乌东德水电站导流洞进口一槽双门设计研究

钱军祥　胡剑杰

摘要：为解决大型水电站导流洞运行期检修难题，优化导流洞进口布置，以乌东德水电站导流洞工程为例，从导流洞检修通道设置、检修门及其埋件布置方式等方面进行分析研究，提出了导流洞进口检修门和封堵闸门共用门槽的“一槽双门”设计方案，详细阐述了“一槽双门”的闸门和门槽布置方案、门槽型式选择和门槽主要结构设计流程。工程实际运行结果表明：“一槽双门”设计方案在满足导流洞检修及封堵的功能的同时，能大大降低施工难度、缩短施工工期、减少工程投资，该方案可供同类工程设计参考。

关键词：导流洞进口; 一槽双门; 封堵闸门; 检修闸门; 乌东德水电站

中图法分类号： TV34

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.016

0引 言

大中型水电站布置的导流隧洞，运行时间短则3～5 a，长则7～8 a。对于泥沙含量高且推移质较多的河流，导流洞运行期间极易因水流冲刷和推移质磨蚀而受损[1-3]。图1是乌东德水电站3号导流隧洞运行5 a后的情况，可以看出，导流洞底板衬砌混凝土已被冲蚀，面层钢筋完全裸露，破损严重。尽管相关设计规范未对导流洞运行期的检修和维护提出明确要求，但出于安全考虑，溪洛渡、锦屏一级等工程均定期采用临时围堰截断水流，对导流洞进行了检查和维修[4]。

在可研设计阶段，就明确提出乌东德水电站工程的导流洞在运行期应定期开展隧洞检修与维护的要求，但考虑到临时围堰施工难度和投资较大、占用直线工期较长等因素，初步方案拟定在导流洞进口除设置封堵门外，也设置一道检修门，如图2所示。根据相关规范规定和初步布置结果，检修门槽顺水流方向约需4.5 m左右的布置空间。布置检修门槽后，乌东德导流洞进水塔进口顺水流方向总长32.5 m。若取消检修门槽，相当于节省10%以上的开挖工程量，大型水电站工程导流洞进口一般布置在陡峭河谷地带，开挖施工难度大且容易产生塌方[5-7]。

另外，导流洞封堵门仅在最后下闸封堵时使用，而检修门通常是在封堵门下闸前检修使用，检修门和封堵门的使用在时空上是错开的。为优化导流洞进口水工结构布置和降低施工难度，并节约工程投资，本文将从导流洞进口检修门、封堵门及其门槽埋件布置和设计等方面进行分析，研究检修门、封堵门共用门槽设计方案，并通过工程实际运行来检验“一槽双门”效果。

1乌东德导流洞工程概况

乌东德水电站是金沙江下游河段四大水电梯级——乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝中最上游梯级，电站正常蓄水位975.00 m，水库总库容74.08亿m3，总装机容量10 200 MW，属Ⅰ等大（1）型工程。枢纽工程主要由混凝土双曲拱坝、泄洪消能建筑物、左右岸引水发电系统及导流建筑物等组成。

乌东德水电站左、右岸共布置“4低1高，4大1小”共5条导流隧洞（从左到右依次编为1～5号，其中5号导流隧洞为高洞）。1～4号导流隧洞进口高程分别为814.00 m（1、2号）和812.00 m（3、4号），出口高程均为800.00 m。左岸1、2号导流隧洞出口与左岸电站1、2号尾水洞出口相结合;右岸3号、4号导流隧洞出口与右岸电站5、6号尾水洞出口结合。左、右岸电站尾水检修门兼作导流隧洞的出口封堵门。

乌东德水电站导流隧洞于2012年1月开工，2019年1月开始下闸封堵，历时近8 a。为方便导流期间对导流洞的检查和维修，在1～4号导流隧洞进口布置了2扇检修门。导流洞检修门在枯水期低水位动水启闭，最大启闭水位为821.68 m，相应水头为9.68 m;隧洞检查与维修期间最大挡水水位为833.00 m，相应水头为21.00 m。

2导流洞检修方案及检修门布置

大型水电站导流隧洞，由于运行时间长、隧洞底板过流流速大、河流泥沙及推移质含量较高等原因，隧洞底板极易遭受磨损。导流洞运行期间如果不及时进行检修，隧洞侧墙及底板会遭到严重冲蚀破坏，甚至会引起隧洞局部坍塌，威胁工程安全。故对于大型水电站长年运行的导流隧洞，一般需考虑创造检查、维护等条件。

2.1导流洞检修通道比选

导流洞检修通道布置一般有3处：导流洞进口、导流洞出口和打开施工支洞。乌东德水电站左、右岸各布置2条低洞（导流洞），左岸和右岸2条低洞均共用施工支洞。根据检修期流量水位关系及导流洞过流能力计算，枯水期检修必須保证3条导流洞过流，即单次仅能检修1条导流洞。左岸2条导流洞平行布置，由于共用施工支洞的原因，如要检修2号导流洞，则1号导流洞不能过流。同理，如要检修3号导流洞，则4号导流洞不能过流。显然，打开施工支洞作为检修通道不可行。

