黃河龍口水利樞紐工程金屬結構設計

鄭向暉 易 偉 劉國軍

龍口金屬結構設備包括表孔系統、底孔系統、電站及排沙系統各類閘門、攔污柵及啟閉設備,總質量約7100 t。

1 表孔系統金屬結構設計

表孔系統布置在大壩最右側,由兩個壩段組成,主要功能為滿足樞紐泄洪要求。表孔工作閘門選用平板閘門;表孔結構型式為開敞式溢流堰。表孔系統每個壩段設1個泄洪表孔,共設2孔工作閘門。在每孔工作閘門上游設1道檢修門槽,2孔工作閘門共用1套檢修閘門;考慮到工作閘門冬季運行要求,表孔工作閘門門前設防冰裝置,工作閘門門槽設防凍裝置。表孔系統與底孔系統共用1臺1600kN壩頂雙向門機。

表孔檢修閘門(12m×10.6m-10.053 m孔口寬度×孔口高度-設計水頭,下同)、表孔工作閘門(12m×11.5m-11.04m)與底孔事故閘門共用1臺門機,閘門為動水啟閉。黃河水中含沙量較大,為防止閘門梁格及門槽內淤沙,閘門面板及底、側止水均布置于上游側;閘門最大擋水壓力為8500kN;由于檢修水位與正常蓄水位相同,為便于管理及檢修維護,檢修閘門與工作閘門采用完全相同的結構形式,同時檢修閘門與工作閘門可以互換使用,延長使用壽命。檢修閘門平時存放在隔墩壩段的檢修門庫內。工作、檢修閘門均由壩頂1600kN門機直接操作。詳見圖1。

2 底孔系統金屬結構設備

圖1 表孔系統剖面圖

底孔系統分布在5個壩段,每個壩段內設2個泄洪底孔,共10個泄洪底孔。底孔系統共設10孔4.5m×6.5m-35m弧形工作閘門,在每孔工作閘門上游側設1道事故檢修閘門門槽,10孔工作閘門共用2套4.5m×7.444m-35m事故檢修閘門。底孔弧形工作閘門啟閉設備為1600/500kN搖擺式液壓啟閉機,2臺液壓啟閉機共用1套泵站,泵組及油缸布置于底孔啟閉機廊道內。底孔事故檢修閘門由底孔1600kN壩頂雙向門機通過1600kN液壓自動抓梁啟閉。

底孔事故檢修閘門為平板定輪閘門。布置于底孔工作閘門上游側,當底孔工作弧門事故或需要檢修時,閘門動水閉門;閘門充水平壓后,靜水啟門。事故檢修閘門面板及止水均布置于上游側。閘門加重塊布置于梁格內。閘門頂部設柱塞式充水閥2個。閘門按6m擋沙高度及35m水頭條件設計。閘門動水閉門時,通過閘門井補氣。閘門平時存放于門庫內。為方便檢修操作,每孔門槽頂部設置了閘門鎖錠裝置,鎖錠裝置采用擺叉式鎖錠,事故檢修閘門可由底孔1600kN壩頂雙向門機通過1600kN液壓自動抓梁吊起后,由人工操作閘門鎖錠,將閘門鎖定于門槽頂部。

事故檢修閘門門槽處水流速度較高,門槽段邊界突變,將產生局部壓降,形成空穴現象,導致空蝕破壞。為防止門槽下游產生負壓,采用1∶10斜坡錯距式門槽。主軌采用ZG50Mn2整體鑄造,無突出物,主軌面與側護角光滑過度,用以提高門槽抗泥沙沖刷和抗氣蝕能力。底坎用鋼埋件加寬襯護。

因底孔擔負著泄洪排沙任務且水頭較高,流速較快,而弧形閘門門槽段無邊界突變,有較好的水流條件,不會產生局部壓降,形成空穴,底孔工作閘門采用弧形閘門。

弧形閘門為雙主梁直支臂閘門,總水壓力約13000kN,并考慮淤沙至869.00m高程的泥沙壓力。弧門半徑11.25m(面板外緣),支鉸中心至底檻距離為8.9m。弧門門楣上設置轉鉸式水封。在弧門支鉸后設置支撐面經加工的支撐大梁,支撐大梁埋入二期混凝土內。在高程871.5m處設有檢修平臺,用于弧門水封的更換及弧門維修。

