湖南沅水桃源水電站泄洪閘弧門增設舌瓣門研究

何源望，呂飛鳴，李莉娟

（1.浙江華東機電工程有限公司，浙江杭州，311122；2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州，311122）

0 引言

桃源水電站工程位于湖南省常德市桃源縣縣城附近的沅水干流河段，是沅水干流最末一個水電開發梯級，左、右岸分別為桃源縣漳江垸和潯陽垸，上下游兩岸均為人口稠密區。桃源水電站為大（2）型低水頭徑流式電站，是一個以發電為主、兼顧航運、旅游等綜合利用的工程。發電廠房安裝9臺燈泡貫流式發電機組，單機容量20 MW，總裝機容量180 MW。電站首臺機組于2013年10月投產發電。

電站樞紐布置特點是江中部有一座雙洲島，小島將河道分成左、右兩邊，整個樞紐橫跨雙洲島。樞紐從左至右依次布置左岸副壩、左河道14 孔泄洪閘、雙洲船閘、發電廠房、右河道11孔泄洪閘、右岸副壩等。每孔泄洪閘設置1扇弧形閘門，每孔弧門由1 套2×2 600 kN 擺動式液壓啟閉機操作。弧門底檻高程26.0 m，閘前運行水位39.50 m，下游最低運行水位29.44 m。

水庫景觀與著名的桃花源遙相輝映，是當地一條獨特的風景線，經濟效益和社會效益十分明顯。然而，由于電廠處于右河槽，受雙洲島的阻隔，緊鄰城區的左河槽除泄洪期外基本處于死水狀態。左河槽庫區表層的氧化水日積月累，不僅影響左岸桃源縣城居民的生活品質，也對該區域范圍內的閘門表面造成了加速腐蝕的負面作用。作為已建成電站，如何解決左河槽表層水的有效流動問題，在阻斷表層水累積氧化的同時兼顧放水經濟性和操控安全性，是桃源水電站運行以來面臨的一大難題。

圖1 桃源水電站（上游左河槽視角）Fig.1 Taoyuan hydropower station

1 舌瓣門增設方案研究

鑒于桃源水電站左河槽改善水質、保護水庫生態環境、提高居民生活幸福指數的迫切需求，受電站業主方委托，進行了多種阻止氧化水積累的方案研究。在盡可能不影響電廠正常發電和滿足泄洪要求的前提下，廣泛收集國內外類似的工程資料，本著“滿足小流量泄水，加強水庫表層水的流動性，使氧化水得到改善”的指導思想，結合樞紐既成布置的特殊情況、上下游運行水位變化規律和現行弧門調洪操作方式等，初擬了多個方案進行可行性分析和研究，最終選擇了對部分孔別的泄洪閘弧形閘門增設舌瓣門的方案。

舌瓣門體量小、操作靈活且溢流面為弧形設計，水流平穩，能以最小的耗水量安全有效地泄放表層水。當舌瓣門正常實現左河槽的表層水流動時，弧形閘門不需要做任何動作，這不僅大大降低了弧形閘門及啟閉機的操作頻率，減少了棄水損失，還對能耗、泄洪閘的安全性及壽命都有非常積極的作用。

目前，國內外已有一些電站在泄洪閘弧形閘門安裝舌瓣門的成功經驗。根據原泄洪閘弧形閘門結構特征及多年運行的實際情況，研究改造的范圍和規模，結合類似工程經驗教訓，確定對以下幾個方面開展研究：（1）對水庫表層靜態腐化水活化方式進行研究；（2）復核現役啟閉設備容量，對改造方案進行研究；（3）結合原弧門結構特征，對舌瓣門技施方案進行研究；（4）分析電站運行特點，對施工方案措施進行研究。

