夹岩水利枢纽工程坝后电站取水口金属结构设计方案比选

杨松 谢涛 黄鹏飞

摘要：贵州省夹岩水利枢纽工程水库取水范围较大，为了满足引水质量的要求，实施分层取水。结合工程实际对设置多层取水口和叠梁门的两种分层取水方式进行了比选，最终确定采用布置多层取水口的方案。介绍了坝后电站取水口金属结构设备的布置、选型及设计思路。经论证，该工程金属结构布置紧凑、结构合理、工程量经济、设备运行维护良好，可供同类工程设计参考。

关键词：金属结构设计;多层取水口;叠梁闸门;夹岩水利枢纽工程;贵州省

中图法分类号：TV34文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.09.011

Abstract： The water intake of the power station of Jiayan Hydro-complex Project covers a large range. To meet the water quality requirement， layered water intake was schemed. Two water intaking schemes of multi-layer water intaking and stoplog gate were compared by considering the construction conditions. The multi-layer water intaking scheme was adopted. The layout， type selection and design ideas of the metal structure of the water intake of the hydropower station behind the dam are introduced. The demonstration showed that the metal structure of the project is compact in layout， reasonable in structure， economic in engineering quantity and easy in equipment operation and maintenance. The design can be used as reference for similar projects.

Key words： metal structure design; layered water intake; stoplog gate; Jiayan Hydro-complex Project; Guizhou Province

1 工程概況

贵州省夹岩水利枢纽及黔西北供水工程（以下简称“夹岩工程”）以供水和灌溉为主，兼顾发电，并为区域生态环境的改善创造条件。工程设计灌溉面积约为6万hm2（90.03万亩），总供水人口267万人，年平均发电量2.2亿kW·h。夹岩工程大坝坝顶高程1 329.20 m，校核洪水位1 326.01 m，设计洪水位1 324.07 m，正常蓄水位1 323 m，死水位1 305 m，电站装有3台机组，总装机容量90 MW。水库总库容13.25亿m3，挡水大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高154.00 m，大坝建成后，年均供水量6.93亿m3，为Ⅰ等大⑴型工程。枢纽工程主要由水源工程、毕大供水工程和灌区骨干输水工程3个部分组成。水源坝址位于乌江流域六冲河中游（七星关区与纳雍县界河）河段上。水源工程主要建筑物包括大坝、溢洪道、泄洪兼放空隧洞、低位放空洞、发电引水隧洞、坝后电站等。本文主要研究坝后电站取水口金属结构设备的选型、布置及设计思路和方法。

随着社会经济的发展，城市工业、生态、灌溉及生活用水对原水的质量要求越来越高，希望从水库源头中取到优质水，作为大体积水体，库水的水温、溶解氧、三氮、总大肠菌群及铁锰含量等主要水质指标随着水位的变化呈规律分布。夹岩工程水库取水范围较大，为了满足引水的质量要求，实施分层取水[1-2]。夹岩工程坝后电站取水口采用设置多层取水口的布置方式。

2 金属结构设计方案

2.1 分层取水方案的比选

取水方案的合理性取决于合理的取水方式，结合国内外众多工程实际来看，目前较成熟及应用较多的分层取水方案有设置多层取水口方案和采用叠梁门方案。

根据夹岩工程的功能需要，坝后电站取水口需要取20 m以内的表层水体，工程取水口井筒高度为37.20 m，挡水高度34.01 m。若采用叠梁门取水方案，根据整体布置要求，孔口宽度为6.8 m，考虑闸门的结构，布置单节闸门高度初定为6.0 m，共6节，单节闸门门体估重50 t，共300 t;埋件估重30 t，共计330 t。此方案可恒定取6 m以内的表层水体，满足取水要求。若采用设置多层取水口方案，考虑设置2层即可，孔口宽度为6.8 m，单层闸门高度初定为6.0 m，下层闸门估重50 t，拉杆估重15 t，埋件估重30 t;上层闸门估重40 t，拉杆估重6 t，埋件估重20 t;共计161 t，满足取水要求。通过对比，两种分层取水方案均能满足夹岩工程取水要求，但采用布置多层取水口方案，更节省金属结构的工程量。

