蓋下壩水電站金屬結構設計

李大偉，趙玉霞，馬會全，溫占營

（1.中水東北勘測設計研究有限責任公司 ,吉林 長春 130021；2.中國水電顧問集團北京勘測設計研究院 ,北京 100024；3.遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司 ,遼寧 丹東 118200）

1 概述

蓋下壩水電站位于重慶市云陽縣和奉節縣境內的長江一級支流長灘河中上游河段，蓋下壩水電站開發的主要任務是發電。水庫總庫容3.54×108m3，電站裝機容量120 MW。

蓋下壩水電站金屬結構設備主要布置在泄洪系統、引水發電系統和施工導流系統等部位。金屬結構設備共有閘門（含攔污柵）9扇，埋設件10孔，啟閉設備8臺（套），以及與金屬結構設備有關的附屬件等。

2 泄洪系統

泄洪系統設有3個泄洪表孔，孔口尺寸為12.0 m×14.0 m（寬×高，下同），每孔均設1扇工作閘門用于控制泄洪，為滿足工作閘門及其門槽檢修的要求，一般應在泄洪表孔工作閘門的上游側設置檢修閘門，結合該工程的具體情況，通過對水文規劃資料的分析,水庫46年中水位低于堰頂高程連續2個月的概率有42年，且在每年2、3月份，該地區在此時期氣溫符合閘門檢修要求，故經論證泄洪表孔工作閘門前不設檢修閘門，不但節約了金屬結構設備投資，同時還縮短了閘墩的長度也節省了土建工程量。

泄洪表孔工作閘門型式通常有平面定輪工作閘門和弧形工作閘門兩種型式，根據該工程泄洪要求，該閘門有局部開啟要求。因此經技術經濟比較后采用弧形閘門。

弧形工作閘門啟閉設備比較了液壓啟閉機和弧門固定卷揚啟閉機兩種型式。液壓啟閉機可以布置在閘墩側面，總體布置上整齊、美觀，且較固定卷揚啟閉機易實現可靠的遠程信號傳輸及閘門控制，而弧門固定卷揚啟閉機布置上需要在閘墩之間設置啟閉機排架，增加了土建工程量，實現遠程控制的制約因素也較多。雖然液壓啟閉機造價較弧門固定卷揚啟閉機略高，但節省了土建工程量。經綜合比較后選定液壓啟閉機做為弧形工作閘門的啟閉設備。根據設備布置和啟閉力計算該弧形工作閘門，采用2×1600 kN后拉式液壓啟閉機操作，液壓啟閉機吊點分別布置在弧門下主梁兩端。3臺液壓啟閉機分別設3套獨立泵站，液壓機泵站布置在394.00 m高程的閘墩上，1臺液壓機設1套泵站，每個泵站均設兩套互為備用的油泵電機組。

水庫調度原則為正常蓄水位啟門泄洪，因此閘門按正常蓄水位392.00 m設計，泄洪表孔堰頂高程379.00 m，弧形工作閘門設計水頭為14.00 m，門頂超高取0.5 m，閘門支鉸布置在387.00 m高程，操作方式為動水啟閉，局部開啟泄水時，如出現振動區應避開運行。

弧形工作閘門主受力框架結構為鋼板焊接結構，閘門主體材料為Q345-B，采用兩個主橫梁斜支臂支撐。主橫梁及支臂均為焊接組合結構，主橫梁橫截面為工字形，支臂橫截面為箱形，弧門面板外緣曲率半徑為15 m。弧形工作閘門按國家運輸界限的有關規定，門葉按5個單元分節設計制造運輸，工地焊接拼為整體?；⌒喂ぷ鏖l門支鉸軸承選用新型自潤滑關節軸承，關節軸承較相同直徑的圓柱面滑動軸承具有很高的比壓，避免了軸承在受到較大壓力時由于圓柱面滑動軸承允許壓力較低，而需要人為加大支鉸軸直徑導致弧形閘門支鉸裝置過大問題。選用新型自潤滑關節軸承另一大優點是允許徑向有少量偏角，因此具有自動調心的功能，能補償弧形閘門制造及安裝產生的部分偏差，能降低閘門在運行過程中可能出現的閘門門葉結構卡、阻現象及避免出現較大邊緣軸承剪應力。

