蒲石河抽水蓄能電站工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計

李大偉，刁彥斌，馬會全，葛光錄

（中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130021）

1 電站概況

蒲石河抽水蓄能電站位于遼寧省寬甸滿族自治縣境內(nèi)，距丹東市約60 km，是我國東北地區(qū)在建的第一座大型純抽水蓄能電站。電站總裝機(jī)容量為1 200 MW，單機(jī)容量為300 MW，共4臺機(jī)組。

蒲石河抽水蓄能電站金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計包括上、下水庫及尾閘室3大部分，金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備布置在上、下水庫進(jìn)／出水口、尾閘室、上、下水庫導(dǎo)流系統(tǒng)、下水庫泄洪排沙閘、下水庫引水壩段進(jìn)水口等部位。共設(shè)有閘門23扇，攔污柵12扇，埋設(shè)件37孔、各種啟閉設(shè)備18臺/套。

2 上水庫進(jìn)／出水口

上水庫設(shè)有兩條引水隧洞，為攔截污物，在其進(jìn)、出口處分別設(shè)2孔2扇直立固定式攔污柵。在攔污柵后 （發(fā)電方向）設(shè)有2孔2扇平面定輪事故閘門，供閘后隧洞和壓力鋼管出現(xiàn)事故時使用，各采用1臺1×2 500 kN液壓啟閉機(jī)操作。

2.1 上水庫進(jìn)／出水口攔污柵

攔污柵為半固定式，潛孔式，孔口尺寸為7.5 m×16 m，底坎高程為341.50 m，考慮到抽水蓄能電站攔污柵雙向過水的特殊性，設(shè)計水頭差采用5 m，柵條凈距為160 mm，采用彈性滑塊支撐。攔污柵靜水啟閉，清污方式為人工清污，利用臨時起吊設(shè)備安裝及操作。攔污柵與柵槽之間采用楔型配合，柵槽主軌為鉛垂布置，反軌為斜度1∶100的斜面布置，柵體反向滑塊工作面為1∶100的斜面，主滑塊工作面為鉛垂面。

鑒于攔污柵處于抽水和發(fā)電兩種工況，其水流方向交替變化，水流條件復(fù)雜，因此攔污柵進(jìn)行了整體水彈性模型試驗及有限元分析，靜力和動力分析成果表明攔污柵設(shè)計滿足工程運(yùn)行要求。

2.2 上水庫進(jìn)／出水口事故閘門及啟閉機(jī)

事故閘門孔口尺寸為7.5 m×8.1 m，閘門底坎高程為341.50 m，按正常蓄水位392.00 m設(shè)計，擋水水頭為52 m，閘門操作方式為動水閉門、靜水啟門，節(jié)間充水平壓，啟門時水頭差不大于5 m，每扇事故閘門各由1臺1×2 500 kN液壓啟閉機(jī)配拉桿操作，每臺液壓啟閉機(jī)設(shè)置一個泵站，泵站布置在高程418.80 m的平臺上。液壓啟閉機(jī)電氣控制具備現(xiàn)地、遠(yuǎn)方 “手動”和 “自動”控制功能，并能全時顯示閘門開度?；钊麠U每次運(yùn)行至上、下限極限位置時，行程控制裝置能夠發(fā)出停機(jī)報警信號并自動停機(jī)。

閘門沿高度方向分3節(jié)制造、運(yùn)輸，下兩節(jié)閘門在工地焊成整體，上、下兩節(jié)之間采用帶橢圓孔的活動連接板、銷軸連接。閘門主要材料為Q345B，門葉結(jié)構(gòu)為主橫梁、面板、小梁焊接結(jié)構(gòu)。閘門止水布置在上游面板側(cè)，頂、側(cè)止水為 “P”形橡塑止水，底止水為 “Ⅰ”形橡皮。

3 下水庫

下水庫進(jìn)/出水口位于蒲石河左岸黃草溝溝口右側(cè)。為攔截污物，在隧洞前沿設(shè)置4孔4扇直立式活動攔污柵，采用2×400 kN單向門機(jī)操作。在攔污柵上游 （按發(fā)電水流方向）設(shè)有2孔2扇平面檢修閘門，供隧洞、尾水事故閥門及其門槽埋件檢修時使用，采用2臺1 250 kN固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)操作。