2.2 分层取水方案的具体布置

根据方案对比，夹岩工程坝后电站取水口采用多层取水口的分层取水布置方式，考虑库水位的变幅及取水范围要求，于不同高程上下布置2层取水口，每层取水口均设置一道隔水闸门，根据水库水位变化及取水深度要求，开启或关闭相应高程的闸门，达到取得表层水体的目的[3]。为防止污物进入取水隧洞，在隔水闸门前设置拦污栅，减小过栅流速，设两孔并排拦污栅。一般运行情况下，每层隔水闸门均由1套液压启闭机启闭，坝顶设置1台门机，当隔水闸门需要吊出检修时，由门机吊至坝顶，同时，门机也作为两孔拦污栅的启闭设备。

夹岩工程坝后电站取水口进口处金属结构设备共设置有闸门2扇，门槽埋件2孔，拦污栅2扇，栅槽埋件2孔，液压启闭机2套，门机1台（配备清污机），具体布置如图1所示。

2.2.1 坝后电站取水口进口拦污栅

夹岩工程在坝后电站取水口进口处设置有2套拦污栅，并排布置，拦污栅孔口尺寸均为5.4m×37m（宽×高），设计水位差均为4 m，运行方式为静水启闭，拦污栅的底槛高程均为1 292.00 m，取水塔顶高程为1 329.00 m（坝顶高程）。为方便提栅维护检修，采用露顶平面直立活动式拦污栅，检修平台均设置在坝顶高程上。

坝后电站取水口进口拦污栅栅体主材及栅槽埋件主材均为Q345B碳素结构钢。由于拦污栅孔口高度较高，栅体共分12节，节间使用连接板连接，单节拦污栅栅体重8 t，单孔共12节，2孔拦污栅栅体合计重192 t，单孔拦污栅埋件重22.5 t，2孔埋件合计重45 t。

坝后电站取水口进口2孔拦污栅共用1台型号规格为QPM 2×800kN-11/17m的双向门式移动启闭机，双吊点，吊点间距5.6 m，启栅容量为2×800 kN，扬程共17 m，轨上扬高11 m。拦污栅的清污方式设置为机械清污，2套拦污栅共用1套型号规格为GD50kN-54m的液压悬挂式清污机抓斗进行清污，清污机抓斗1次清污容量为50 kN，清污机设置在门机上。

为确保拦污栅安全运行，2孔拦污栅前后设置有1套水位差计（每套水位差计包含2套水位仪、1套带防雷及报警装置的显示器、电缆长度分别约60 m），水位差信号需接入启闭机控制系统，以监测拦污栅拦截污物情况，当水位差大于2 m时应及时清污并报警。

2.2.2 坝后电站取水口进口隔水闸门

夹岩工程在坝后电站取水口进口拦污栅的下游处设置有上、下2层取水口，在每层取水口进口处均设置有1扇隔水闸门，设置有上、下2层隔水闸门。

上层隔水闸门的底槛高程为1 303.00 m，孔口尺寸为6.8 m×6.8 m（宽×高），设计水头为24 m。上层隔水闸门为潜孔式平面定轮钢闸门，主支承为简支轮。采用上游止水，设置了刀型底止水和顶、侧P型止水。门体和埋件主材均选用Q345B碳素结构钢，门体重42.6 t（含吊杆），主轨、反轨、底槛和门楣埋件共重22.5 t。闸门利用自重加水柱闭门，动闭静启。为确保闸门的安全运行与操作，上层隔水闸门设置1套水位差计，水位差信号需接入启闭机控制系统，便于监控闸门的充水平压，当水位差大于 3 m时不能进行启门操作。

