角木塘水电站工程溢洪道平门改弧门变更方案设计简述

陶光慧，杨 松，覃志强

（贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司,贵州 贵阳 550002）

1 工程概况及金属设备概况

角木塘水电站是芙蓉江第10 级梯级电站,位于贵州省道真县,电站距遵义市及重庆市均为200 km左右,电站总库容3259 万m3,工程等别由水库库容及装机容量决定,工程规模中型,工程等别Ⅲ等。

大坝枢纽主要由碾压混凝土重力坝（坝身溢流表孔）、引水发电建筑物、发电厂房和升压站等组成,主要溢泄建设物为坝身溢流表孔,总溢流宽度62.5 m,共分成5 孔,单孔最大下泄流量为2640 m3/s。需根据来水量调节闸门开启的数量及开度,确定泄洪安全及电站发电效益最大化。枢纽区相应的水工建筑物设置各种功能需要的金属结构设备,泄水系统[1]：溢洪道工作闸门、检修闸门；导流洞封堵闸门。引水发电系统：取水口进口拦污栅、检修闸门及快速闸门；厂房尾水闸门。总计活动件重2100 t,埋设件重800 t。

2 具体的方案变更内容

2.1 原设计表孔闸门的布置方案

溢洪道位于坝顶,采用开敞式溢洪道形式,分别设置检修及工作闸门各1 套,主要用于库水位的调节,闸门的检修,检修及工作闸门均采用平面钢闸门[2]。检修闸门孔口尺寸12.5 m×19 m（宽×高）,设计水头18.5 m,采用平面滑动露顶式叠梁钢闸门,分节制安及启闭运行。在溢洪道左侧非溢流坝段设置有1 个储门槽,平时叠梁闸门存放于门库内,需要时分节吊装至检修门槽内挡水。检修闸门启闭机设备选用单向移动门式启闭机DM-2×400-27,容量2×400 kN,扬程27 m（轨上扬程为4.6 m）,吊点距8 m,数量1 台,配套液压自动抓梁1 套,5 孔检修门槽共用1 扇检修门[3]。工作闸门孔口尺寸12.5 m×19.5 m（宽×高）,设计水头19 m,采用平面滚动钢闸门型式,启闭机设备选用固定卷扬式启闭机QP2×2500 kN-25 m,启门容量2×2500 kN,扬程25 m,吊点距8 m,采用一门一机布置方案[4]。

此平门布置方案,汛期时可将闸门提出孔口,不影响泄洪,但本工程闸门孔口尺寸规模过大,设计水头较高,闸门整体承受荷载较大,在设备及零部件选型及选材上均有较大难度,平面钢闸门配置固定卷扬式启闭机进行操作控制,启闭机的排架较高[5],高耸的排架及闸门锁定于检修平台上时均将承受较大的风荷载,偶然荷载的叠加对设计来说是一种挑战。同时排架过高,施工难度大,工期长,这对一个希望尽早投产的水电站项目而言,经济效益将大受影响。虽然闸门全工时可将门体提升至坝顶平台以上,安装检修及更换方便,闸门提升至检修平台后,整个泄洪通道可以无障碍行洪的优点。但平门泄洪时门槽部位的水流条件较差,门槽空化现象比较严重。而本工程由于水库库容小,且坝址以上集雨面积大,导致工作闸门在汛期经常处于全开或局部开启泄水状态,工作频繁,水流条件、运行工况复杂,整体运行条件不佳,平门方案存在较大挑战。