乌东德水电站导流洞沿顺水流方向布置，右岸进口底板高程比出口高程高12.00 m（左岸高出14.00 m）。检修期导流洞抽干后，考虑闸门漏水、洞身渗水等因素，结合进、出口高程差，洞内必然有大量水及泥沙不间断自流至导流洞下游出口段。故导流洞出口难以形成检修通道，即便出口能形成检修通道，检修人员和物质从下游通道运输也不方便，困难较大。

综合分析，仅能在导流洞进口设置检修通道。

2.2导流洞进口检修门布置方式

导流洞进口设置检修通道有两种方式：一是单独增设一道检修门;二是将封堵门兼做检修门使用。经分析，乌东德水电站1～4号导流洞封堵闸门孔口尺寸为8.25 m×24.00 m，闸门最大设计挡水水头108.88 m，总水压力203 392 kN;固定卷扬式启闭机容量18 000 kN。闸门及启闭机规模巨大，根据可研概算，8扇闸门及8台固定卷扬式启闭机总投资约8 000万元。如果工程初期就制造、安装封堵门和启闭机，则会导致资金占压，并且导流洞下闸封堵前运行时间较长，闸门及启闭机维护保养工作量较大。另外，导流洞封堵闸门制造运输单元尺寸11.0 m×3.0 m×3.0 m，重量为60.0 t，在专用公路未形成前，大件运输较困难。

从封堵门结构设计上分析，乌东德水电站导流洞封堵水位为920.88 m，远高于导流洞进水塔顶高程848.00 m，因此导流洞封堵闸门的止水只能布置在下游侧，如图2中封堵门槽所示。如果采用封堵门兼作检修门必须完全封住孔口，难以形成检修通道。故导流洞封堵门兼作检修闸门的方式不可行，导流洞进口设置检修通道的方式仅能是增设一道检修门。

2.3检修闸门槽布置方式

根据导流洞检修通道布置比选和进口检修门布置方式分析结果，导流洞进口设置一道检修门是最合理可行的方案。考虑到导流洞检修门和封堵门的使用在时空上是错开的，为减小资金占压、降低设备维护费用，在封堵闸门槽浇筑完成后，先期施工可以先不形成导流洞封堵门及其启闭设备，仅生产制造完成检修门即可。

为优化导流洞进口水工结构布置和降低施工难度，缩短导流洞进水塔长度并节约工程投资，结合先期施工仅需要形成检修门及封堵闸门槽的需求，可将检修闸门槽与封堵闸门槽一体化设计，即形成检修门和封堵门共用一道门槽的“一门双槽”设计方案[8]，满足导流洞检修和封堵要求。

3“一門双槽”的门槽初步布置设计

3.1门槽型式初步布置

乌东德水电站导流洞检修门和封堵门要共用一个门槽，且检修门后需预留检修通道，该通道需能保证检修物质及检修设备能垂直上下快速吊运至导流洞底板。经研究，创新性提出了“π”形断面结构的检修闸门，门叶结构布置在上游侧，门后形成检修通道，具体如图3～4所示。

“一门双槽”的门槽型式初步布置研究主要是确定门槽宽度W和门槽深度D。以下说明门槽尺寸确定思路。

3.1.1门槽宽度W

3.1.2门槽深度D

无论是检修门还是封堵门，闸门承受的水压力最后都传至门槽下游侧埋件（主轨）。门槽深度D与布置一套主轨还是两套主轨关系密切，而主轨型式又取决于闸门支承型式，闸门支承型式又影响闸门启闭机容量及启闭机型式选择，应经过研究计算综合比较后确定。

乌东德水电站1～4号导流隧洞孔口宽度为8.25 m，最大设计挡水水头为108.88 m（3号和4号洞）。封堵闸门线压强大于6 000 kN/m，采用定轮支承已不能满足要求，应选用滑块支承。滑块支承对应的主轨埋件一般为Q355厚钢板焊接结构。

1～4号导流隧洞检修门最大挡水水位为833.00 m，相应水头为21.00 m。检修门线压强不到1 500 kN/m，既可采用滑块支承，也可采用定轮支承。如选用滑块支承，则两套闸门可以共用埋件主轨。检修门选用何种支承应考虑闸门启闭机容量和型式。

闸门支承型式决定了支承摩擦系数，也就决定了启闭机容量和启闭机型式。根据相关规范，启闭力计算公式如下：

检修门动水启闭，启闭机容量由启门力控制。对于同一扇闸门，挡水总水压力P、闸门重量G、止水摩阻力Tzs是相同的。1 000 mm的定轮其摩擦系数一般小于0.01，而滑块（按工程塑料合金滑块）摩擦系数实际一般大于0.1。以乌东德水电站导流洞检修门为例，如采取用定轮支承，计算启门力FQ=1 350 kN。根据现场场地布置，容量3 000 kN左右汽车吊即可满足操作要求，且可现场调用。如采取用滑块支承，计算启门力FQ=2 080 kN。根据现场场地布置，需要容量4 500 kN汽车吊或履带吊进行启闭操作，且需从工区外租用，调用极不方便。

