基于水電站工程中閘門設(shè)計

張廣江

(貴州省六盤水市水務(wù)有限責(zé)任公司，貴州 六盤水 553000)

基于水電站工程中閘門設(shè)計

張廣江

(貴州省六盤水市水務(wù)有限責(zé)任公司，貴州 六盤水 553000)

閘門是擋水、引水、泄水與排沙重要的水工建筑物。文章以位于貴州省水城縣東南的猴場電站工程實(shí)例，對水電站閘門設(shè)計進(jìn)行論述，并從閘門設(shè)計及啟閉機(jī)選型進(jìn)行分析，且根據(jù)筆者多年來的工作經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)知識作以探討。

水電站；閘門設(shè)計；設(shè)計依據(jù)；計算方法；啟閉機(jī)選型

1 工程概況

猴場電站位于水城縣東南部猴場鄉(xiāng)境內(nèi)月亮河上，是月亮河的末級電站。電站裝機(jī)容量9.6 MW，年發(fā)電量3 760 萬 kW·h。金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備包括引水發(fā)電系統(tǒng)、泄水沖沙系統(tǒng)等，其中引水系統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備包括取水口攔污柵1道、工作閘門1扇，固定式卷揚(yáng)機(jī)2套[1]。

泄水系統(tǒng)的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備包括溢洪道檢修閘門1扇，工作閘門1扇，沖沙、放空底孔事故閘門1扇，工作閘門1扇，固定式卷揚(yáng)機(jī)4套[2]。

2 設(shè)計依據(jù)文件和規(guī)范

2.1 主要設(shè)計規(guī)范

1)水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范 SL74—95。

2)水利水電工程啟閉機(jī)設(shè)計規(guī)范 DL/T 5167—2002。

3)水利水電工程鋼閘門制造、安裝及驗(yàn)收規(guī)范 DL/T5018—2004。

4)水利水電工程啟閉機(jī)制造、安裝及驗(yàn)收規(guī)范 SL 381—2007。

5)水工金屬結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)程SL 105—2007。

2.2 設(shè)計參考資料

1)核洪水位：822.73 m。

2)設(shè)計洪水位：821.15 m。

3)常蓄水位：818.50 m。

4)死水位：816.50 m。

5)水口底板高程：815.50 m。

6)底孔底板高程：812.00 m。

7)《水電站機(jī)電設(shè)計手冊金屬結(jié)構(gòu)》(一)、(二)，水利電力出版社。

8)《水工鋼閘門設(shè)計》，水利電力出版社。

3 計算方法

采用容許應(yīng)力法進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算。計算步驟：

1)設(shè)計水頭選定。

2)總水壓力計算。

3)結(jié)構(gòu)布置。

4)面板計算。

5)次梁選定及應(yīng)力、剛度驗(yàn)算。

6)主梁選定及強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性驗(yàn)算。

7)縱向隔板選定及強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性驗(yàn)算。

8)邊梁選定及強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性驗(yàn)算。

9)零部件計算。

10)啟閉力計算。

11)埋件計算。

4 閘門設(shè)計及啟閉機(jī)選型

4.1 引水發(fā)電系統(tǒng)

引水發(fā)電系統(tǒng)主要包括了：取水口攔污柵及啟閉設(shè)備和取水口事故閘門及啟閉設(shè)備。

4.1.1 取水口攔污柵及啟閉設(shè)備

取水口攔污柵設(shè)置在引水隧洞進(jìn)口喇叭口處，孔口尺寸為7.4 m×5.0 m，底檻高程：814.50 m，1孔，設(shè)計引用流量21.0 m3/s，過柵流速為0.757 m/s，設(shè)計水頭3.0 m，型式為平面滑動式攔污柵，柵體重9.0 t，柵槽埋件重2.0 t。

