貫流式機組電站閘門布置設計與研究

李 崗，邢怡芳

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

0 引言

在低水頭水力資源開發利用中，貫流式水輪發電機組與立軸式機組相比具有能量指標高、投資省、運行性能優等優勢，在近年的水電開發中被廣泛應用［1］。對于立軸式機組，通常要求在進口設置檢修閘門和事故閘門(或快速閘門)，但貫流式電站流道短，上游閘門至機組首部距離很近，閘門動水閉門過程形成的射流直沖燈泡體，容易引起振動，流道內產生的渦流容易導致負壓氣蝕、導葉損壞。而將工作閘門移置尾水管上能消除這種惡劣條件對機組的不利影響，尤其是要求電站作為泄洪通道和控制航運水位變幅時，則必須將工作閘門布置在機組的下游。另外由于貫流式機組流道平直，機組上下游閘門的設計水頭和操作水頭相差不大，從經濟角度上來看，尾水閘門亦具備作為工作閘門的條件［2］。因此，貫流式機組電站系統閘門通常采用進水口設置檢修閘門，尾水管設置事故閘門的布置方式。本文按照現行規范要求，對貫流式機組流道進出水口閘門的各種布置方案進行比較分析，提出各方案的優缺點和適用范圍。并對目前貫流式機組電站中采用的廠頂過流方式及尾水事故閘門設計中需注意的問題進行了討論。

1 貫流式機組進出口閘門布置方案

DL/T 5039—95《水利水電工程鋼閘門設計規范》規定:“對貫流式機組電站，進水口宜設置攔污柵、檢修閘門(或事故閘門)，尾水出口宜設置事故閘門(或檢修閘門)［3］?！卑凑找幏兑螅灹魇綑C組進出水口閘門布置共有4種可行的組合方案。

1.1 方案一

在機組流道進水口處設置1道檢修閘門，尾水管出口設置1道事故閘門。與立軸式機組相比，將事故閘門置于機組之后，可避免動水閉門過程中水流可能對燈泡體造成的沖擊或損壞。另外由于貫流式機組流道平直，機組上下游閘門的設計水頭和操作水頭相差不大，從經濟角度考慮采用尾水事故閘門亦不會增加太多成本。本方案沿水流方向布置兩道閘門，結構緊湊，經濟合理，此方案即為目前貫流式機組設計中常用的閘門布置方式。

1.2 方案二

在機組流道進水口處設置1道事故閘門，尾水管出口設置1道檢修閘門。根據規范DL/T 5039—95，此布置方案可行。但正如方案一所述，由于貫流式機組流道短，進口閘門距機組燈泡體很近，若將事故閘門布置于進口，動水閉門過程中的射流可能沖擊燈泡體，引起震動，流道內產生的渦流容易導致負壓氣蝕、導葉損壞。因此方案二不適用于貫流式機組電站。

1.3 方案三

在機組流道進水口處依次設置1道檢修閘門和1道事故閘門，尾水管出口設置1道檢修閘門。本方案相當于在方案二的基礎上，進口增加1道檢修閘門，以對事故閘門門槽和兩道閘門之間流道進行檢修。但同樣存在方案二中所述的問題，進口布置事故閘門不適用于貫流式機組。且沿流道設置3道閘門，壩體厚度增加，工程量和工程投資都將增加，影響電站經濟指標。此方案常應用于引水式地下廠房電站。且當機組有快速閉門保護要求時，事故閘門應具備快速閉門的功能。

1.4 方案四

在機組流道進水口處設置1道檢修閘門，尾水管出口依次設置1道事故閘門和1道檢修閘門。此方案相當于在方案一的基礎上，在尾水增加1道檢修閘門。雖然能夠為尾水事故閘門門槽提供檢修條件，更加安全可靠。但同樣由于沿水流方向增加1道閘門，導致壩體厚度增加，混凝土工程量和工程投資都將增加，影響電站經濟指標。且貫流式機組電站運行水頭較低，尾水事故閘門門槽破壞概率極低，且一旦發生破壞，亦具備水下修復施工的可行性。因此從經濟和安全方面綜合考慮，方案四安全、可行但不夠經濟。

綜上所述，方案二、三由于在進口設置事故閘門容易引起機組燈泡體振動，導葉破壞，不適用于貫流式機組。方案四雖然更加安全，但與方案一相比，不夠經濟合理。因此，對于貫流式機組電站，閘門典型布置方式為在機組進口設置1道檢修閘門，在尾水管出口設置1道事故閘門。

2 國內貫流機組電站閘門布置情況

對國內已建貫流式機組電站進行了資料收集，并對閘門布置情況進行了歸納總結，結果見表1。由表1可見，已建電站均采用了方案一。其中炳靈水電站和蜀河水電站受電站壩址處地形所限，創新性采用了廠房頂層泄流布置方式。

