属结构布置如见图2所示。

图2 泄洪底孔金属结构布置(单位：m)

3.1 事故检修门及启闭设备

事故检修门平时锁定在孔口上方，工作门发生事故时动水闭门，孔口尺寸5.0 m×7.0 m，为平面定轮闸门，2孔2扇，底坎高程130.0 m，设计水头83.56 m，由于底孔流速较大，水流空化数低，采用规范推荐的抗空化能力强的Ⅱ形门槽，斜坡比1∶10，门槽采用钢板衬砌。闸门侧、顶止水布置在上游侧，均采用实心P形橡塑复合材料，为防止橡皮启闭过程发生翻卷，橡皮头外侧设防卷板，内侧压板边缘加工成圆弧状[5]。门叶材料Q345B，最大轮压接近3 200 kN， 定轮、主轨材料为35CrMo，轴承采用进口滚动轴承以降低定轮摩阻力。闸门采用门重及加重块动水闭门，通过门顶闸阀式充水阀平压启门，启门水头差5 m设计。

事故检修门采用坝顶固定卷扬机，由3号导流洞2×3 200固定卷扬机拆除后改建而来，2孔2台，容量为3 200 kN，扬程87 m，均布置在塔顶229.8 m高程启闭机房内，机房内连通，两台机关于两底孔中心呈轴对称布置，机房内设置1台容量30 kN、扬程25 m的电动葫芦，用于启闭机的日常检修及维护，配件可通过机房中间的吊物孔吊至坝顶平台。

3.2 底孔工作门及启闭设备

泄洪底孔工作闸门孔口尺寸5.0 m×6.0 m，设计水头83.56 m，弧面半径为11 m，门叶结构采用主纵梁直支臂结构，两榀支臂间设横向联结系，门叶分为左右两半，中间采用高强螺栓连接。门叶材料Q345B，支铰材料ZG310-570，铰轴材料40Cr，支铰轴承采用圆柱铰滑动轴承。闸门顶部主止水采用Ω形止水，Ω形止水上下均设压板，有效防止橡皮头翻卷，侧止水采用方头P形止水，在门楣设置弹性转铰止水防止闸门启闭过程中门楣处射水。为保证水流掺气充分，底坎采用跌坎型式，侧墙开有通气孔与跌坎补气孔相连，同时门槽向两侧各突扩500 mm。

由于该门为深孔超高水头弧门，为确保闸门在各种工况下安全可靠运行，特委托南京水利科学研究院(以下简称“南科院”)进行了泄洪底孔工作门水力学及流激振动模型试验[6]，南科院采用数学模型和物理模型相结合的方法，按照几何相似和时间相似原则制作了比尺1∶18的水力学模型和水弹性模型，对底孔水力学、水动力荷载特性以及结构流激振动特性等问题进行系统研究，主要研究结论如下：①原设计方案在局开时水翅溅击到洞顶，全开泄流时表层掺气水流冲击支铰大梁底部，后期优化时将支铰高度加高0.9 m左右，上述现象未再出现；②原方案侧墙门后突扩700 mm，下游底板及侧墙时均压力较小，负压较大，优化修改为500 mm后，负压值大为降低；③门体中部测点径向、切向及横向振动加速度均方根值最大值分别为0.74、0.51、0.73 m/ s2；下支臂测点三向振动加速度均方根值随开度增大也呈先增大后减小的变化趋势，最大值分别为0.51、0.52、0.79 m/ s2。

启闭设备选用双作用摇摆式液压启闭机，容量为3 200 kN/1 000 kN，工作行程7.5 m，液压泵站1机1套共2套，均布置在高程为147.25 m平台上，两启闭机室连通，考虑到液压泵站防潮因素，启闭机室下游墙开2.0 m×2.0 m的通气廊道。为满足液压启闭机及泵站的检修，在启闭机室顶部设置一台容量250 kN的双向桥机，轨距8 m，两底孔中间设有直通坝顶平台的检修孔用于将待检设备吊出。

4 导流底孔金属结构布置

导流底孔共4条，1、2号为高位导流底孔，3、4号为低位导流底孔，高位导流底孔不设封堵闸门，低位导流底孔进口各设置一道封堵闸门。在施工导流期间封堵闸门处于开启状态，施工导流期结束后动水闭门封堵导流洞，保证无水条件进行堵头施工。

封堵闸门孔口尺寸8.0 m×10.0 m，底坎高程113.50 m，为平面滑动钢闸门，最高挡水水头56.0 m。闸门止水布置在下游面，门叶材料Q345B，铜基镶嵌自润滑滑道支承。闸门靠自重加配重动水闭门，启门力计算时考虑在操作水头下动水启门可能。

启闭机选用固定卷扬机，容量为2×3 200 kN，扬程25 m，启闭机布置在150.50 m高程的启闭机平台上。根据施工导流要求，3号封堵门下闸水位为129.5 m，4号封堵门下闸水位为132.5m，时间差约1周左右，考虑到单个吊点容量与泄洪底孔事故门启闭机容量相同，而且泄洪底孔事故门2孔均为单吊点启闭机，因此3号导流洞启闭机按与事故门启闭机永临结合设计，待3号导流洞封堵门下闸后即刻对该启闭机进行拆除，一分为二，并重新配备满足87m扬程的钢丝绳、动滑轮组等配件用于泄洪底孔事故门永久使用，大大节约成本，4号导流洞启闭机如具备有条件可拆除回收。

5 结 语

苏阿皮蒂水电站本着安全、经济合理、运行便利的原则，对金属结构设备布置进行了优化设计与研究，主要技术特点体现在以下几个方面：

(1)3号导流洞封堵门启闭机采用永临结合设计方法，与泄洪底孔事故门启闭机共用，做到经济合理。

(2)电站快速门液压机采用压盖式设计，机架与机座间高强螺栓密封连接，操作运行方便，坝面整洁美观。

(3)泄洪底孔工作门通过设计与模型试验相结合方法，优化调整了支铰高度和侧墙突扩尺寸，使洞顶、支铰避免了水翅和掺气水流冲击，下游底板及侧墙负压减小，并且整体闸门振动加速度基本在1 m/ s2以下，设计安全合理。目前苏阿皮蒂水电站正处在施工高峰期，3、4号导流洞封堵门已下闸封堵，导流洞启闭机均业已顺利拆除，金属结构设备布置、设计研究的合理性有待实际运行检验。