根據(jù)大壩上游庫區(qū)內(nèi)自然環(huán)境狀況，設(shè)一道攔污柵，攔污柵平常放置在孔口柵槽攔污，一旦有清污或檢修要求時，先動水關(guān)閉其后工作閘門，再利用設(shè)置在▽828.80 m固定式卷揚(yáng)式啟閉機(jī)將攔污柵啟吊至檢修平臺高程進(jìn)行清污或檢修維護(hù)，待上述工作完成后，先放下攔污柵擋污，然后啟吊工作閘門鎖定于檢修平臺上[3-4]。

隧洞進(jìn)口處設(shè)置有可靠的測壓裝置，以監(jiān)視攔污柵前后水位差，及時提柵清污，避免出現(xiàn)超過設(shè)計水頭的運(yùn)行工況，防止事故的發(fā)生。

攔污柵主支承是增強(qiáng)四氟NL150CHI型滑塊，最大的線荷載為25 kN/cm，反向支承是鋼滑塊。柵條間距50 mm。柵體主材為Q235B，內(nèi)力分析計算結(jié)果見表1。

4.1.2 取水口事故閘門及啟閉設(shè)備

在攔污柵的下游設(shè)置1扇工作閘門，孔口尺寸為2.8 m×3.0 m，設(shè)計水頭7.5 m，閘門型式為平面定輪鋼閘門，選用1臺設(shè)置在▽828.80 m上的QPQ160kN-13 m的固定式卷揚(yáng)機(jī)控制閘門，操作運(yùn)行條件為動水啟閉，啟閉機(jī)上設(shè)置小開度的行程控制開關(guān)[5]。

由于引水隧洞是無壓洞，當(dāng)上游水位高于正常高水位818.50 m時需要工作閘門下閘擋水控制流量，當(dāng)其后無壓隧洞和壓力前池出現(xiàn)事故需要檢修或上游的攔污柵有清污時，動水閉門截斷水流，檢修工作完成后，待閘門前后水壓差≤3 m時提升閘門，并鎖錠于823.50m檢修平臺上備用。

表1 內(nèi)分分析計算結(jié)果(一)

閘門由門葉結(jié)構(gòu)(焊接件)、水封裝置、4個懸臂主輪支承、4個反向支承滑塊和4個側(cè)向限位裝置等所組成[6]。

受力計算采用假設(shè)平面體系，按照實(shí)際可能發(fā)生的最不利荷載組合情況，進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性驗(yàn)算。

閘門在設(shè)計水頭下動水操作會受到不同程度的動力荷載，動力系數(shù)取1.1。門體材料為Q235B，內(nèi)力分析計算結(jié)果見表2。

表2 內(nèi)力分析計算結(jié)果(二)

門槽埋件由主軌、反軌、側(cè)軌、門楣、底檻等組成。

其中主軌長度為8.1m，主軌、反軌、門楣等均由Q235B鋼板和型鋼組焊而成。

4.2 泄水系統(tǒng)閘門及啟閉設(shè)備

泄水系統(tǒng)閘門及啟閉設(shè)備包含了：溢洪道檢修閘門、溢洪道工作閘門、底孔進(jìn)口事故閘門和底孔進(jìn)口工作閘門。

4.2.1 溢洪道檢修閘門

溢洪道三孔工作閘門前共設(shè)置3孔平板檢修閘門槽，共用一扇孔口尺寸為9.0 m×1.5 m的平板檢修門，底檻高程：815.00 m，設(shè)計水頭1 m，采用小開度提門充水平壓。閘門操作運(yùn)行條件為靜水啟閉，門體重3.81 t，單孔閘槽埋件重0.82 t，埋件合計重2.54 t。

選用1臺CD-2X50kN-13m雙鉤同步移動電動葫蘆控制。枯水期間當(dāng)其后平板工作閘門需要檢修時，放下檢修閘門擋水待檢修工作完成后靜水啟門，提升并鎖定于檢修平臺高程[7]。

