庫什塔依水電站金屬結(jié)構(gòu)的布置與設(shè)計(jì)

張廣川

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

庫什塔依水電站金屬結(jié)構(gòu)的布置與設(shè)計(jì)

張廣川

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

庫什塔依水電站是庫克蘇河上第4級(jí)的水電站，該電站裝機(jī)100MW，為Ⅱ等大（2）型工程，金屬結(jié)構(gòu)主要包括平面閘門、弧形閘門、攔污柵及液壓?jiǎn)㈤]機(jī)、固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)等設(shè)備。這些設(shè)備布置在水工建筑物上，分別擔(dān)任電站的泄洪和發(fā)電任務(wù)，保證工程的順利進(jìn)行。本文主要介紹該電站的工程概況及金屬結(jié)構(gòu)的布置和設(shè)計(jì)。

庫什塔依水電站；金屬結(jié)構(gòu)；閘門；啟閉機(jī)

1 工程概況

庫什塔依水電站工程位于新疆維吾爾自治區(qū)伊犁州直屬（以下簡(jiǎn)稱“伊犁地區(qū)”）的特克斯縣境內(nèi)，是新疆伊犁河流域庫克蘇河水力發(fā)電規(guī)劃“2庫5級(jí)”中的第4級(jí)水電站，為推薦的近期開發(fā)工程，開發(fā)任務(wù)是發(fā)電。工程壩址距該河與特克斯河匯合口18.36km，距特克斯縣20km，距伊寧市139km，距烏魯木齊市831km，壩址處地理坐標(biāo)為東經(jīng)81°53′，北緯43°07′。工程等別為Ⅱ等大（2）型工程，采用堤壩式開發(fā)，由攔河大壩、表孔溢洪洞、導(dǎo)流兼泄洪洞、發(fā)電引水洞及電站廠房等組成。最大壩高91.1m，水庫總庫容1.59億m3，水庫正常蓄水位1305m，死水位1285m，調(diào)節(jié)庫容0.74億m3，具有季調(diào)節(jié)性能；電站裝機(jī)容量100MW，保證出力9.9MW，多年平均年發(fā)電量3.50億kW·h，電站建成后向北疆電網(wǎng)供電。

2 金屬結(jié)構(gòu)布置與設(shè)計(jì)

庫什塔依水電站的金屬結(jié)構(gòu)主要分布在泄洪系統(tǒng)和引水發(fā)電系統(tǒng)上。

2.1 泄洪系統(tǒng)閘門及啟閉機(jī)

泄洪系統(tǒng)由表孔溢洪洞和導(dǎo)流兼泄洪洞組成，表孔溢洪洞和導(dǎo)流兼泄洪洞位于樞紐右岸。表孔溢洪洞控制段堰頂高程1296.50m，閘頂平臺(tái)高程1307.60m。采用“WES”實(shí)用堰型，共1孔，最大下泄流量為846.84m3/s。根據(jù)水庫運(yùn)行方式，庫水位無足夠的連續(xù)時(shí)間低于底檻，故設(shè)一道檢修閘門和一道工作閘門。導(dǎo)流兼泄洪洞為有壓洞，前期作為導(dǎo)流洞，后期承擔(dān)泄洪任務(wù)，并且保證發(fā)電洞進(jìn)口的“門前清”。進(jìn)口底板高程1229.00m，閘井內(nèi)設(shè)一道事故閘門，出口底板高程1225.00m，閘井內(nèi)一道工作閘門。該洞最大下泄流量為599.85m3/s。

2.1.1 表孔溢洪洞閘門及啟閉機(jī)

檢修閘門∶設(shè)在溢流堰前沿，孔口尺寸12m×10.5m（寬×門高，下同），設(shè)計(jì)水頭10m。閘底板高程1295.00m。閘門采用下游面板，下游封水，底水封設(shè)在下游面板底端，支承在溢流堰前沿底水封座板上。側(cè)向采用輪徑為φ300mm的導(dǎo)向側(cè)輪擋動(dòng)。閘門門葉結(jié)構(gòu)材料采用Q345C，閘門為雙吊點(diǎn)，吊點(diǎn)距為7.78m；底側(cè)水封為P60橡皮，橡皮予壓3mm。閘門靜水閉門，門頂設(shè)直徑為φ250mm、行程為210mm的充水閥，充水閥與啟閉機(jī)聯(lián)動(dòng)，啟門前打開充水閥充水平壓后水壓差不超過1m時(shí)靜水啟門。該檢修閘門采用QP2×400kN-15m的固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)操作，啟閉機(jī)安裝在閘頂平臺(tái)以上1322.00m高程的閘房?jī)?nèi)。