弧形工作閘門采用1600/500kN(啟門力/閉門力)搖擺式液壓啟閉機。工作行程8.5m,油泵站安裝于高程886.00m的啟閉機室內,每2臺液壓缸共用1套液壓泵站,每套泵站設2套泵組,互為備用。共5套泵站。油缸采用中部鉸接支承,下端與閘門連接,吊頭內裝有自潤滑球面滑動軸承。油缸上端內部裝有行程檢測裝置,行程檢測裝置自帶上下極限機械限位開關,可實現弧門在任意開度及上下極限控制。液壓啟閉機除能在啟閉機室內現地控制外,還可以在電站中控室內集中控制。弧形閘門可單臺啟閉,泄洪時要求對稱成組開啟和關閉。

底孔、表孔共用1600kN壩頂雙向門機由主起升小車、移動副鉤、門架、大車運行機構組成。主起升機構采用折線繩槽卷筒。門機供電采用電纜溝內滑觸線供電。門機起升及行走機構電機均采用變頻電機。門機采用集中潤滑系統。門機主鉤容量為1600kN,軌上揚程15m,總揚程42m;用于操作底孔事故檢修閘門、表孔工作閘門、表孔檢修閘門;主鉤配有1套液壓抓梁,用于底孔事故閘門的啟閉。抓梁不用時存放于底孔事故閘門門庫內。門機副鉤為200kN旋轉吊,總揚程33 m,回轉吊幅度12m;用于操作壩頂各孔口混凝土蓋板、底孔液壓啟閉機的檢修等。門機軌距11m,詳見圖2。

3 電站系統金屬結構設備

每臺100MW機組有3個進水口和3個尾水出口,電站進水口設事故閘門,并只考慮1臺機組事故。20mW機組有1個進水口1個尾水出口,進水口設事故閘門。大、小機組進口段沿水流方向依次設有主攔污柵、檢修閘門和事故閘門,尾水均設檢修閘門。以上金屬結構設備由電站進口2×1250kN雙向門機操作。電站進口檢修閘門、事故閘門等設備平時存放于主安裝廠壩段的門庫內。100MW機組電站尾水出口設有6套檢修閘門,可用于2臺機同時檢修,其中3套閘門平時鎖定在電站尾水平臺上,3套閘門存放于門庫內。20MW機組出口設有1套檢修閘門,閘門平時存放于隔墩壩段門庫內。尾水檢修閘門由2×630kN尾水雙向門機通過液壓抓梁操作,詳見圖3。

圖2 底孔系統剖面圖

圖3 大機組電站進口剖面圖

3.1 電站進口閘門、攔污柵及啟閉機

4臺100mW機組電站進水口攔污柵為連通式布置,連通布置可以避免單套攔污柵堵塞而影響機組引水發電。主攔污柵(5.9m×32.5m-4m,孔口寬度×孔口高度-水壓差)共設12套。每套主攔污柵共分12節。考慮到門機揚程,可以將每3節攔污柵作為1個拆裝的單元。

20mW機組電站進水口攔污柵共1孔,每孔設1套4.4m×32.5m-4m攔污柵。每套主攔污柵共分10節。

100MW機組電站進口檢修閘門為5.9m×15.775m-34.82m平板滑動閘門。閘門靜水啟閉。閘門平時存放于門庫內。檢修閘門由2×1250kN電站壩頂門機通過2×1250kN液壓自動抓梁啟閉。進口檢修閘門作為永久設備共設3套,考慮到機組安裝及下閘蓄水需要,另設6套檢修閘門作為電站進口臨時封堵用。

20mW機組電站進口檢修閘門為4.4m×10.15m-32.54m平板滑動閘門。閘門靜水啟閉檢修閘門由2×1250kN電站壩頂門機單鉤通過拉桿啟閉。拉桿設擺叉式鎖錠梁,閘門啟閉過程中可將拉桿鎖定于孔口后拆除拉桿。檢修閘門及拉桿平時存放于門庫內。

100MW機組電站進口事故閘門為5.9m×17.106m-40.216m平板定輪閘門。事故閘門作為永久設備共設3套。閘門動水閉門,靜水啟門。門頂設柱塞式充水閥。事故閘門面板及頂、底、側止水均布置于上游側。充水閥與閘門吊耳相連。充水時由閘門井補氣。閘門平時存放于3#壩段事故閘門門庫內。事故閘門由2×1250kN電站壩頂門機通過2×1250kN液壓自動抓梁啟閉。