1.1 舌瓣門設置原則

（1）增設舌瓣門前，需在原弧形閘門上切割掉一定尺寸的門體。因此，舌瓣門開口尺寸和切割位置應有利于弧形閘門保持結構的剛度。

（2）舌瓣門尺寸除考慮弧形閘門主縱梁的布置情況外，還要控制自身重量，避免改造后的弧形閘門啟閉力超出原啟閉機容量。

（3）設置舌瓣門主要用于活化河道閘前表層水質，開口高度應滿足表層水的充分流動。

結合上述因素，比較分析后得出舌瓣門高度設定為2 m可以滿足要求。

1.2 舌瓣門設置方案研究

1.2.1 弧門啟閉力復核及舌瓣門寬度研究

根據現役弧形閘門縱隔板布置間距（2.2 m）和弧門支臂內間距（10 m），初步擬定舌瓣門的寬度為5 m、6 m和7.5 m三種方案。

現役弧門啟閉力復核計算按照現行NB/T 35055-2015《水電工程鋼閘門設計規范》進行，主要參數按照原設計圖紙復核如下：

（1）總水壓力復核：弧形閘門總水壓力P=21 008 kN，與原設計相同。

（2）影響啟閉力的閘門重量復核：閘門重心到支鉸中心的力臂r2按照0.84R計算，即r2=0.84×20 000=16 800 mm；啟閉力到支鉸中心的力臂R2為8 100 mm；支鉸軸半徑ro=250 mm；圖紙中球面軸承為黃銅合金鑲嵌固體潤滑材料，故摩擦系數采用鋼基銅塑鍍鉻（不銹）鋼f1=0.14；原弧門總重量為226.94 t，扣除固定鉸11.2 t、固定軸及配件4.34 t后，閘門重量為211.4 t。

按照上述復核參數，三個方案的啟閉力復核結果見表1。

表1 啟閉力復核結果Table 1 Review results of open and close force

自電站投運以來，桃源公司對弧門啟閉機進行了跟蹤監測。從監測信息看，弧形工作閘門安裝運行至今，啟門時（39.5 m蓄水位）液壓缸有桿腔最大壓力約為17 MPa（16～18 MPa），實際啟門力約為4 600 kN。由此說明啟門力的理論復核計算值和實際值基本吻合，可以用理論計算值作為啟閉機容量是否滿足改造要求的標準。

綜上所述，從弧門啟閉力安全裕度、舌瓣門的安裝工作量、后期維保成本、表層水流動效率等方面綜合比選，確定最優方案為方案二。

1.2.2 舌瓣門設置位置及數量研究

左河道共有14 扇弧形閘門，根據實際水流狀態，靠近兩岸的水流流動性相對差，中間稍好。因此，舌瓣門的位置設置以左河槽泄洪閘兩邊孔對稱設置為主、中間孔適當考慮。

根據樞紐布置，左河槽寬度約400 m，中洲島在水庫中從閘前至上游末端的長度約500 m，假設該片水域表層2 m的水體需要流動交換，則該部分水體體積大約為40萬m3，6 m寬舌瓣門的平均單寬流量Q=18.6 m3/s。舌瓣門的設置位置和數量及換水所需時間比較見表2。兩邊各2孔+中間1孔的方案換水所需時間最短，相對最優。

表2 舌瓣門不同設置位置、數量及換水所需時間比較Table 2 Comparison of water exchange time with different posi?tions and numbers of flap gates

2 舌瓣門技施設計方案研究

2.1 舌瓣門結構特點

弧形舌瓣門是水利水電工程中的一種復式弧形組合閘門，弧形組合閘門由上部開口的弧形閘門與鉸接在弧形閘門開口內的弧形舌瓣門組成。弧形舌瓣門的側邊和底邊與弧形閘門止水配合，背面與液壓啟閉機構鉸接，液壓啟閉機構裝在弧形閘門下游面，在弧形閘門關閉的情況下，可通過控制液壓缸的伸縮進行弧形舌瓣門的開和關。

2.2 舌瓣門技施方案

舌瓣門增設在原總體布置、孔口尺寸與設計水位不變的條件下進行。舌瓣門按現行標準NB/T 35055-2015《水電工程鋼閘門設計規范》設計，動力系數取1.1，容許應力調整系數取0.9。通過查閱國內外弧形舌瓣門的相關資料，結合以往經驗，確定弧形舌瓣門技術方案如下。

（1）弧形舌瓣門結構設計方案。在現役弧形工作閘門的上部中間位置開口，孔口尺寸為6.0 m×2.26 m（寬×高），以安裝舌瓣門。在開口處加設筋板和肋板，以保證閘門的局部剛度和強度。在開口的兩邊分別安裝兩塊側板，作為側止水板。舌瓣門為焊接結構，弧門半徑為4.6 m，門葉板材選用與弧門相同的Q345B，型鋼選用Q235B，布置兩根實腹板主梁。舌瓣門底部支鉸用底軸與弧形工作閘門連接，采用偏心可調式支鉸座，以保證左右支鉸的同心度，支鉸軸套采用自潤滑材料。舌瓣門底止水為P型橡皮，在舌瓣門啟閉過程中，P頭始終緊貼弧形面板，保證密封。側止水為L 型橡皮，在舌瓣門啟閉過程中，L 型橡皮緊貼側止水板滑動，保證密封。每扇弧形舌瓣門上還設有自動機械鎖定裝置，鎖定塊設于弧形閘門側擋板上，左右對稱各一套，保證在弧形工作閘門擋水和運行操作時，舌瓣門的液壓啟閉機活塞桿不受力，由機械鎖定裝置使舌瓣門始終處于關閉狀態。

