湖南沅水桃源水电站泄洪闸弧门增设舌瓣门研究

何源望，吕飞鸣，李莉娟

（1.浙江华东机电工程有限公司，浙江杭州，311122；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州，311122）

0 引言

桃源水电站工程位于湖南省常德市桃源县县城附近的沅水干流河段，是沅水干流最末一个水电开发梯级，左、右岸分别为桃源县漳江垸和浔阳垸，上下游两岸均为人口稠密区。桃源水电站为大（2）型低水头径流式电站，是一个以发电为主、兼顾航运、旅游等综合利用的工程。发电厂房安装9台灯泡贯流式发电机组，单机容量20 MW，总装机容量180 MW。电站首台机组于2013年10月投产发电。

电站枢纽布置特点是江中部有一座双洲岛，小岛将河道分成左、右两边，整个枢纽横跨双洲岛。枢纽从左至右依次布置左岸副坝、左河道14 孔泄洪闸、双洲船闸、发电厂房、右河道11孔泄洪闸、右岸副坝等。每孔泄洪闸设置1扇弧形闸门，每孔弧门由1 套2×2 600 kN 摆动式液压启闭机操作。弧门底槛高程26.0 m，闸前运行水位39.50 m，下游最低运行水位29.44 m。

水库景观与著名的桃花源遥相辉映，是当地一条独特的风景线，经济效益和社会效益十分明显。然而，由于电厂处于右河槽，受双洲岛的阻隔，紧邻城区的左河槽除泄洪期外基本处于死水状态。左河槽库区表层的氧化水日积月累，不仅影响左岸桃源县城居民的生活品质，也对该区域范围内的闸门表面造成了加速腐蚀的负面作用。作为已建成电站，如何解决左河槽表层水的有效流动问题，在阻断表层水累积氧化的同时兼顾放水经济性和操控安全性，是桃源水电站运行以来面临的一大难题。

图1 桃源水电站（上游左河槽视角）Fig.1 Taoyuan hydropower station

1 舌瓣门增设方案研究

鉴于桃源水电站左河槽改善水质、保护水库生态环境、提高居民生活幸福指数的迫切需求，受电站业主方委托，进行了多种阻止氧化水积累的方案研究。在尽可能不影响电厂正常发电和满足泄洪要求的前提下，广泛收集国内外类似的工程资料，本着“满足小流量泄水，加强水库表层水的流动性，使氧化水得到改善”的指导思想，结合枢纽既成布置的特殊情况、上下游运行水位变化规律和现行弧门调洪操作方式等，初拟了多个方案进行可行性分析和研究，最终选择了对部分孔别的泄洪闸弧形闸门增设舌瓣门的方案。

舌瓣门体量小、操作灵活且溢流面为弧形设计，水流平稳，能以最小的耗水量安全有效地泄放表层水。当舌瓣门正常实现左河槽的表层水流动时，弧形闸门不需要做任何动作，这不仅大大降低了弧形闸门及启闭机的操作频率，减少了弃水损失，还对能耗、泄洪闸的安全性及寿命都有非常积极的作用。

目前，国内外已有一些电站在泄洪闸弧形闸门安装舌瓣门的成功经验。根据原泄洪闸弧形闸门结构特征及多年运行的实际情况，研究改造的范围和规模，结合类似工程经验教训，确定对以下几个方面开展研究：（1）对水库表层静态腐化水活化方式进行研究；（2）复核现役启闭设备容量，对改造方案进行研究；（3）结合原弧门结构特征，对舌瓣门技施方案进行研究；（4）分析电站运行特点，对施工方案措施进行研究。