20MW機組電站進口事故閘門為4.4m×7.86m-32.89m平板定輪閘門。事故閘門作為永久設備共設1套。閘門動水閉門,靜水啟門。門頂設柱塞式充水閥。事故閘門面板及頂、底、側止水均布置于上游側。充水閥于閘門吊耳相連。充水時由閘門井補氣。事故閘門由2×1250kN電站壩頂門機單鉤通過拉桿啟閉。拉桿設擺叉式鎖錠梁,閘門啟閉過程中可將拉桿鎖定于孔口后拆除拉桿。事故閘門及拉桿平時存放于門庫內。

電站進口壩頂門機為2×1250kN雙向門機,門機由主起升小車、回轉吊、移動副鉤、門架、大車運行機構組成。門機供電采用電纜溝內滑觸線供電。門機采用集中潤滑系統。門機起升及行走機構電機均采用變頻電機。門機主鉤容量為2×1250kN,軌上揚程22m,總揚程58m;其中主鉤用于操作電站進水口、攔污柵、電站進水口檢修閘門、電站進口事故閘門及排沙洞進口事故閘門,主鉤配有2套液壓抓梁,分別用于操作電站進水口事故、檢修閘門和排沙洞進口事故閘門;門機副鉤為200kN旋轉吊,總揚程20m,回轉吊幅度12m;用于操作壩頂各孔口混凝土蓋板、底孔液壓啟閉機的檢修等。門機軌距18m。

3.2 電站尾水閘門及啟閉機

3.2.1 電站尾水閘門

100MW機組電站尾水檢修閘門為6.4m×9.5m-24.15m平板滑動閘門。檢修閘門作為永久設備共設6套,閘門靜水啟閉,3套閘門平時存放于大機組尾水閘門門庫內。尾水閘門還兼做機組冷卻器檢修閘門,冷卻器檢修時,閘門邊梁吊耳與拉桿相連,拉桿鎖定于門槽頂部。檢修閘門由2×630kN電站尾水門機通過2×630kN液壓自動抓梁啟閉。抓梁兩端設有與拉桿相連接的吊耳。

20MW機組電站尾水閘門為8m×5.2m-14.72m平板定輪閘門。檢修閘門作為永久設備共設1套。閘門靜水啟閉。檢修閘門由2×630kN電站尾水門機通過拉桿啟閉。拉桿設擺叉式鎖錠梁,閘門啟閉過程中可將拉桿鎖定于孔口后拆除拉桿。檢修閘門及拉桿平時存放于檢修閘門門庫內。

3.2.2 啟閉機

電站尾水門機為2×630kN雙向門機,門機由主起升小車、移動副鉤、門架、大車運行機構組成。門機供電采用電纜溝內滑觸線供電。門機起升及行走機構電機均采用變頻電機。門機主鉤容量為2×630kN,軌上揚程13 m,總揚程35m;其中主鉤用于操作電站尾水閘門及電站壩段、副安裝場排沙洞出口工作閘門、檢修閘門,主鉤配有1套液壓抓梁,用于大機組尾水檢修閘門;門機副鉤為50kN電動葫蘆,軌上揚程12m,總揚程32m;用于拉桿及雜物運輸。門機軌距9m。

4 排沙系統金屬結構設備

排沙系統由電站壩段排沙洞和副安裝場排沙洞組成。電站壩段排沙洞共8條,分別位于4臺100MW機組3個電站進水口中外側2個進水口的正下方。副安裝場排沙洞共1條,位于副安裝場下部。電站壩段(1#排沙洞)、副安裝場(2#排沙洞)排沙洞的進口均設有事故閘門,出口均設有工作閘門,在工作閘門的下游側各設1道檢修閘門,1#、2#排沙洞共用2套檢修閘門,閘門平時存放于門庫中。排沙系統不運行時,出口工作閘門和進口事故閘門均為關閉狀態,需要運行時,先將進口事故閘門提出孔口,排沙洞內充滿水后,再開啟出口工作閘門,放水沖沙。1#排沙洞進口事故閘門由電站2×1250kN雙向門機通過排沙洞進口事故閘門液壓抓梁操作,2#排沙洞進口事故閘門由電站2×1250kN雙向門機單鉤通過拉桿操作。1#、2#排沙洞出口工作閘門、檢修閘門均由電站尾水2×630kN雙向門機單鉤通過拉桿操作。