经综合比选，检修门采用定轮支承，检修门埋件主轨选用铸钢轨道;封堵闸门采取滑块支承，埋件主轨选用厚钢板焊接结构，即门槽下游共布置两套主轨。进一步考虑门叶结构与门槽之间的位置关系后，可以初步确定门槽深度D。

3.2门槽尺寸确定

导流洞汛期水头超过30 m，流速超过20 m/s。为保护门槽，避免门槽空蚀空化，门槽型式应选用“Ⅱ”形门槽。根据规范，“Ⅱ”形门槽合宜宽深比W/D为1.5～2.0。如果初步确定的W，D两者比值不满足合宜宽深比的要求，还应进一步调整。

4“一门双槽”的门槽埋件结构及闸门设计与运行

“一槽双门”设计方案是综合考虑检修门和封堵门操作运行条件、导流洞检修要求及工地现场施工条件等因素后提出的。乌东德水电站1～4号导流隧洞进口封堵门槽埋件初步布置见图5。以下主要讨论“一槽双门”方案闸门和埋件设计中应特别注意的问题，常规设计不再详述。

4.1门槽埋件设计

（1） 止水及主轨。

从图5检修门和封堵门埋件布置可以看出，检修门止水布置在上游侧，上游埋件（反轨）上应布置止水座板。封堵门止水布置在下游侧，下游埋件上也应布置止水座板。一道门槽埋件上应布置两套分别与两扇闸门相匹配的止水座板。检修门和封堵门的主轨均布置在下游侧，共布置两套主轨。两套主轨在垂直水流方向上的位置可以根据需要调整。

（2） 门槽衬砌。

为解决导流洞运行期间门槽自身的安全问题，应对门槽设计钢衬进行保护[12-14]：一是门槽采取全断面钢衬衬护，确保门槽主体结构安全;二是门槽底板以门槽中心线为基准上、下游3.0～5.0 m范围内采取钢衬保护。这样确保门槽附近的底板不会被掏空，从而保证闸门底止水座板的安全。

（3） 门槽体型。

“Ⅱ”形门槽一般用于高水头永久水工建筑物设计，导流隧洞封堵门槽设计应参考选用“Ⅱ”形门槽，以改善了门槽水力学条件，防止门槽空蚀空化破坏。

4.2检修门设计

检修门的设计特点是挡水水位较低、采取临时启闭机设备操作、应能为导流洞检修时提供人员和设备通道。通过分析这些设计特点和要求，检修门断面可设计成“π”形断面结构。门叶结构两边边柱较高以适应门槽尺寸，便于支撑和受力。中间主梁结构较矮，以便在门后留出空间，形成人员和设备的进出通道。这种结构一方面降低了检修门重量;另一方面节省了工程量，进而减小了临时启闭机设备的容量，便于施工操作和运行。

由于门叶断面采用“π”形结构，中间主梁和两边边柱高度差较大，断面突变。结构设计时应避免应力集中。“π”形结构为异形结构，设计时应精确计算闸门重心位置，以便于启闭机操作。

4.3 “一门双槽”的门槽及闸门运行

乌东德导流洞检修门为叠梁门，共6节。下面3节联接成整体后，选择低水位动水下闸，然后上面3节叠梁无水下闸。待检修完毕后，选择低水位时机让上面3叠梁在无水状态下依次启门，下面3节叠梁整体动水提门。下面3节叠梁计算启门力为1 350 kN，现场实际利用2 600 kN汽车吊操作。图6（洞内朝向上游拍摄）是检修门下闸挡水效果图，从4条导流洞检修结果来看，物质及检修设备可从门后直接吊运至导流洞底板，非常方便顺畅。抽水检查表明，门槽埋件基本完好，检修门止水效果良好（基本不漏水），为导流洞检修创造了良好的条件[15]。

5结 论

本文以乌东德水电站1～4号导流洞进口检修门和封堵门共用门槽设计为例，阐述了“一槽双门”设计方案的研究过程，并指出了设计中应注意的问题，研究成果总结如下。

（1） 河流泥沙及推移质含量高、运行时间较长（如超过3 a）的大型水电站工程导流洞应考虑具备检修要求，并建议在导流洞进口设置检修门作为检修通道。

（2） 为简化导流洞进口水工结构布置，节省投资和降低施工难度，建议参考“一槽双门”设计方案。门槽尺寸、门槽埋件止水座板及主轨设计应能同时满足两套闸门运行要求，门槽布置可根据实际进行优化。

（3） 导流洞进口检修门结构建议采用“π”形断面结构型式，以利于在门后形成检修通道，同时节省工程量。检修闸门宜采用定轮支承，以减小启闭机容量，便于汽车吊等临时启闭设备操作运行。

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（编辑：胡旭东）