工作閘門∶孔口尺寸為12m×9.2m，設(shè)計(jì)水頭8.7m，考慮到弧形閘門無門槽，具有較好的水力學(xué)條件，故設(shè)1扇弧形鋼閘門。閘門設(shè)在堰頂下游0.2m處，底檻高程為1296.30m，根據(jù)風(fēng)浪爬高確定門葉超高為0.5m；閘門門葉采用雙主橫梁斜支臂結(jié)構(gòu)；綜合研究閘門結(jié)構(gòu)和啟閉設(shè)備的布置要求，取弧門面板曲率半徑為11m，與閘門高度的比值為1.2，主橫梁與支臂的單位剛度比為4.53，根據(jù)溢洪道堰頂校核洪水位水面曲線及宣泄校核洪水不沖擊支鉸的原則，確定支鉸設(shè)置高程為1302.30m；門葉結(jié)構(gòu)及支臂采用Q345C制造，側(cè)水封采用圓頭L形橡皮，橡皮預(yù)壓8mm，側(cè)向設(shè)直徑為φ200mm的簡(jiǎn)支式導(dǎo)向側(cè)輪，鉸鏈、鉸座材料為ZG310-570，鉸軸直徑為φ300mm，材料為40Cr鋼，軸承采用自潤滑球面滑動(dòng)軸承；埋件結(jié)構(gòu)材料采用Q235B。由于液壓?jiǎn)㈤]機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、對(duì)閘門的振動(dòng)能起緩沖作用等優(yōu)點(diǎn)，又考慮到工程所在地為高地震區(qū)，經(jīng)比較閘門采用一臺(tái)容量為QY2×630kN-5m的懸掛式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作。液壓?jiǎn)㈤]機(jī)設(shè)一個(gè)液壓泵站。液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的缸體安裝在閘墩上，經(jīng)優(yōu)化確定上支承中心位置高程為1307.30m，閘門處于全關(guān)位置時(shí)油缸中心線與鉛垂線夾角約32.0711°，閘門處于全開位置時(shí)（閘門底緣高出校核水面線約1.2m）油缸中心線與鉛垂線夾角約80.7363°。吊耳位于閘門下游下主梁兩端附近，吊點(diǎn)距為11.1m。液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的操作系統(tǒng)安裝在與表孔溢洪洞相鄰壩段上（高程為1307.60m）的操作室內(nèi)。

工程所在地冬季最低氣溫可達(dá)-32℃。根據(jù)電站運(yùn)行的基本調(diào)度曲線分析，工作閘門在嚴(yán)冬長(zhǎng)期擋水，在此期間閘門不進(jìn)行操作，因此不考慮門槽的防凍問題。為防止閘門承受冰的靜壓力，采用發(fā)熱電纜方法加熱面板，使附著在面板上的冰融化，與冰層隔開達(dá)到防止閘門承受冰的靜壓力的目的。

2.1.2 導(dǎo)流兼泄洪洞閘門及啟閉機(jī)

事故閘門∶孔口尺寸5m×7m（寬×高，下同），設(shè)計(jì)水頭76m。共1孔，設(shè)1扇滑動(dòng)支承平板鋼閘門。閘門采用上游面板，下游封水。側(cè)向設(shè)直徑為φ250mm的懸臂式導(dǎo)向側(cè)輪擋動(dòng)。閘門門葉結(jié)構(gòu)材料采用Q345C；閘門頂側(cè)止水采用P60橡皮，橡皮預(yù)壓4mm，底水封采用平板橡皮。滑道采用鋼基銅塑復(fù)合材料；閘門為單吊點(diǎn)；閘門靠自重和水柱壓力動(dòng)水閉門，門頂設(shè)直徑為φ300mm、行程為280mm的充水閥，充水閥與啟閉機(jī)聯(lián)動(dòng)，啟門前打開充水閥充水平壓后水壓差不超過3m時(shí)靜水啟門。閘門采用QP1×5000kN-80m的固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)操作，啟閉機(jī)安裝在閘頂平臺(tái)以上1319.50m高程的閘房?jī)?nèi)。為便于啟閉機(jī)檢修，在閘房?jī)?nèi)設(shè)有1臺(tái)100kN-9m的檢修用單梁吊。