下水庫大壩4～11號壩段為泄洪排沙閘壩段，上設(shè)有7孔泄洪排沙閘，每孔設(shè)1扇弧形工作閘門，采用2×2 000 kN液壓啟閉機(jī)操作，為滿足冰凍期水庫放流要求，7孔弧形閘門埋件中1孔設(shè)為加熱埋件。在泄洪排沙閘弧形工作閘門的上游設(shè)1孔平面滑動檢修閘門，7孔共用1扇閘門，用于弧門及其埋件的檢修和維護(hù)，檢修閘門采用2×1 600 kN單向門機(jī)配自動抓梁操作。

下水庫大壩16、17號壩段為引水壩段，每個壩段布置2個進(jìn)水口，為攔截污物，在每個進(jìn)水口前沿設(shè)1扇固定式攔污柵，共4扇。在攔污柵下游設(shè)有1道檢修閘門槽，4孔設(shè)4扇平面檢修閘門，供機(jī)組檢修及施工期擋水時使用。攔污柵、檢修閘門均采用臨時啟吊設(shè)備操作。

3.1 下水庫進(jìn)／出水口攔污柵及啟閉機(jī)

下水庫進(jìn)/出水口攔污柵為潛孔式，孔口尺寸為7.5 m×16 m （寬 高，下同），底檻高程為43.5 m，設(shè)計水頭差為5 m，柵條凈距為160 mm。其柵葉結(jié)構(gòu)及埋件結(jié)構(gòu)形式與上水庫進(jìn)/出水口攔污柵均相同。攔污柵利用位于67.00 m檢修平臺上設(shè)置的2×400 kN單向門式啟閉機(jī)配機(jī)械自動抓梁操作。

3.2 下水庫進(jìn)／出水口及啟閉機(jī)

下水庫進(jìn)出水口檢修閘門孔口尺寸為4.9 m×11.5 m，閘門底檻高程為43.50 m，按正常蓄水位66.00 m設(shè)計，擋水水頭為23 m，閘門操作方式為靜水啟閉，節(jié)間充水平壓，啟門時水頭差不大于5 m。閘門門葉結(jié)構(gòu)為主橫梁、面板、小梁焊接結(jié)構(gòu)，單吊點(diǎn)，沿高度方向分4節(jié)制造、運(yùn)輸，下3節(jié)閘門在工地焊成整體，上、下兩節(jié)之間采用帶橢圓孔的活動連接板、銷軸連接。閘門，頂、側(cè)止水為“P”形止水，底止水為 “Ⅰ”形橡皮。閘門主支撐采用為滑道支承。

下水庫進(jìn)出水口檢修閘門采用1 250 kN固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)操作，起升高度為28 m，工作級別為Q2-輕。

3.3 下水庫泄洪排沙閘弧形工作閘門及啟閉機(jī)

下水庫泄洪排沙閘弧形工作閘門為露頂式，孔口尺寸14 m×19 m，閘門底檻高程為47.412 m，按正常蓄水位66.00 m設(shè)計，設(shè)計水頭為18.588 m，閘門為3主橫梁斜支腿π型框架結(jié)構(gòu)，面板外緣半徑為21 m，支鉸中心距離為12.4 m，閘門為雙吊點(diǎn)，吊點(diǎn)設(shè)在下主橫梁懸臂端上，吊點(diǎn)間距13 m，側(cè)導(dǎo)向簡支式滾輪。門葉分7個制造運(yùn)輸單元，節(jié)間工地焊接，支腿分3個制造運(yùn)輸單元，工地焊接。

泄洪排沙閘弧形工作閘門由2×2 000 kN液壓啟閉機(jī)操作，每臺液壓啟閉機(jī)設(shè)置一個泵站，泵站布置在高程70.10 m的平臺上。電氣控制設(shè)備具備現(xiàn)地、遠(yuǎn)方 “手動”和 “自動”控制功能，泵站內(nèi)設(shè)置備用泵，一旦液壓系統(tǒng)的工作泵發(fā)生故障，備用泵能自動啟動，代替工作泵完成其余工作?；钊麠U每次運(yùn)行至上、下限極限位置時，行程控制裝置能夠發(fā)出停機(jī)信號和開度顯示。設(shè)備除具有兩吊點(diǎn)不同步偏差超限保護(hù)及報警等功能，還具有手動分步操作和一次指令完成啟門或閉門操作的功能，并能實現(xiàn)閘門啟閉過程中各種工況參數(shù)的自動監(jiān)測、顯示以及各種故障狀態(tài)的聲光報警。