2.2 变更后的表孔闸门布置方案

此方案采用经典闸门布置方案,采用平门加弧门相组合。检修闸门孔口尺寸12.5 m×19.75 m（宽×高）,设计水头19.25 m,整扇叠梁门体共分为5 叠,由液压抓梁自动穿销按检修的需要来叠放或是提开,在非工作时段逐节锁定于各孔口顶部。闸门的启闭机设备选用1台单向门机（带回转吊）,主起升主要用于检修闸门的吊装,启门容量2×400 kN,扬程27 m（其中轨上4.6 m）,吊点距8.74 m,轨距5.5 m（该轨距为平衡回转吊下压力所需最小轨距）,配套液压自动抓梁1 套,回转吊主要回转半径内各设备的辅助检修用,额定容量250 kN,起升高度27 m,回转半径10 m,回转角度180°。工作闸门布置在堰顶下游侧,底槛底于堰顶高程为363.90 m,孔口尺寸12.5 m×19.6 m（宽×高）,设计水头19.1 m。弧面半径为R22.0 m,支铰高度14.5 m,双主横梁斜支臂结构型式。工作闸门启闭机设备选用露顶式弧门液压启闭机QHLY-2×2800 kN-10.2 m,启门容量2×2800 kN,行程10.2 m,双吊点,吊点距11.4 m,数量5 台,一门一机布置形式。液压泵站设置2 个[6],分别一控2 及一控3。为保证启闭机油缸长期处于全伸状态下不出现挠度变形,故在油缸运行至下极限位置9.8 m处设置1 套托架。考虑到弧形工作闸门处于全开位时,闸墩处设置锁定装置较困难,直接利于液压式启闭机的预锁功能,故未加装全开位液压或是机械锁定装置。

根据可研内审专家意见,针对表孔闸门布置形式,根据本工程的特点,为响应专家意见,特别对表孔工作闸门的型式进行深入的分析比较,具体如下：

（1）根据《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL 74-2013）中第“3.2.3 泄水系统工作闸门宜选用弧形闸门,水头较低时也可选用平面闸门”的明确规定,本闸门为泄水系统的工作闸门,孔口尺寸上属于大型闸门,且接近为超大型闸门,故本平面闸门有必要改为弧形闸门。[1]

（2）采用弧形工作闸门配置液压式启闭机的布置方案,虽然校核洪水位时洪水水面线位置较高,但在设计洪水位时水面线低于支铰近3 m,在大概率的条件下,支铰运行是安全可靠的,作为设计条件运行可以支撑弧门方案的。且校核洪水位时水面线较缓,初步判断低水流流速对支铰及支臂裤衩结构影响不大,针对洪水淹没支铰的问题,特地进行考察及学习；湘江浯溪水电站均出现洪水淹支铰情况,且表孔闸门与本工程表孔尺寸均属于大型表孔弧门,在与上述电站运行单位交流发现,在汛期,会出现在上下游水位差较小时水淹支铰（支臂）的情况,根据多年运行情况,该种工况后对闸门结构的影响不大,没有出现影响闸门的正常运行。

3 变更方案工程量对比及结论

原平门方案坝体较薄,布置紧凑,变更成弧门方案后,水流条件优化不少,但闸墩伸长不小,整体布置会有较大调整。而相应的金属结构的工程量有一定变化,具体见表1。

表1 平门方案及弧门方案工程量对比表

表孔金属结构设计变更主要为取消检修门门库,启闭机改成单向门机；工作闸门由平板闸门改成弧形闸门,相应启闭设备由卷扬式启闭机改成液压启闭。方案变更后为增加近600 万的投资,项目可早投产,整体经济比较基本持平,但变更后的方案坝顶无高排架变得整洁美观,闸门运行管理更为方便,且克服了高启闭排架的施工难度,在一定程度上使施工进度和工期更有保障。另外,采用弧形闸门使闸墩增长,但闸墩厚度减薄,溢流净宽减小2.0 m,可将右岸厂房往河床方向平移2 m,在一定程度上降低了厂区右岸边坡高度。

