盖下坝水电站金属结构设计

李大伟，赵玉霞，马会全，温占营

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司 ,吉林 长春 130021；2.中国水电顾问集团北京勘测设计研究院 ,北京 100024；3.辽宁蒲石河抽水蓄能有限公司 ,辽宁 丹东 118200）

1 概述

盖下坝水电站位于重庆市云阳县和奉节县境内的长江一级支流长滩河中上游河段，盖下坝水电站开发的主要任务是发电。水库总库容3.54×108m3，电站装机容量120 MW。

盖下坝水电站金属结构设备主要布置在泄洪系统、引水发电系统和施工导流系统等部位。金属结构设备共有闸门（含拦污栅）9扇，埋设件10孔，启闭设备8台（套），以及与金属结构设备有关的附属件等。

2 泄洪系统

泄洪系统设有3个泄洪表孔，孔口尺寸为12.0 m×14.0 m（宽×高，下同），每孔均设1扇工作闸门用于控制泄洪，为满足工作闸门及其门槽检修的要求，一般应在泄洪表孔工作闸门的上游侧设置检修闸门，结合该工程的具体情况，通过对水文规划资料的分析,水库46年中水位低于堰顶高程连续2个月的概率有42年，且在每年2、3月份，该地区在此时期气温符合闸门检修要求，故经论证泄洪表孔工作闸门前不设检修闸门，不但节约了金属结构设备投资，同时还缩短了闸墩的长度也节省了土建工程量。

泄洪表孔工作闸门型式通常有平面定轮工作闸门和弧形工作闸门两种型式，根据该工程泄洪要求，该闸门有局部开启要求。因此经技术经济比较后采用弧形闸门。

弧形工作闸门启闭设备比较了液压启闭机和弧门固定卷扬启闭机两种型式。液压启闭机可以布置在闸墩侧面，总体布置上整齐、美观，且较固定卷扬启闭机易实现可靠的远程信号传输及闸门控制，而弧门固定卷扬启闭机布置上需要在闸墩之间设置启闭机排架，增加了土建工程量，实现远程控制的制约因素也较多。虽然液压启闭机造价较弧门固定卷扬启闭机略高，但节省了土建工程量。经综合比较后选定液压启闭机做为弧形工作闸门的启闭设备。根据设备布置和启闭力计算该弧形工作闸门，采用2×1600 kN后拉式液压启闭机操作，液压启闭机吊点分别布置在弧门下主梁两端。3台液压启闭机分别设3套独立泵站，液压机泵站布置在394.00 m高程的闸墩上，1台液压机设1套泵站，每个泵站均设两套互为备用的油泵电机组。

水库调度原则为正常蓄水位启门泄洪，因此闸门按正常蓄水位392.00 m设计，泄洪表孔堰顶高程379.00 m，弧形工作闸门设计水头为14.00 m，门顶超高取0.5 m，闸门支铰布置在387.00 m高程，操作方式为动水启闭，局部开启泄水时，如出现振动区应避开运行。

弧形工作闸门主受力框架结构为钢板焊接结构，闸门主体材料为Q345-B，采用两个主横梁斜支臂支撑。主横梁及支臂均为焊接组合结构，主横梁横截面为工字形，支臂横截面为箱形，弧门面板外缘曲率半径为15 m。弧形工作闸门按国家运输界限的有关规定，门叶按5个单元分节设计制造运输，工地焊接拼为整体。弧形工作闸门支铰轴承选用新型自润滑关节轴承，关节轴承较相同直径的圆柱面滑动轴承具有很高的比压，避免了轴承在受到较大压力时由于圆柱面滑动轴承允许压力较低，而需要人为加大支铰轴直径导致弧形闸门支铰装置过大问题。选用新型自润滑关节轴承另一大优点是允许径向有少量偏角，因此具有自动调心的功能，能补偿弧形闸门制造及安装产生的部分偏差，能降低闸门在运行过程中可能出现的闸门门叶结构卡、阻现象及避免出现较大边缘轴承剪应力。