門槽處最大流速約為17.1m/s，為避免門槽處發(fā)生氣蝕破壞和泥沙沖蝕，采用帶錯(cuò)距、圓角、斜坡的Ⅱ型門槽。門槽中心線前1.5m、后3m范圍內(nèi)的底板用鋼板襯護(hù)。

工作閘門∶孔口尺寸4m×5m，設(shè)計(jì)水頭80m。設(shè)有1扇雙主梁直支臂圓柱鉸弧形鋼閘門，閘門面板曲率半徑為9m，支鉸高度7.5m，主橫梁與支臂的單位剛度比為7.48；該閘門門葉結(jié)構(gòu)及支臂材料采用Q345C，鉸鏈、鉸座材料選用ZG310-570，鉸軸直徑φ480mm，材料為40Cr鋼；閘門頂水封采用一道‘P’形橡皮和一道轉(zhuǎn)鉸式水封，其中轉(zhuǎn)鉸式水封設(shè)在門楣上，另一道設(shè)在門葉上，側(cè)水封采用方頭形橡皮；側(cè)向設(shè)有導(dǎo)向滑塊。閘門門葉結(jié)構(gòu)按運(yùn)輸單元分二節(jié)制造，運(yùn)至工地后在現(xiàn)場(chǎng)拼焊成整體。埋件結(jié)構(gòu)材料采用Q235B，門槽底板加鋼板襯護(hù)。閘門動(dòng)水啟閉，由QY2500/800kN（啟門力/下壓力）-7.1m液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作。液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的缸體安裝在1241.00m高程的平臺(tái)上，液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的泵站設(shè)兩套油泵電動(dòng)機(jī)組，互為備用。啟閉機(jī)采用現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)和PLC控制，并通過PLC與閘門控制LCU之間的實(shí)時(shí)通訊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)控制。為便于液壓?jiǎn)㈤]機(jī)檢修，在1254.00m高程設(shè)有一臺(tái)容量為200kN，揚(yáng)程為18m的檢修用單梁吊。

2.2 發(fā)電引水系統(tǒng)閘門及啟閉設(shè)備

引水發(fā)電系統(tǒng)布置在樞紐的右岸，在導(dǎo)流兼深孔泄洪洞右側(cè)，采用一洞四機(jī)的布置形式，主要由進(jìn)口引渠、進(jìn)水口、引水隧洞、壓力管道、岔管、支管及發(fā)電廠房組成。由引水渠引水至發(fā)電洞進(jìn)口，進(jìn)口底板高程1270.00m，閘頂平臺(tái)高程1370.60m。為降低過柵流速，發(fā)電洞進(jìn)口為喇叭口體型，分4個(gè)進(jìn)水口聯(lián)通式布置。每個(gè)進(jìn)水口各設(shè)一道清污抓斗導(dǎo)向槽和一道攔污柵，在水道漸變段末端設(shè)一道事故閘門。電站共有4臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組，2大2小，裝機(jī)容量分別為35MW和15MW。每臺(tái)大機(jī)組尾水有2個(gè)出口，每臺(tái)小機(jī)組尾水有1個(gè)出口，共6個(gè)出口。考慮前期有1臺(tái)小機(jī)組發(fā)電，后3臺(tái)機(jī)組安裝時(shí)間可能較長(zhǎng)，故設(shè)6扇檢修閘門。

入庫污物將有部分隨風(fēng)浪匯集到發(fā)電進(jìn)水口前，為保證柵前清，攔污柵前部約1.5m范圍內(nèi)，利用清污抓斗全跨清污，清污抓斗由發(fā)電洞進(jìn)口閘頂雙向門機(jī)操作，系統(tǒng)電氣元件的控制及聲光信號(hào)指示均設(shè)在門機(jī)司機(jī)室內(nèi)。清污抓斗主要由抓斗、液壓傳動(dòng)裝置和支承框架等組成。抓斗采用全跨多葉形式，由固定葉片和轉(zhuǎn)動(dòng)葉片組成。液壓傳動(dòng)裝置是清污抓斗開合的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，隨清污機(jī)一起進(jìn)入水下工作，各主要部件都采用防水密封件。支承框架采用焊接結(jié)構(gòu)，設(shè)有正、反、側(cè)向支承導(dǎo)向裝置。連接件采用鍍鋅螺栓，轉(zhuǎn)動(dòng)件均采取防腐措施。攔污柵槽前的軌道槽，作為清污機(jī)的導(dǎo)向和限位裝置。