閘門由門葉結(jié)構(gòu)(焊接件)、水封裝置、4個主支承滑塊(弧形滑塊，弧面半徑是R300 mm，主滑塊與主軌的摩擦系數(shù)取0.15)、4個反向支承滑塊和4個側(cè)向限位裝置等所組成。

受力計算采用假設(shè)平面體系，按照實(shí)際可能發(fā)生的最不利荷載組合情況，進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性驗(yàn)算。

閘門在設(shè)計水頭下動水操作會受到不同程度的動力荷載，動力系數(shù)取1.1。門體材料為Q235B，內(nèi)力分析計算結(jié)果見表3。

表3 內(nèi)力分析計算結(jié)果(三)

門槽埋件由主軌、反軌、側(cè)軌、底檻等組成。其中主軌長度為4.1 m，主軌、反軌等均由Q235B鋼板和型鋼組焊而成。

4.2.2 溢洪道工作閘門

溢洪道檢修閘門后面設(shè)置3扇9.0 m×4.0 m的平板工作閘門，設(shè)計水頭3.8 m，底檻高程：814.734 m。

閘門操作運(yùn)行條件為動水啟閉，單扇閘門門體重10.82 t，合計重32.46 t，單孔閘槽埋件重4.01 t，合計重12.03 t。選用3臺QPQ2X80kN-13 m卷揚(yáng)機(jī)控制。

該啟閉機(jī)除保證常用電源可靠外，還應(yīng)設(shè)置備用動力，能及時提升閘門宣泄洪水，確保樞紐安全運(yùn)行。

閘門由門葉結(jié)構(gòu)(焊接件)、水封裝置、4個懸臂主輪支承、4個反向支承滑塊和4個側(cè)向限位裝置等所組成。

受力計算采用假設(shè)平面體系，按照實(shí)際可能發(fā)生的最不利荷載組合情況，進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性驗(yàn)算。閘門在設(shè)計水頭下動水操作會受到不同程度的動力荷載，動力系數(shù)取1.1。門體材料為Q235B，內(nèi)力分析計算結(jié)果見表5。

表4 內(nèi)力分析計算結(jié)果(四)

門槽埋件由主軌、反軌、側(cè)軌、底檻等組成。其中主軌材料為16 Mn，長度為8.95 m，反軌、底檻等均由Q235B鋼板和型鋼組焊而成。

壩上用電電源：一回采用施工用電電源，另一回采用柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電。正常情況下施工電源作為永久電源，柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源；現(xiàn)場控制閘門啟閉。

4.2.3 底孔進(jìn)口事故閘門

放空沖砂底孔進(jìn)口設(shè)置一扇事故閘門，孔口尺寸為2.0 m×2.0 m，底檻高程為812.00 m，設(shè)計水頭11.0 m，閘門型式為平面定輪鋼閘門，門體重2.4 t，埋件重3.65 t，選用1臺QPQ160kN-13m的卷揚(yáng)式啟閉機(jī)控制，操作運(yùn)行條件為動閉靜啟，啟閉機(jī)上設(shè)置小開度的行程控制開關(guān)，考慮小開度提門充水平壓。

當(dāng)其后的工作閘門需要檢修時，動水下閘擋水，待檢修工作完成后靜水啟門，提升并鎖定于檢修平臺高程。

閘門由門葉結(jié)構(gòu)(焊接件)、水封裝置、4個懸臂輪主支承(同時兼做反向支承)、4個側(cè)向限位裝置等所組成。

受力計算采用假設(shè)平面體系，按照實(shí)際可能發(fā)生的最不利荷載組合情況，進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性驗(yàn)算。

閘門在設(shè)計水頭下動水操作會受到不同程度的動力荷載，動力系數(shù)取1.1。門體主材為Q235B，內(nèi)力分析計算結(jié)果見表6。

表5 內(nèi)力分析計算結(jié)果(五)