表1 國內已建貫流式機組電站閘門布置情況

3 廠房頂層泄流布置設計及工程實例

當水電站壩址區河道狹窄，岸坡陡峭，洪峰流量很大時，樞紐的布置如果采用常規的廠房段+泄流段布置，土石方開挖和邊坡處理工程量非常大，工程造價急劇增加。近些年在國內一些貫流式機組電站設計中，采用了在廠房頂層設置泄流表孔的布置方式，大大減少了邊坡開挖，縮短了工期，經濟效益顯著。

3.1 黃河炳靈水電站

炳靈水電站位于甘肅省永靖縣和積石山縣交界處，是黃河上游梯級開發的中型水電站之一。上游距大河家水電站29.5 km，下游距劉家峽水電站44.5 km。工程裝機容量5×48 MW，設計多年平均發電量9.74億kW·h。該電站于2006年11月1日動工興建，2009年7月1日最后一臺機組投產發電。安裝了國內目前單機容量最大的貫流式燈泡機組，首次采用了廠頂泄洪溢流和庫尾(劉家峽)建壩蓄水設計方案［4］。炳靈水電站機組剖面示意見圖1。

引水發電系統依次布置有主攔污柵、副攔污柵(與檢修閘門共槽)、檢修閘門、檢修閘門門槽頂柵、泄洪表孔工作閘門、尾水出口布置有尾水事故閘門［6］。由于泄洪表孔布置于機組流道上層，為減小壩體厚度，副攔污柵、機組進水口檢修閘門、泄洪表孔檢修閘門同槽布置，且機組進水口檢修閘門兼作泄洪表孔檢修閘門。為防污物從機組進水口檢修門門槽上方進入機組，在泄洪表孔流道與機組進水口檢修閘門門槽交界處設置了頂柵。電站設計尾水位低于廠頂過流面高程，機組檢修時由上游表孔工作門擋水，因此下游未設置尾水檢修閘門。機組流道上層設有泄洪表孔，每臺機組設有2個檢修用吊物孔。在吊物孔處設置密封鋼蓋板，蓋板頂面與泄洪表孔底板平齊，保證泄洪時水流平順。

圖1 炳靈水電站貫流機組剖面示意(高程:m，尺寸:mm)

3.2 漢江蜀河水電站

蜀河水電站工程位于陜西省旬陽縣境內的漢江干流上，壩址在旬陽縣蜀河鎮上游約1 km處，距旬陽縣城51 km，距上游已建成的安康水電站約120 km，距下游已建成的丹江口水電站約200 km，是漢江上游梯級開發規劃中的第6個梯級電站。電站裝機6臺46 MW的貫流機組，年平均發電量9.53億kW·h。2010年10月，全部機組投產發電。

蜀河水電站同樣采用了廠頂泄流的布置方式［7］，機組中心線剖面見圖2。引水發電系統閘門布置與炳靈水電站基本一致。主要區別有3點:①炳靈水電站廠頂泄洪表孔工作閘門采用頂升柱塞式液壓啟閉機［8］，蜀河水電站采用了固定卷揚式啟閉機操作廠頂泄洪表孔工作閘門，因此在進水口壩頂門機與廠房之間增加了混凝土排架，用于布置固定卷揚式啟閉機。②蜀河電站進水口布置1道攔污柵，且和進水口檢修閘門共槽。在攔污柵前設置了清污機導槽，采用液壓清污抓斗清污。炳靈水電站采用兩道攔污柵，副柵與檢修門共槽，采用的是提柵清污方式。③由于蜀河電站設計尾水位高于廠頂泄洪表孔底板高程，因此設置了1道下游檢修閘門，用于機組檢修時擋下游水。

3.3 廠房頂層泄流布置與設計中應關注的問題

當廠房頂層表孔泄洪時，進口水流流態較為復雜，進口攔污柵及閘門設計必須考慮橫向和豎向水流的作用力，可通過試驗驗證確定。蜀河水電站由于在進口處設置了1道攔沙坎，2011年特大洪水采用廠頂表孔泄洪時，水流通過攔沙坎后跌落至進口前，而后再升至廠頂表孔底坎高程，導致攔污柵受到了豎直向上的水流脈動作用力，水流將攔污柵振動、破壞，解體后沖至尾水渠，造成了經濟損失。

廠房頂層表孔流道內機組檢修吊物孔密封鋼蓋板不僅要求承受表孔泄洪時水流的荷載，并嚴密封水，防止水淹廠房;而在機組檢修時還能夠順利拆卸。鋼蓋板止水的設計是關鍵，炳靈和蜀河水電站的密封鋼蓋板采用了兩道封水的形式。兩道封水之間的埋件底部設有漏水槽，可將第一道水封漏水排走，目前運行良好。設計時還要考慮通過試驗確定表孔泄流時，密封鋼蓋板處是否會產生負壓和共振，以確保運行安全。