3 引水發電系統

引水發電系統由進水口和廠房尾水兩個部位組成。 進水口設攔污柵和平面事故檢修閘門及其啟閉設備。尾水設一道檢修閘門及其啟閉設備。

3.1 進水口攔污柵及啟閉機

為了攔截污物，保證機組的正常運行，在引水隧洞進水口前端設有一道兩孔活動式直立攔污柵，攔污柵孔口尺寸為5.0 m×9.0 m，設計水頭差取為4 m，底坎高程為341.00 m，檢修及清污平臺高程為394.50 m，攔污柵清污方式通過調查了解庫區多為植被較好的山區，基本無規模以上人口聚集區因此生活垃圾極少，另外調研了近幾年該地區已建成運行的水電站，僅在蓄水初期存在少量樹枝、灌木堆積在攔污柵前，且未對攔污柵使用產生實質性影響。因此經分析認為該電站設置永久清污設備的必要性不大，最終采用投資較少且相對簡單的提柵清污方式。

進水口共設攔污柵2扇，因數量較少宜采用固定卷揚式啟閉機一柵一機布置方式。攔污柵要求在靜水中啟閉，根據柵體自重（含拉桿）和附著在柵體上污物重量并參考啟閉機啟閉力系列標準確定啟閉機容量，經計算采用QP-1×250 kN固定卷揚式啟閉機操作?？紤]到攔污柵應能整體提出檢修及清污，因此啟閉機布置在406.50 m高程平臺上。

攔污柵長年處于孔口位置，因此啟閉機鋼絲繩長期處于水中，水面處鋼絲繩經常處水與空氣兩種交替狀態極易發生銹蝕，即使采用不銹鋼鋼絲繩由于電離的化學作用也不能完全避免。為解決這一問題在攔污柵與啟閉機吊具間采用拉桿連接，拉桿頂部伸出清污平臺并且鎖定在此平臺上。此連接方式不利之處在于提柵清污或攔污柵需要檢修維護時，需多次拆卸拉桿才能將攔污柵提出孔口，但考慮到工程正常運行后，提柵工況極少，操作上還是可以接受的。

進水口攔污柵為框架直立式板梁焊接結構，攔污柵主體材料為Q235-B，按國家運輸界限的有關規定分3節設計制造運輸，攔污柵節間采用銷軸配合連接板活動連接，以便提柵清污和檢修維護時方便拆卸，攔污柵主反支、承均采用鑄鐵滑塊。

3.2 進水口平面事故檢修閘門及啟閉機

該水電站為引水式開發方式，引水隧洞較長，從分析上看，當引水隧洞較長時，在引水隧洞進水口設事故閘門較為有利，比較靈活可靠，一旦引水隧洞及機組前蝶閥發生事故，事故閘門可作為安全備用閘門。因此要求閘門能夠動水關閉孔口截斷水流，起到事故保護和防止事故擴大的作用。引水隧洞及機組前蝶閥日常維護檢修時，事故閘門可在靜水中啟閉。綜合考慮該閘門的使用工況，操作要求按動水閉門靜水啟門確定。因此在攔污柵下游側設有一道事故檢修閘門。事故檢修閘門孔口尺寸為4.5 m×5.6 m，閘門底坎高程為341.00 m，閘門檢修平臺高程為394.50 m。閘門按正常蓄水位392.00 m設計，設計水頭為51 m。經計算閘門動水閉門時，閘門自重不足以克服水壓力產生的摩阻力閉門截斷水流，設計上經常采取2種方式解決，第一種利用閘門井形成頂主梁水柱壓力從而動水閉門，這樣閘門需要設成下游止水且面板應位于上游側，在這種情況下閘門井內無論閘門是否處于擋水狀態，閘門井始終處于有水狀態，須在閘門槽下游側另設通氣孔并在其中設置從閘門檢修平臺至引水隧洞的爬梯。由于閘門頂主梁水柱壓力的存在，作用在閘門上的持住力較大所需啟閉機容量相對較高。第二種是在閘門門葉內加足夠的混凝土或鑄鐵配重，最后選擇在門葉梁格內放置鑄鐵加重塊，以此滿足動水閉門的要求，此時閘門可以采用上游止水，閘門井可兼做通氣孔并設置從檢修平臺至閘門井底部的爬梯。結合本工程的具體情況，經綜合分析比較后閘門選定第二種方式設計。為滿足閘門靜水啟門的要求，閘門采用節間充水，當閘門前后水壓差小于規定的數值后靜水啟門。該事故閘門為1孔1扇，宜選用固定卷揚式啟閉機操作一門一機方式布置。根據閘門各工況下的啟閉力計算成果，啟閉設備選用1×1250 kN高揚程固定卷揚式啟閉機。閘門平時可鎖定在閘門檢修平臺，因此不存在啟閉機鋼絲繩長期泡水的問題，可采用高揚程啟閉機與閘門直接連接方式，避免了拆裝拉桿的麻煩。啟閉機安裝高程根據閘門高度，啟閉機上極限及閘門吊出檢修平臺的富?？臻g確定，啟閉機布置在405.50 m高程的平臺上。