圖2 弧形舌瓣門（單位：mm）Fig.2 The tainter flap gate

（2）舌瓣門防腐方案。防腐方案直接影響閘門的使用壽命和維護成本，舌瓣門工作環境為水位變動的干濕交替狀態，因此防腐材料應選用耐水性好、層間附著力強、耐干濕交替等綜合性能較優的涂料。涂料的選購、涂裝前的金屬表面處理、施工方法、保護涂層的質量檢查、驗收標準等均按DL/T 5358-2006《水電水利工程金屬結構設備防腐蝕技術規程》執行。舌瓣門涂料類型、漆膜厚度的選擇見表3。

表3 舌瓣門涂料類型和漆膜厚度Table 3 The type and thickness of the paint for flap gate

2.3 舌瓣門驅動及控制關鍵技術要求

（1）舌瓣門液壓啟閉機的布置方案。舌瓣門的啟閉操作采用500 kN 液壓啟閉機，根據舌瓣門的操作方式，油缸需布置在舌瓣門下游中部，并將弧門作為舌瓣門油缸的支撐點，油缸上部吊頭與舌瓣門吊耳相連，油缸下部支座與弧形工作閘門相連，支撐處均設筋板對弧門進行局部加強。油缸的進/出油管沿弧門門葉后翼緣→弧門支臂→弧門支鉸牛腿→閘墻→油管溝→機房油箱。

（2）舌瓣門液壓啟閉機的操作方式。開啟時，液壓缸先將舌瓣門往上游方向推動，使鎖定塊脫離舌瓣門，從而解除舌瓣門的鎖定，在門重及水壓力的作用下，舌瓣門開啟；關閉時，由液壓缸將舌瓣門頂起，當鎖定塊卡進位于閘門頂部的擋塊后，舌瓣門關閉。為保證舌瓣門及同孔弧形閘門的安全運行，兩者之間的操作應存在閉鎖關系，即當同孔弧形閘門處于全關位置時舌瓣門才能開啟，當舌瓣門關閉到位并鎖定后同孔弧形閘門才能開啟。

（3）結合現有泵站房情況，舌瓣門驅動及控制系統改造方案要求為：舌瓣門的液壓及電氣控制系統與原閘門相互獨立，設置一套獨立泵站，泵站包括控制閥組、油泵電動機組、油箱和電氣控制柜。舌瓣門電氣控制柜需接入動力電源和控制電纜，與集控進行通訊，接受遠方控制，并將舌瓣門位置信號接入泄洪閘弧門電氣控制系統，形成操作互鎖。

3 舌瓣門增設施工方案措施

3.1 交通和環保要求

因電站壩面公路作為市政交通道路開放使用，施工方案必須考慮施工過程對交通和環境的影響，這也是改造能否實施的必要條件之一。通過詳細分解改造工作內容，可以將工程以內業與外業相結合的方式進行，內業為工廠內作業，對交通和環境沒有影響，而部分外業工作如弧門的切除件吊裝、舌瓣門門體及附件吊裝就位、泵站及電控柜吊裝就位等，道路需做階段性的短暫封閉，施工過程中采取相應措施可避免對現場交通和環境產生大的影響。

3.2 施工工期研究

（1）根據多年水情，一般非汛期為每年10月到第二年的3 月，現場施工只能利用非汛期進行，需盡量縮短時間。

（2）舌瓣門增設工作分項工期如表4。

表4 舌瓣門增設工作分項工期Table 4 Periods of sub-projects of flap gate installation

第1 項工作在工廠內完成，后面4 項工作需要現場實施。按照表4 中的時間估算，1 孔舌瓣門改造現場作業大約需要5周時間，由于左河槽閘門現場施工時只能利用唯一的1 孔浮式檢修門作封堵使用，5 孔舌瓣門改造共計需要25 周直線工期時間。考慮施工期間國定假日、雨雪大風等因素的影響，施工期還會加長。但是，通常從第二孔開始，受益于施工經驗的累積，以及第4、第5項部分工作的同時施工，整體的實際工期會逐漸縮短。因此，在一個非汛期即6 個月內完成現場改造施工是可以實現的。

4 結語

通過對湖南沅水桃源水電站泄洪閘弧門增設舌瓣門的研究，以最小的棄水損失安全有效地解決了左河槽庫區表層水的流動與交換問題，在阻斷表層水累積氧化的同時兼顧放水經濟性和操控安全性，為改善水質、保護水庫生態環境、提高居民生活幸福指數提供了很好的解決方案。弧門一般為電站的主要泄洪設施，其改造方案往往涉及電站發電運行、度汛安全，以及對原鋼結構、土建結構、環境、交通的影響等，與新建電站相比，考慮和牽涉的面更廣、更復雜。桃源水電站泄洪閘弧門增設舌瓣門的改造方案研究值得類似電站借鑒使用。■