為滿足冰凍期水庫泄洪要求，泄洪排沙閘弧形工作閘門設(shè)一套加熱泵站及埋件，其中采用了中水東北公司的保障露頂弧門冬季運(yùn)行的融冰專利技術(shù)，保證下水庫冬季泄洪安全。當(dāng)環(huán)境溫度低于0℃，弧門埋件表面開始結(jié)冰且弧門需要運(yùn)行時加熱系統(tǒng)投入工作，先將油箱內(nèi)的導(dǎo)熱油加熱至80±5℃并維持此溫度，當(dāng)埋件需要加熱時，油泵電機(jī)組啟動，熱油分兩路經(jīng)節(jié)流閥通向兩側(cè)埋件。

3.4 下水庫泄洪排沙閘檢修閘門及啟閉機(jī)

在泄洪排沙閘弧形工作閘門的上游側(cè)設(shè)孔口尺寸為14 m×19 m平面滑動檢修閘門，7孔共用1扇閘門，用于弧門及其埋件的檢修維護(hù)，閘門底坎高程為47.621 m，節(jié)間充水平壓，上節(jié)閘門動水啟門，整扇閘門靜水啟閉。

檢修閘門按正常蓄水位66.00 m設(shè)計，閘門沿高度方向分7節(jié)設(shè)計制造、運(yùn)輸。下5節(jié)工地焊成整體，為下節(jié)，上兩節(jié)工地焊成整體，為上節(jié)，上下兩節(jié)之間采用帶橢圓孔的活動連接板、銷軸連接。門葉為主橫梁、面板、小梁焊接結(jié)構(gòu)。閘門止水布置在下游面板側(cè)，側(cè)止水為 “P”型橡皮，底止水為“Ⅰ”型橡皮。檢修閘門由一臺2×1 600 kN單向移動式啟閉機(jī)配自動抓梁操作。啟閉機(jī)現(xiàn)地操作，起升和運(yùn)行機(jī)構(gòu)不同時工作。整體啟吊檢修閘門，但分節(jié)運(yùn)輸以降低門機(jī)軌上揚(yáng)程，回轉(zhuǎn)吊用于弧門及其附屬設(shè)備的檢修與維護(hù)。啟閉機(jī)上裝有帶數(shù)碼顯示儀表的高度限制器、過負(fù)荷裝置、風(fēng)速儀等安全措施。配一套液壓自動抓梁，用來操作下水庫泄洪排沙閘平面滑動檢修閘門。

3.5 下水庫引水壩段閘門及攔污柵

引水壩段設(shè)2臺2 000 kW大機(jī)組及2臺600 kW小機(jī)組，為攔截污物，在每一引水壩段進(jìn)口處各設(shè)1扇固定式攔污柵。在攔污柵下游側(cè)，各設(shè)有1孔平面檢修閘門，供機(jī)組檢修及施工期、擋水時使用。攔污柵、檢修閘門均采用臨時啟吊設(shè)備。

大機(jī)組檢修閘門孔口尺寸為2.4 m×2.4 m，小機(jī)組檢修閘門孔口尺寸為1.4 m×1.4 m，閘門底坎高程均為53.80 m，均按正常蓄水位66.00 m設(shè)計，擋水水頭均為13 m，閘門操作方式為靜水啟閉，大機(jī)組檢修閘門采用節(jié)間充水平壓，小機(jī)組檢修閘門小開度充水平壓，均采用臨時起吊設(shè)備配拉桿操作。大機(jī)組檢修閘門分兩節(jié)制造、運(yùn)輸，上、下兩節(jié)之間采用帶橢圓孔的活動連接板、銷軸連接。小機(jī)組檢修閘門整扇制造、運(yùn)輸。

攔污柵為潛孔式，孔口尺寸分別為2.3 m×2.0 m及3.4 m×4.4 m，底坎高程分別為53.8 m和52.8 m，設(shè)計水頭差均為4 m，柵條凈距均為50 mm。大機(jī)組攔污柵沿高度方向分2節(jié)制造，運(yùn)輸，工地焊成整體。小機(jī)組攔污柵整體制作運(yùn)輸。