在發(fā)電進(jìn)水口閘頂平臺(tái)上設(shè)一臺(tái)2×200kN-45m、軌距為7m的雙向門機(jī)，用該門機(jī)借助自動(dòng)抓梁操作清污抓斗和攔污柵。

攔污柵∶孔口尺寸4m×10.5m，共1孔，設(shè)4扇攔污柵，柵體結(jié)構(gòu)按4m水位差設(shè)計(jì)，為直立式，滑塊支承，柵條凈距80mm，柵葉結(jié)構(gòu)材料采用Q235C。柵葉結(jié)構(gòu)由柵條和框架組成，柵條焊接在框架主梁的翼緣上，為防止柵條側(cè)向失穩(wěn)，在相鄰柵條間用槽鋼聯(lián)結(jié)。柵葉為雙吊點(diǎn)，吊點(diǎn)距為4.4m；柵葉結(jié)構(gòu)沿高度方向分四節(jié)制造、運(yùn)輸，在閘頂1370.60m高程平臺(tái)上用連接軸將四節(jié)柵葉連成整體。

事故閘門∶孔口尺寸7.2m×7.2m，設(shè)計(jì)水頭35m，共1孔，設(shè)1扇事故閘門，采用滑動(dòng)支承平板鋼閘門，上游面板，下游封水，側(cè)向設(shè)直徑為φ300mm的懸臂式導(dǎo)向側(cè)輪擋動(dòng)。閘門門葉結(jié)構(gòu)材料采用Q345C。門葉沿高度方向分成三節(jié)制造、運(yùn)輸，在1305.50m高程安裝檢修平臺(tái)上分節(jié)吊裝并焊接成整體。閘門靠自重和水柱壓力動(dòng)水下門，門頂設(shè)φ300mm充水閥，充水閥與啟閉機(jī)聯(lián)動(dòng)，充水行程為290mm；啟門前由充水閥充水平壓，待上下游水位差小于3m后靜水起門，該閘門采用QP2×1250kN-38m的固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)操作，啟閉機(jī)的安裝高程為1319.00m。

大機(jī)組尾水檢修閘門∶孔口尺寸為3.3825m×3.076m，設(shè)計(jì)水頭16m。共4孔，設(shè)4扇平板檢修閘門。尾水管出口底板高程1214.27m，閘門采用鋼基銅塑滑道支承，上游面板，上游封水，反向設(shè)四個(gè)彈性反輪。閘門為靜水啟閉，啟門前利用機(jī)組排水管充水平壓，用一臺(tái)2×200kN-20m的單向門機(jī)借助自動(dòng)抓梁操作。

小機(jī)組尾水檢修閘門∶孔口尺寸為5.203m×2.709m，設(shè)計(jì)水頭13.5m。共2孔，設(shè)2扇平板檢修閘門。尾水管出口底板高程1216.71m，閘門采用鋼基銅塑滑道支承，上游面板，上游封水，反向設(shè)四個(gè)彈性反輪。閘門為靜水啟閉，啟門前利用機(jī)組排水管充水平壓，共用一臺(tái)2×200kN-20m的單向門機(jī)借助自動(dòng)抓梁操作。

2.3 防腐

為使工程建成后，延長(zhǎng)整個(gè)工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)施的使用壽命，減少維護(hù)工作量，該工程的所有閘門門葉、攔污柵柵葉及埋件外露表面均進(jìn)行噴鋅防腐處理。

3 結(jié)束語

庫什塔依水電站金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備共設(shè)置孔口19個(gè)，設(shè)置平面鋼閘門9扇，弧形鋼閘門2扇，攔污柵4扇；啟閉設(shè)備共10臺(tái)，其中固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)3臺(tái)，液壓式啟閉機(jī)2臺(tái)，雙向門機(jī)1臺(tái)，單向門機(jī)1臺(tái)，檢修用單梁吊3臺(tái)。

本工程金屬結(jié)構(gòu)的布置與設(shè)計(jì)，吸收了同類工程的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并充分考慮到本工程的運(yùn)行要求，設(shè)備布置緊湊，保證了閘門、攔污柵及各類啟閉設(shè)備的安全運(yùn)行。

TV34

B

1672-5387（2014）02-0045-03

2014-03-05

張廣川（1979-），男，工程師，從事水電站水工金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作。