1.1 舌瓣门设置原则

（1）增设舌瓣门前，需在原弧形闸门上切割掉一定尺寸的门体。因此，舌瓣门开口尺寸和切割位置应有利于弧形闸门保持结构的刚度。

（2）舌瓣门尺寸除考虑弧形闸门主纵梁的布置情况外，还要控制自身重量，避免改造后的弧形闸门启闭力超出原启闭机容量。

（3）设置舌瓣门主要用于活化河道闸前表层水质，开口高度应满足表层水的充分流动。

结合上述因素，比较分析后得出舌瓣门高度设定为2 m可以满足要求。

1.2 舌瓣门设置方案研究

1.2.1 弧门启闭力复核及舌瓣门宽度研究

根据现役弧形闸门纵隔板布置间距（2.2 m）和弧门支臂内间距（10 m），初步拟定舌瓣门的宽度为5 m、6 m和7.5 m三种方案。

现役弧门启闭力复核计算按照现行NB/T 35055-2015《水电工程钢闸门设计规范》进行，主要参数按照原设计图纸复核如下：

（1）总水压力复核：弧形闸门总水压力P=21 008 kN，与原设计相同。

（2）影响启闭力的闸门重量复核：闸门重心到支铰中心的力臂r2按照0.84R计算，即r2=0.84×20 000=16 800 mm；启闭力到支铰中心的力臂R2为8 100 mm；支铰轴半径ro=250 mm；图纸中球面轴承为黄铜合金镶嵌固体润滑材料，故摩擦系数采用钢基铜塑镀铬（不锈）钢f1=0.14；原弧门总重量为226.94 t，扣除固定铰11.2 t、固定轴及配件4.34 t后，闸门重量为211.4 t。

按照上述复核参数，三个方案的启闭力复核结果见表1。

表1 启闭力复核结果Table 1 Review results of open and close force

自电站投运以来，桃源公司对弧门启闭机进行了跟踪监测。从监测信息看，弧形工作闸门安装运行至今，启门时（39.5 m蓄水位）液压缸有杆腔最大压力约为17 MPa（16～18 MPa），实际启门力约为4 600 kN。由此说明启门力的理论复核计算值和实际值基本吻合，可以用理论计算值作为启闭机容量是否满足改造要求的标准。

综上所述，从弧门启闭力安全裕度、舌瓣门的安装工作量、后期维保成本、表层水流动效率等方面综合比选，确定最优方案为方案二。

1.2.2 舌瓣门设置位置及数量研究

左河道共有14 扇弧形闸门，根据实际水流状态，靠近两岸的水流流动性相对差，中间稍好。因此，舌瓣门的位置设置以左河槽泄洪闸两边孔对称设置为主、中间孔适当考虑。

根据枢纽布置，左河槽宽度约400 m，中洲岛在水库中从闸前至上游末端的长度约500 m，假设该片水域表层2 m的水体需要流动交换，则该部分水体体积大约为40万m3，6 m宽舌瓣门的平均单宽流量Q=18.6 m3/s。舌瓣门的设置位置和数量及换水所需时间比较见表2。两边各2孔+中间1孔的方案换水所需时间最短，相对最优。

表2 舌瓣门不同设置位置、数量及换水所需时间比较Table 2 Comparison of water exchange time with different posi⁃tions and numbers of flap gates

2 舌瓣门技施设计方案研究

2.1 舌瓣门结构特点

弧形舌瓣门是水利水电工程中的一种复式弧形组合闸门，弧形组合闸门由上部开口的弧形闸门与铰接在弧形闸门开口内的弧形舌瓣门组成。弧形舌瓣门的侧边和底边与弧形闸门止水配合，背面与液压启闭机构铰接，液压启闭机构装在弧形闸门下游面，在弧形闸门关闭的情况下，可通过控制液压缸的伸缩进行弧形舌瓣门的开和关。

2.2 舌瓣门技施方案

舌瓣门增设在原总体布置、孔口尺寸与设计水位不变的条件下进行。舌瓣门按现行标准NB/T 35055-2015《水电工程钢闸门设计规范》设计，动力系数取1.1，容许应力调整系数取0.9。通过查阅国内外弧形舌瓣门的相关资料，结合以往经验，确定弧形舌瓣门技术方案如下。

（1）弧形舌瓣门结构设计方案。在现役弧形工作闸门的上部中间位置开口，孔口尺寸为6.0 m×2.26 m（宽×高），以安装舌瓣门。在开口处加设筋板和肋板，以保证闸门的局部刚度和强度。在开口的两边分别安装两块侧板，作为侧止水板。舌瓣门为焊接结构，弧门半径为4.6 m，门叶板材选用与弧门相同的Q345B，型钢选用Q235B，布置两根实腹板主梁。舌瓣门底部支铰用底轴与弧形工作闸门连接，采用偏心可调式支铰座，以保证左右支铰的同心度，支铰轴套采用自润滑材料。舌瓣门底止水为P型橡皮，在舌瓣门启闭过程中，P头始终紧贴弧形面板，保证密封。侧止水为L 型橡皮，在舌瓣门启闭过程中，L 型橡皮紧贴侧止水板滑动，保证密封。每扇弧形舌瓣门上还设有自动机械锁定装置，锁定块设于弧形闸门侧挡板上，左右对称各一套，保证在弧形工作闸门挡水和运行操作时，舌瓣门的液压启闭机活塞杆不受力，由机械锁定装置使舌瓣门始终处于关闭状态。