圖2 蜀河水電站機組中心剖面示意(單位:m)

4 尾水事故閘門設計及施工的關鍵問題

由于尾水事故閘門在機組出現事故時，需動水閉門擋上游庫水，機組檢修時，靜水閉門擋下游尾水，因此尾水事故閘門需雙向止水，且上、下游支承均為主支承。尾水事故閘門設計必須解決如下的關鍵問題。

(1)動水閉門水頭和設計擋水水頭的確定。貫流式機組電站為低水頭徑流式，水庫無調節能力，機組運行水頭受下游水位影響較大。分析電站運行水頭組合情況，考慮機組的安全，尾水事故閘門應能在最大運行水頭情況下實現動水閉門。因此，建議按照正常蓄水位與最低尾水位的差值作為尾水事故閘門的動水閉門水頭。至于閘門的設計擋水水頭，結合機組檢修計劃，可采用設計尾水位作為閘門擋水水頭。

(2)雙向支承的選擇。機組檢修工況時，尾水事故閘門靜水啟閉，上游支承承受靜水壓力，為減少啟閉機容量，宜采用低摩阻力滑道。而機組事故動水閉門工況時，下游支承承受動荷載和移動摩阻力，為了保證動水閉門，應盡量減少閉門阻力，因此宜采用滾動支承。

(3)雙向止水設計。由于尾水閘門具有動水閉門過程壓力方向指向下游，擋水檢修時壓力方向指向上游的雙向承壓工況，須設置雙向止水。止水設計遵循操作過程阻力小，擋水時止水嚴密的原則。為結構緊湊，布置合理，可選用雙P型止水。

(4)尾水事故閘門入槽后施工期的防護。對于河床貫流式機組電站，通常采用河床分期導流的方式進行施工，這就要求在河床二次截流前，機組進口和尾水閘門要入槽擋水，而此時廠房及尾水平臺上部均在施工，若不對尾水事故門槽孔口上方進行防護，容易導致雜物或混凝土掉入門槽內，發生卡阻，導致無法正常提門。漢江蜀河水電站和黃河烏金峽水電站尾水事故閘門設計結構型式基本相同，根據相關資料，閘門制造、安裝及無水調試均未發現異常。待初期擋水后，機組正式投產發電時，卻同樣出現尾水事故閘門無法提起的現象。后經事故調查處理，原因就是由于閘門入槽擋水后，未對孔口進行防護，導致了雜物掉入門槽內，與閘門支承定輪發生卡阻。

因此尾水事故閘門入槽擋水后，若尾水平臺施工未完成，必須對孔口上方進行防護。同時閘門主輪可采用偏心軸設計，便于在門槽安裝完成、二期混凝土澆筑后根據實測情況，適當調整閘門上、下游支承與門槽接觸面的間隙。主輪裝配的止軸板可設置在孔口內側，一旦閘門發生卡阻后，可水下進行偏心軸調節，以保證閘門正常運行。

5 結語

(1)針對在低水頭水資源開發中應用廣泛的貫流式機組電站，結合現行規范要求和近年來已建的工程實例，討論了引水發電系統閘門布置方案。在進口布置檢修閘門，出口布置事故閘門的方案經濟、合理，為推薦方案。

(2)對在河谷狹窄的壩址區，修建河床式貫流機組電站宜采用的廠房頂層溢流布置方式，根據工程實例，論述了閘門布置方案，及設計中應關注的問題。

(3)鑒于貫流式機組電站的尾水事故閘門具有機組事故和檢修雙重工況，提出了尾水事故閘門設計中關于設計水頭、雙向支承及雙向止水等關鍵問題的設計思路和方法。同時結合實際工程中出現的問題，提出了應對施工期已入槽擋水的尾水事故閘門進行防護的要求。

［1］陳冬，譚柏林.淺談國內水輪發電機組的幾個問題［J］.湖南水利水電，2007(4)，78-80.

［2］劉玲.貫流式機組電站尾水閘門設計的幾個問題［J］.四川水利，2000(4):35.

［3］DL/T 5039—95 水利水電工程鋼閘門設計規范［S］.

［4］鄭社民.廠頂溢流方式在貫流式機組水電站中的應用［J］.陜西水利，2009(2)，39-40.

［5］段宏江.炳靈水電站設計中幾個問題的研究［J］.水力發電，2009(1)，49-52.

［6］朱增兵，劉少娟，劉蘭萍.炳靈水電站金屬結構布置與設計［J］.水力發電，2009(1)，71-74.

［7］田利軍.蜀河水電站貫流機組泄流式廠房布置設計與研究［J］.西北水電，2011(2)，24-28.

［8］朱增兵，李鋒.炳靈水電站泄洪表孔平面工作閘門、啟閉機設計簡述［C］//水工機械技術2008年論文集，2008:197-199.