門槽埋件由主軌、反軌、側(cè)軌、門楣、底檻等組成。其中主軌材料為16 Mn，長度為11.6 m，反軌、門楣等均由Q235B鋼板和型鋼組焊而成。

4.2.4 底孔進(jìn)口工作閘門

放空沖砂底孔在進(jìn)口事故閘門下游側(cè)設(shè)置一扇工作閘門，孔口尺寸為2.0 m×2.0 m，底檻高程為812.00 m，設(shè)計水頭11.0m，閘門型式為平面定輪鋼閘門，門體重5.27 t(含2.75 t加重塊)，埋件重3.78 t，選用1臺QPQ125kN-13m的卷揚(yáng)式啟閉機(jī)控制，操作運(yùn)行條件為動水啟閉。當(dāng)水庫需要沖沙、放空時，開啟工作閘門沖砂、放水，待沖砂、放空完成后關(guān)閉閘門，放空沖砂底孔工作閘門長期處于關(guān)閉狀態(tài)。

閘門由門葉結(jié)構(gòu)(焊接件)、水封裝置、4個懸臂輪主支承(同時兼做反向支承)、4個側(cè)向限位裝置等所組成。

受力計算采用假設(shè)平面體系，按照實(shí)際可能發(fā)生的最不利荷載組合情況，進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性驗(yàn)算。

閘門在實(shí)際操作中會受到不同程度的動力荷載，動力系數(shù)取1.1。門體主材為Q235B，內(nèi)力分析計算結(jié)果見表6。

表6 內(nèi)力分析計算結(jié)果(六)

門槽埋件由主軌、反軌、側(cè)軌、門楣、底檻等組成。其中主軌材料為16 Mn，長度為11.6 m，反軌、門楣等均由Q235B鋼板和型鋼組焊而成。

5 總 結(jié)

猴場水電站引水發(fā)電系統(tǒng)、泄水系統(tǒng)閘(柵)門的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計嚴(yán)格遵循《水利水電鋼閘門設(shè)計規(guī)范》SL74—95進(jìn)行，主要受力構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求，選型布置合理，能滿足電站的蓄水安全要求。

[1]李彥彬，徐建新.疊梁閘門設(shè)計新思路[J].人民黃河，2006,28(01)：65-66.

[2]楊貴海，陳美芬.鋼閘門設(shè)計缺陷形成原因及解決方案研究[J].科技廣場，2014(06)：83-88.

[3]鄒柏青，李德.三峽電站進(jìn)水口快速閘門設(shè)計[J].人民長江，1998(S1)：55-56.

[4]徐國賓，周富滿，高仕趙.基于VB的平面鋼閘門設(shè)計平臺開發(fā)[J].水資源雨水工程學(xué)報，2013,24(03)：7-9.

[5]張文武.水工鋼閘門設(shè)計初探[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2009(08)：16-18.

[6]劉永勝，賈愛軍，呂念東.大渡河龍頭石水電站導(dǎo)流洞封堵閘門設(shè)計[J].東北水利水電，2011(10)：8-9.

[7]劉雷.人字門在松江銀河泵閘工程中的應(yīng)用[J].城市到橋與防洪，2013(10)：75-78.

GateDesignforHydropowerStation

ZHANG Guang-jiang

(Guizhou Province Liupanshui Water Affairs Co.，Ltd，Liupanshui 553000，China)

Gate is an important hydraulic structure for water retaining，water diversion，water discharge and sediment discharge.Taking Houchang Hydropower Station，located at the southeastern part of Shuicheng County，Guizhou Province，as an example，the design of hydropower station gate is discussed and hoist type selection is analyzed，then the relevant problems are discussed according to writer′s experience over the years.

hydropower station；gate design；design basis；calculation method；hoist type selection

1007-7596(2014)12-0047-04

2014-05-29

張廣江(1975-)，男，貴州安順人，工程師，從事水庫管理工作。

TV663

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