图2 弧形舌瓣门（单位：mm）Fig.2 The tainter flap gate

（2）舌瓣门防腐方案。防腐方案直接影响闸门的使用寿命和维护成本，舌瓣门工作环境为水位变动的干湿交替状态，因此防腐材料应选用耐水性好、层间附着力强、耐干湿交替等综合性能较优的涂料。涂料的选购、涂装前的金属表面处理、施工方法、保护涂层的质量检查、验收标准等均按DL/T 5358-2006《水电水利工程金属结构设备防腐蚀技术规程》执行。舌瓣门涂料类型、漆膜厚度的选择见表3。

表3 舌瓣门涂料类型和漆膜厚度Table 3 The type and thickness of the paint for flap gate

2.3 舌瓣门驱动及控制关键技术要求

（1）舌瓣门液压启闭机的布置方案。舌瓣门的启闭操作采用500 kN 液压启闭机，根据舌瓣门的操作方式，油缸需布置在舌瓣门下游中部，并将弧门作为舌瓣门油缸的支撑点，油缸上部吊头与舌瓣门吊耳相连，油缸下部支座与弧形工作闸门相连，支撑处均设筋板对弧门进行局部加强。油缸的进/出油管沿弧门门叶后翼缘→弧门支臂→弧门支铰牛腿→闸墙→油管沟→机房油箱。

（2）舌瓣门液压启闭机的操作方式。开启时，液压缸先将舌瓣门往上游方向推动，使锁定块脱离舌瓣门，从而解除舌瓣门的锁定，在门重及水压力的作用下，舌瓣门开启；关闭时，由液压缸将舌瓣门顶起，当锁定块卡进位于闸门顶部的挡块后，舌瓣门关闭。为保证舌瓣门及同孔弧形闸门的安全运行，两者之间的操作应存在闭锁关系，即当同孔弧形闸门处于全关位置时舌瓣门才能开启，当舌瓣门关闭到位并锁定后同孔弧形闸门才能开启。

（3）结合现有泵站房情况，舌瓣门驱动及控制系统改造方案要求为：舌瓣门的液压及电气控制系统与原闸门相互独立，设置一套独立泵站，泵站包括控制阀组、油泵电动机组、油箱和电气控制柜。舌瓣门电气控制柜需接入动力电源和控制电缆，与集控进行通讯，接受远方控制，并将舌瓣门位置信号接入泄洪闸弧门电气控制系统，形成操作互锁。

3 舌瓣门增设施工方案措施

3.1 交通和环保要求

因电站坝面公路作为市政交通道路开放使用，施工方案必须考虑施工过程对交通和环境的影响，这也是改造能否实施的必要条件之一。通过详细分解改造工作内容，可以将工程以内业与外业相结合的方式进行，内业为工厂内作业，对交通和环境没有影响，而部分外业工作如弧门的切除件吊装、舌瓣门门体及附件吊装就位、泵站及电控柜吊装就位等，道路需做阶段性的短暂封闭，施工过程中采取相应措施可避免对现场交通和环境产生大的影响。

3.2 施工工期研究

（1）根据多年水情，一般非汛期为每年10月到第二年的3 月，现场施工只能利用非汛期进行，需尽量缩短时间。

（2）舌瓣门增设工作分项工期如表4。

表4 舌瓣门增设工作分项工期Table 4 Periods of sub-projects of flap gate installation

第1 项工作在工厂内完成，后面4 项工作需要现场实施。按照表4 中的时间估算，1 孔舌瓣门改造现场作业大约需要5周时间，由于左河槽闸门现场施工时只能利用唯一的1 孔浮式检修门作封堵使用，5 孔舌瓣门改造共计需要25 周直线工期时间。考虑施工期间国定假日、雨雪大风等因素的影响，施工期还会加长。但是，通常从第二孔开始，受益于施工经验的累积，以及第4、第5项部分工作的同时施工，整体的实际工期会逐渐缩短。因此，在一个非汛期即6 个月内完成现场改造施工是可以实现的。

4 结语

通过对湖南沅水桃源水电站泄洪闸弧门增设舌瓣门的研究，以最小的弃水损失安全有效地解决了左河槽库区表层水的流动与交换问题，在阻断表层水累积氧化的同时兼顾放水经济性和操控安全性，为改善水质、保护水库生态环境、提高居民生活幸福指数提供了很好的解决方案。弧门一般为电站的主要泄洪设施，其改造方案往往涉及电站发电运行、度汛安全，以及对原钢结构、土建结构、环境、交通的影响等，与新建电站相比，考虑和牵涉的面更广、更复杂。桃源水电站泄洪闸弧门增设舌瓣门的改造方案研究值得类似电站借鉴使用。■