4 尾閘室事故閘門及啟閉機(jī)

尾閘室位于廠房下游側(cè)，尾閘室內(nèi)布置尾水高壓閘閥，距機(jī)組中心線82.8 m，4條尾水支洞在其下部通過，每條支洞分設(shè)一扇高壓閘閥及全封閉門槽，以保護(hù)機(jī)組安全運(yùn)行及機(jī)組檢修時防止尾水倒灌廠房。

尾水高壓閘閥采用630 kN/800 kN液壓機(jī)操作，動水閉門，設(shè)置旁通閥管路系統(tǒng)充水平壓。靜水啟門，啟門時閘門上下游水頭差不大于5 m，設(shè)置自動充、排氣閥管路以保障機(jī)組充水及運(yùn)行時對尾水管內(nèi)氣體進(jìn)行處理，液壓機(jī)布置在高壓閘閥全封閉門槽的頂蓋上。在尾閘室頂拱處設(shè)一臺800 kN/200 kN橋式起重機(jī)，用于高壓閘閥及其操作設(shè)備的安裝及檢修。

高壓閘閥及其全封閉門槽設(shè)計工況比較復(fù)雜，閘門設(shè)計荷載考慮運(yùn)行工況組合及涌浪的影響，最終按其最不利荷載組合進(jìn)行設(shè)計及設(shè)備選型。

高壓閘閥為平面定輪閘門，門葉為焊接結(jié)構(gòu)，單吊點(diǎn)，門葉分2個制造運(yùn)輸單元。主支承采用簡支式定輪，為保證工地的安裝精度，主輪軸采用偏心軸。反向支承結(jié)合泄壓裝置一并考慮，使用彈簧鋼板作為反向支承，一旦機(jī)組前球閥發(fā)生意外滲漏事故，高壓閘閥能在上水庫高水壓作用下，彈簧鋼板產(chǎn)生變形，使門葉下游推移20～30 mm，從而使閘門止水脫開，避免承受上水庫過高的水壓力，同時閘門吊耳軸水沿水流方向布置，并能少量移動，以避免閘門在水壓作用下的變形及位移對液壓機(jī)活塞桿的不利的彎折破壞。

高壓閘閥為全封閉門槽，底板高程為－14 m，總高度為13 m，門槽由中心向上庫側(cè)布置長度為5.05 m，向下庫側(cè)布置長度為7.45 m。門槽埋件有較高的強(qiáng)度、剛度和密封要求。主要由底坎、前后門槽鎧裝、腰箱、腰箱頂蓋等構(gòu)件組成。各件在工地使用螺栓拼接就位后，拼接縫封水焊接。高壓閥門門槽全部用鋼板鑲護(hù)，并與一期預(yù)埋件焊成一體，以防止門槽內(nèi)混凝土滲水。

每扇尾閘事故閘門由單缸液壓啟閉機(jī)操作啟閉。油缸布置在尾閘室事故閘門液壓啟閉機(jī)平臺上，通過液壓啟閉機(jī)支架垂直安裝固定在液壓啟閉機(jī)平臺上。液壓啟閉機(jī)上端通過油缸上的法蘭固定在液壓啟閉機(jī)支架的底座上，液壓啟閉機(jī)下吊頭與事故閘門連接。

5 結(jié)語

蒲石河抽水蓄能電站原設(shè)計上水庫進(jìn)/出水口的4扇活動攔污柵共用1臺單向門機(jī)，作為攔污柵檢修維護(hù)的永久啟吊設(shè)備。后在施工設(shè)計時，根據(jù)已建和在建抽水蓄能電站的運(yùn)行情況，取消了攔污柵永久啟閉設(shè)備，同時降低了攔污柵墩和埋件高度，節(jié)省了部分投資。

在解決了工程存在的設(shè)計難題的同時，也存在許多不足，如下庫進(jìn)/出水口檢修閘門采用了節(jié)間充水的方式，盡管能滿足工程的運(yùn)行要求，但在尾水洞充水試驗工況情況下，上節(jié)門葉不能夠動水關(guān)閉、充水過程可控性較差，且充水量不易控制。在設(shè)計過程中還有許多需要改進(jìn)的地方。