3 引水发电系统

引水发电系统由进水口和厂房尾水两个部位组成。 进水口设拦污栅和平面事故检修闸门及其启闭设备。尾水设一道检修闸门及其启闭设备。

3.1 进水口拦污栅及启闭机

为了拦截污物，保证机组的正常运行，在引水隧洞进水口前端设有一道两孔活动式直立拦污栅，拦污栅孔口尺寸为5.0 m×9.0 m，设计水头差取为4 m，底坎高程为341.00 m，检修及清污平台高程为394.50 m，拦污栅清污方式通过调查了解库区多为植被较好的山区，基本无规模以上人口聚集区因此生活垃圾极少，另外调研了近几年该地区已建成运行的水电站，仅在蓄水初期存在少量树枝、灌木堆积在拦污栅前，且未对拦污栅使用产生实质性影响。因此经分析认为该电站设置永久清污设备的必要性不大，最终采用投资较少且相对简单的提栅清污方式。

进水口共设拦污栅2扇，因数量较少宜采用固定卷扬式启闭机一栅一机布置方式。拦污栅要求在静水中启闭，根据栅体自重（含拉杆）和附着在栅体上污物重量并参考启闭机启闭力系列标准确定启闭机容量，经计算采用QP-1×250 kN固定卷扬式启闭机操作。考虑到拦污栅应能整体提出检修及清污，因此启闭机布置在406.50 m高程平台上。

拦污栅长年处于孔口位置，因此启闭机钢丝绳长期处于水中，水面处钢丝绳经常处水与空气两种交替状态极易发生锈蚀，即使采用不锈钢钢丝绳由于电离的化学作用也不能完全避免。为解决这一问题在拦污栅与启闭机吊具间采用拉杆连接，拉杆顶部伸出清污平台并且锁定在此平台上。此连接方式不利之处在于提栅清污或拦污栅需要检修维护时，需多次拆卸拉杆才能将拦污栅提出孔口，但考虑到工程正常运行后，提栅工况极少，操作上还是可以接受的。

进水口拦污栅为框架直立式板梁焊接结构，拦污栅主体材料为Q235-B，按国家运输界限的有关规定分3节设计制造运输，拦污栅节间采用销轴配合连接板活动连接，以便提栅清污和检修维护时方便拆卸，拦污栅主反支、承均采用铸铁滑块。

3.2 进水口平面事故检修闸门及启闭机

该水电站为引水式开发方式，引水隧洞较长，从分析上看，当引水隧洞较长时，在引水隧洞进水口设事故闸门较为有利，比较灵活可靠，一旦引水隧洞及机组前蝶阀发生事故，事故闸门可作为安全备用闸门。因此要求闸门能够动水关闭孔口截断水流，起到事故保护和防止事故扩大的作用。引水隧洞及机组前蝶阀日常维护检修时，事故闸门可在静水中启闭。综合考虑该闸门的使用工况，操作要求按动水闭门静水启门确定。因此在拦污栅下游侧设有一道事故检修闸门。事故检修闸门孔口尺寸为4.5 m×5.6 m，闸门底坎高程为341.00 m，闸门检修平台高程为394.50 m。闸门按正常蓄水位392.00 m设计，设计水头为51 m。经计算闸门动水闭门时，闸门自重不足以克服水压力产生的摩阻力闭门截断水流，设计上经常采取2种方式解决，第一种利用闸门井形成顶主梁水柱压力从而动水闭门，这样闸门需要设成下游止水且面板应位于上游侧，在这种情况下闸门井内无论闸门是否处于挡水状态，闸门井始终处于有水状态，须在闸门槽下游侧另设通气孔并在其中设置从闸门检修平台至引水隧洞的爬梯。由于闸门顶主梁水柱压力的存在，作用在闸门上的持住力较大所需启闭机容量相对较高。第二种是在闸门门叶内加足够的混凝土或铸铁配重，最后选择在门叶梁格内放置铸铁加重块，以此满足动水闭门的要求，此时闸门可以采用上游止水，闸门井可兼做通气孔并设置从检修平台至闸门井底部的爬梯。结合本工程的具体情况，经综合分析比较后闸门选定第二种方式设计。为满足闸门静水启门的要求，闸门采用节间充水，当闸门前后水压差小于规定的数值后静水启门。该事故闸门为1孔1扇，宜选用固定卷扬式启闭机操作一门一机方式布置。根据闸门各工况下的启闭力计算成果，启闭设备选用1×1250 kN高扬程固定卷扬式启闭机。闸门平时可锁定在闸门检修平台，因此不存在启闭机钢丝绳长期泡水的问题，可采用高扬程启闭机与闸门直接连接方式，避免了拆装拉杆的麻烦。启闭机安装高程根据闸门高度，启闭机上极限及闸门吊出检修平台的富裕空间确定，启闭机布置在405.50 m高程的平台上。