1#排沙洞進口事故閘門為5.9m×4.0m-38.52m平板定輪閘門。事故閘門作為永久設備共設8套。閘門利用水柱動水閉門,靜水啟門。在事故閘門門槽吊耳高度處內設沖砂管,開啟閘門前,可先用高壓水沖沙后啟門。閘門可由鎖錠梁鎖定于門槽頂部。事故閘門由2×1250kN電站壩頂門機通過2×1250kN液壓自動抓梁操作。2#排沙洞進口事故閘門為3.0m×3.0m-38.52m平板定輪閘門。事故閘門作為永久設備共設1套。閘門動水閉門,靜水啟門。事故閘門由2×1250kN電站壩頂門機單鉤通過拉桿啟閉。閘門啟閉后可將拉桿鎖定于門槽頂部。

1#、2#排沙洞出口工作閘門均為1.9m×1.9m-44.52m平板定輪閘門。1#出口工作閘門作為永久設備共設8套,2#工作閘門作為永久設備共設1套。閘門動水啟閉。閘門由2×630kN電站尾水門機通過拉桿操作。拉桿設有擺叉式鎖錠梁,閘門啟閉后可將拉桿鎖定于閘門槽頂部。

排沙洞出口門槽處水流速度較高,門槽段邊界突變,將產生局部壓降,形成空穴現象,導致空蝕破壞。為防止門槽下游產生負壓,采用1∶10斜坡錯距式門槽。底坎用鋼埋件加寬襯護。

1#、2#排沙洞出口尺寸相同,共用2套檢修閘門,檢修閘門為1.9m×1.9m-11.72(10.72)m平板滑動閘門。閘門靜水啟閉。閘門由2×630kN電站尾水門機通過拉桿操作。拉桿設有擺叉式鎖錠,閘門啟閉后可將拉桿鎖定于門槽頂部。

5 左、右岸取水口金屬結構設備

5.1 左岸取水口金屬結構設備

左岸取水口位于龍口水利樞紐工程左岸壩肩,共1孔。取水口沿水流方向依次設有攔污柵柵槽、檢修閘門門槽、工作閘門門槽,分別設有攔污柵、檢修閘門、工作閘門各1套及啟閉設備100kN固定電動葫蘆2臺、160kN液壓啟閉機1臺。考慮到此取水口目前還未啟用,故只安裝門槽及柵槽,攔污柵、閘門、啟閉機均未安裝,待下一步需要時再安裝。攔污柵、檢修閘門、工作閘門底檻高程均為886.00m,詳見圖4。

取水口4.3 m×2.92m-2m攔污柵為潛孔型式布置,共1套。攔污柵通過拉桿由100kN電動葫蘆操作,人工清污。取水口1.8m×2.22m-12m檢修閘門,由100kN電動葫蘆啟閉。閘門平時不使用時,可由電動葫蘆提出孔口后,鎖定在閘門井頂部。

取水口1.8m×2m-12m工作閘門潛孔式平板定輪鋼閘門,動水啟閉。閘門由160kN液壓啟閉機通過拉桿啟閉。閘門可以根據引水控制流量要求,調節開度。

電動葫蘆為現地控制,液壓啟閉機設開度顯示儀與負荷限制器,可現地控制,也可在龍口電站中控室控制。

5.2 右岸取水口金屬結構設備

右岸取水口位于龍口水利樞紐工程右岸,共2孔。取水口沿水流方向依次設有攔污柵柵槽、檢修閘門門槽,分別設有2套攔污柵和1套檢修閘門。攔污柵和檢修閘門均通過拉桿由壩頂1600kN雙向門機操作。攔污柵和檢修閘門底檻高程均為880.00m。

取水口2m×2m-2m攔污柵為潛孔型式布置,共1套。攔污柵由底孔、表孔共用1600kN雙向門機將攔污柵提出孔口后,人工清污。

取水口2m×2m-18.52m檢修閘門,為潛孔式平板定輪鋼閘門。當取水口引水洞后部的蝶閥需要檢修時,檢修閘門可以由壩頂1600kN雙向門機操作。閘門的操作條件為靜水啟閉。檢修閘門平時通過拉桿鎖定在閘孔頂部。閘門鎖定在閘門井頂部時,應保證閘門底緣不阻水。

6 結 語

龍口電站除左岸取水口外,土建工程、金屬結構設備已經全部施工完畢,并投入運行,所有金屬結構設備運行良好。

任何一項設計都是一個總結和提高的過程,龍口電站金屬結構設計也不例外,在總結經驗的基礎上,探索新的做法,再結合具體要求,綜合比較,使金屬結構的布置更合理,使設計的閘門不僅安全可靠,而且更方便實用。