下层隔水闸门的底槛高程为1 292.00 mm，孔口尺寸为6.8 m×6.8 m（宽×高），设计水头为35 m。下层隔水闸门为潜孔式平面定轮钢闸门，主支承为简支轮。采用上游止水，共设置了刀型底止水和顶、侧P型止水。门体和埋件主材均选用Q345B碳素结构钢，门体重54.5 t（含吊杆），主轨、反轨、底槛和门楣埋件共重31.5 t。闸门利用自重加水柱闭门，动闭静启。为确保闸门的安全运行与操作，下层隔水闸门设置有1套水位差计，水位差信号需接入启闭机控制系统，便于监控闸门的充水平压，当水位差大于3 m时不能进行启门操作。

上、下層隔水闸门的运行方式均为动闭静启，在各层闸门开启前，闸门上、下游的水位差应小于3 m。当上层隔水闸门的水位差大于3 m时，利用下层隔水闸门充水阀进行充水平压;当下层隔水闸门水位差大于3 m时，应先打开下层隔水闸门充水阀进行充水平压，待闸门上、下游水位差不大于3 m时，才能开启闸门。为满足取表层温水的取水需要，在水库取水时段，当水库库水位在1 315.00 m以上时，打开上层隔水闸门取水，此时下层隔水闸门处于关闭挡水状态;当水库库水位在1 315.00～1 305.00 m时，打开下层隔水闸门取水，下层隔水闸门开启取水水位宜在1 315.00 m以下;当库水位上升时，按以上分层取水水位依次关闭各层闸门，当下游不需要取水、需要维护检修或出现事故时，动水关闭所有的隔水闸门作为事故闸门挡水使用。

2扇隔水闸门的启闭运行各采用1套型号规格为QPPYⅡ2×1000kN-7.5m的液压启闭机控制，启闭机油缸安装高程为坝顶高程1 329.00 m。2孔拦污栅的启闭和2扇隔水闸门的提闸检修共用1台型号规格为QPM 2×800kN-11/17m的双向门式移动启闭机控制，双吊点，起吊拦污栅时吊点间距为5.6 m，起吊闸门时加平衡梁将吊点间距变为7.38 m起吊闸门，门机容量为2×800 kN，扬程共17 m，轨上扬高11 m，门机设置在坝顶高程上，轨道安装高程为1 329.00 m。

3 结 论

通过对夹岩工程坝后电站取水口工程实际进行分析，选定了设置多层取水口的分层取水方案，并按照此方案进行了具体布置，得到以下经验。

（1）分层取水可实现取水库一定高度的表层水体，维持取水隧道内及下游河道中的水温，若未设置分层取水设施，取水管内水质将直接影响供水质量，经处理后仍可能不达标。水库蓄水初期，淹没的植物腐烂释放出的有机物质将对水库水质产生一定影响，虽然库底清理可解决上述问题，但考虑到库底清理难度较大，通过对金属结构分层取水的合理布置和优化选型设计，可提高水库供水水质保证率。

（2）分层取水方案的选择应结合工程实际，在满足取水要求的基础上，尽可能节省工程量。若对取表层水体的要求不高，一次取水的高度范围较大，可考虑采用设置多层取水口的取水方式;若对取表层水体的要求较高，一次取水的高度范围较小，若设置多层取水口显然布置上会很密集，此时考虑采用叠梁门的布置方式更为合理。

（3）拦污栅及闸门共用门机起吊，简化了坝顶土建结构，坝面简洁美观，设备利用率高，节约了土建及金属结构工程量。

参考文献：

[1] 高学平， 赵耀南， 陈弘.  水库分层取水水温模型试验的相似理论[J].  水利学报，2009，40（11）：96-102.

[2] 陈弘.  糯扎渡水电站分层取水下泄水温模型试验研究[D].  天津：天津大学， 2013.

[3] 马会全.  丰满工程进水口分层取水金属结构设计[J].  东北水利水电， 2015， 33（11）： 3-5.

（编辑：李 慧）