事故检修闸门为焊接结构，闸门主体材料为Q345-B，主横梁采用工字型实腹等截面焊接钢梁，闸门主支承采用偏心轴定轮，以便在工地安装时，能根据闸门制安和埋件安装质量情况，调整各主轮踏面高度，使各主轮踏面尽量在同一平面内。门叶按国家运输界限有关规定分上、下2节制造及运输，在工地节间采用销轴配合连接板活动连接以满足节间充水要求。闸门面板布置在上游侧，闸门止水方式采用上游止水。

3.3 厂房尾水检修闸门及启闭机

在厂房尾水处设一道检修闸门，3孔2扇。因此必须设置移动式启闭机，以满足闸门转运的要求。尾水闸门功能是当机组检修、维护时，挡下游尾水所以属检修闸门，静水启闭即可。为满足发电初期机组安装要求，须另增设1扇临时尾水管封堵闷头，机组安装完成后割除。启门时，利用机组旁通管充水平压，静水提门水头差要求不大于1.0 m。闸门的启闭设备选用2×63 kN单向门式启闭机，配自动抓梁操作。启闭机布置在218.00 m尾水检修平台上。

闸门孔口尺寸为3.58 m×2.39 m，综合考虑施工期及电站运行期工况，闸门挡水位按设计尾水位210.04 m（P=2%）设计，闸门底坎高程为196.45 m，设计水头为15.0 m。该闸门为焊接结构，双吊点，闸门主体材料为Q235-B，采用横梁式工字型实腹等截面焊接钢梁，闸门采用铸铁滑块支撑，闸门尺寸较小门叶可整体制造运输。闸门面板布置在厂房侧，止水方式采用厂房侧止水。

4 施工导流系统

在导流洞进口设1扇平面滑动工作闸门，用于水库蓄水时下门截断水流。导流闸门孔口尺寸为8.0 m×7.22 m，底坎高程为270.00 m，根据工程蓄水进度计划和导流洞封堵时间安排，导流闸门最终挡水位按正常蓄水水位392.00设计，导流闸门的设计水头高达124 m。

导流闸门动水下闸水位为272.40 m，导流闸门动水闭门水头2.4 m，经复核闸门自重能够满足动水关门要求。

导流闸门下闸蓄水后，一旦出现不可预测的情况，应能及时动水提门，终止水库蓄水。因此闸门考虑蓄水下闸蓄水后，24 h库水位287.70 m作为闸门动水启门水位，动水启门计算水头18 m。闸门安装平台高程282.0 m也参考此水位确定。闸门采用1台固定卷扬机操作，经计算启闭容量为2×1600 kN。启闭机安装高程考虑蓄水后启闭机拆除时间及闸门现场拼接空间确定，最终按下闸后72 h库水位并考虑一定的超高，确定为296.0 m。为保证导流闸门下闸后其启闭机能够及时拆除回收，启闭机与闸门间设短拉杆连接，且在闸门完全关闭后，短拉杆可在闸门安装平台（高程282.0 m）锁定，以便启闭机拆除时其吊具能及时与拉杆分离，而不至于破坏吊具，使启闭机能安全撤离。

该闸门为焊接结构，双吊点，闸门主体材料为Q345-B，采用横梁式工字型实腹变截面焊接主梁，闸门主支承采用高强度铜基镶嵌钢背复合材料滑道，按国家运输界限有关规定分3节制造及运输，到达工地后在282.0 m高程平台焊接拼成整体。闸门面板布置在下游侧，止水方式采用下游止水。