事故檢修閘門為焊接結構，閘門主體材料為Q345-B，主橫梁采用工字型實腹等截面焊接鋼梁，閘門主支承采用偏心軸定輪，以便在工地安裝時，能根據閘門制安和埋件安裝質量情況，調整各主輪踏面高度，使各主輪踏面盡量在同一平面內。門葉按國家運輸界限有關規定分上、下2節制造及運輸，在工地節間采用銷軸配合連接板活動連接以滿足節間充水要求。閘門面板布置在上游側，閘門止水方式采用上游止水。

3.3 廠房尾水檢修閘門及啟閉機

在廠房尾水處設一道檢修閘門，3孔2扇。因此必須設置移動式啟閉機，以滿足閘門轉運的要求。尾水閘門功能是當機組檢修、維護時，擋下游尾水所以屬檢修閘門，靜水啟閉即可。為滿足發電初期機組安裝要求，須另增設1扇臨時尾水管封堵悶頭，機組安裝完成后割除。啟門時，利用機組旁通管充水平壓，靜水提門水頭差要求不大于1.0 m。閘門的啟閉設備選用2×63 kN單向門式啟閉機，配自動抓梁操作。啟閉機布置在218.00 m尾水檢修平臺上。

閘門孔口尺寸為3.58 m×2.39 m，綜合考慮施工期及電站運行期工況，閘門擋水位按設計尾水位210.04 m（P=2%）設計，閘門底坎高程為196.45 m，設計水頭為15.0 m。該閘門為焊接結構，雙吊點，閘門主體材料為Q235-B，采用橫梁式工字型實腹等截面焊接鋼梁，閘門采用鑄鐵滑塊支撐，閘門尺寸較小門葉可整體制造運輸。閘門面板布置在廠房側，止水方式采用廠房側止水。

4 施工導流系統

在導流洞進口設1扇平面滑動工作閘門，用于水庫蓄水時下門截斷水流。導流閘門孔口尺寸為8.0 m×7.22 m，底坎高程為270.00 m，根據工程蓄水進度計劃和導流洞封堵時間安排，導流閘門最終擋水位按正常蓄水水位392.00設計，導流閘門的設計水頭高達124 m。

導流閘門動水下閘水位為272.40 m，導流閘門動水閉門水頭2.4 m，經復核閘門自重能夠滿足動水關門要求。

導流閘門下閘蓄水后，一旦出現不可預測的情況，應能及時動水提門，終止水庫蓄水。因此閘門考慮蓄水下閘蓄水后，24 h庫水位287.70 m作為閘門動水啟門水位，動水啟門計算水頭18 m。閘門安裝平臺高程282.0 m也參考此水位確定。閘門采用1臺固定卷揚機操作，經計算啟閉容量為2×1600 kN。啟閉機安裝高程考慮蓄水后啟閉機拆除時間及閘門現場拼接空間確定，最終按下閘后72 h庫水位并考慮一定的超高，確定為296.0 m。為保證導流閘門下閘后其啟閉機能夠及時拆除回收，啟閉機與閘門間設短拉桿連接，且在閘門完全關閉后，短拉桿可在閘門安裝平臺（高程282.0 m）鎖定，以便啟閉機拆除時其吊具能及時與拉桿分離，而不至于破壞吊具，使啟閉機能安全撤離。

該閘門為焊接結構，雙吊點，閘門主體材料為Q345-B，采用橫梁式工字型實腹變截面焊接主梁，閘門主支承采用高強度銅基鑲嵌鋼背復合材料滑道，按國家運輸界限有關規定分3節制造及運輸，到達工地后在282.0 m高程平臺焊接拼成整體。閘門面板布置在下游側，止水方式采用下游止水。