角木塘电站下游尾水较深,变化幅度大,消力池内波动水流容易对弧形闸门造成强烈扰动,引起闸门振动,为确保弧门方案的可靠性,对弧门方案进行有限元分析及水力学及流激试验研究,从有限元分析结果来看弧门的纵梁、横梁应力变化较小,应力分布对称；上下支臂受力均匀,应力分布规律及大小相似,弧门的结构布置是合理的；弧门整体强度均满足应力要求,并有较大的安全储备。在容易出现局部集中应力的部位,比如：在吊轴与小纵梁的链接处、前斜支杆与上支臂下腹板连接处、下支臂上腹板与前斜支杆连接处存在较大应力,但均小于材料的允许应力；分析弧门的主要构件（面板、主梁、纵梁、支臂、支铰）在设计工况下的位移结果,研究闸门刚度。结果表明,角木塘弧形闸门的变形能满足规范和设计要求,其整体稳定性可以得到保证。基于水力模型试验获得的水流脉动压力数据,将其作用在闸门结构有限元模型上,运用ANSYS软件进行瞬态时程分析,研究闸门的流激振动特性。闸门振动响应与闸门开度存在一定关系,其规律性与脉动荷载随闸门开度关系密切。由脉动响应可知,闸门在开度0.4 H工况下的动位移最大均方根值为63.3 μm ,动位移幅值为189.9 μm,如果按照美国阿肯色河判别标准判断,闸门为微小危害。从时均应力和脉动应力计算结果可知,闸门下支臂靠近内侧产生较大应力,但是动应力较小,时均应力占主要部分,脉动应力占总应力的6%以内,符合脉动部分荷载占总荷载2%～7%的规律。在上游洪水位分别为381 m、383 m,在弧形闸门开度依次为0.1 H～0.5 H工况下,闸室进水口均存在不良间歇漩涡,且漩涡主要在左右两侧门槽附近游弋,漩涡尺寸随闸门开度增大而增大,随上游水位上涨而增大,在上游水位为383 m、弧形闸门开度为0.5 H时闸室进水口两侧均形成贯通立轴漩涡,漩涡最大尺寸为1.5 m。堰面下泄水流在0+18 m～0+30 m区域形成强烈孔口出流,并形成大幅度紊动,溅起大量水股,在0.2 H、0.3 H开度工况中有少许水股击打在弧形闸门斜支臂；堰面表层下泄水流受淹没紊动挤压向堰面底层发展,堰面底层最大流速达到20 m/s,底层堰面水流俯冲碰撞折线型消力池,在消力池入口引起强烈紊动,并溢出大量掺混气泡。消力池下泄水流受中墩和尾坎阻碍,迫使底层水流上涌,在弧形闸门小开度工况下,消能效果良好；在弧形闸门大开度工况下消力池大范围涌动、回流,出池水流伴随间歇性二次水跃,消能效果较差。弧形闸门各测点脉动压强均值、峰值均随弧形闸门开度增大而减小,均随自身高程增大而减小,随上游库区水位上涨而增加,其中脉动压强最大均值为134.63 kPa,最大峰值为168.82 kPa；但弧形闸门下底缘受下泄高速水流影响,部分压能转化为动能,脉动压强均值和峰值均较小,其脉动压强最大均值为40.74 kPa,最大峰值为78.38 kPa。弧形闸门整体脉动压强主频区在0～10 Hz,其中压强能量较集中区域主要在0～5 Hz区域。从研究结果来看,方案是合适的。

4 结语

电站已运行两年,经历了洪水期的检验,运行正常,电站效益稳定发挥,再一次印证了变更后的方案的合理性。由于本工程库容小,集雨面积大,径流量大等特点,表孔工作闸门在今后的运行中会经常出现全开和局部开启泄水状态,采用弧形工作闸门在小开度区间及大开度区间均有可能出现较大振动问题,故在编制电站运行调度报告中应着重研究该问题,在运行初期,运行单位应在每次泄水后对每扇表孔闸门进行检查,观测并记录运行数据,在有条件的情况下,建议运行单位进行原型观测试验,掌握表孔闸门不同开度的运行数据。