引水式电站金属结构设计分析

杨　薇

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550000)

引水式电站金属结构设计分析

杨薇

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550000)

摘要：引水式电站金属结构设计是水利水电工程金属结构设计中比较常见的类型，其设计质量对于整个电站枢纽的运行管理而言有着极其重要的作用。结合具体的工程实例对引水式电站金属结构设计进行了详细分析。

关键词：引水式电站；金属结构设计；闸门；启闭机

1概述

坝王河流域是红水河水系蒙江的一级支流，位于贵州省南部黔南州地区，河流全长162.2 km，总落差1 246 m，流域面积2 351 km2。

小井水电站是坝王河干流梯级开发的第五级，工程任务以发电为主，兼顾灌溉，电站总装机容量为90 MW，主要由小井引水工程和小井水电站工程两大部分组成。

小井引水工程：小井上游排竹水库为己建成工程，水库总库容为408万m3，因排竹坝下游岩溶强发育，河谷为悬托河，在天然状态下河水渗入地下暗河，故在排竹坝处修建1条引水隧洞(排竹隧洞)，避开暗河段，途经下游新寨天然河道至小井水库，设计引用流量22.4 m3/s。

小井水电站工程：小井水电站为高水头的径流式电站，坝顶高程815 m以下库容为23.5万m3。由于受下游河道伏流影响，常年洪水因泄流不畅，形成天然雍水水库，使大坝上下游水位齐平，大坝深潜入水下，故水库最大库容为0.42亿m3。在小井水库摆细坝处设置了1条发电引水隧洞(小井隧洞)，设计引用流量28.2 m3/s。

根据枢纽总体布置的需要，共设置了以下几项金属结构设备：一是引水工程排竹隧洞进口事故闸门及工作闸门；二是小井发电引水隧洞进口安全栅、事故闸门及工作闸门；三是前池进水口拦污栅、事故闸门；四是厂房大、小机组尾水闸门。总计门(栅)体重133 t，门(栅)槽埋件重82 t，配套启闭设备选用固定卷扬式启闭机、台车式启闭机及深孔式弧门液压式启闭机几种型式，共10台。

2引水工程

在排竹隧洞进水口处沿水流方向依次设置了1扇平面事故闸门和1扇弧形工作闸门，事故闸门用于下游工作闸门及隧洞的事故性保护及检修，工作闸门则用于控制上游引水流量。

2.1　事故闸门

孔口尺寸2.5 m×3 m，设计水头13 m，闸门底槛高程853.80 m，门槽顶部高程867.00 m，闸门型式采用平面定轮钢闸门。为使闸门在启闭过程中运行平稳，在门体上设有4套简支式侧轮，止水装置设在闸门的下游面，顶侧止水为P型橡皮止水，底止水为刀型橡皮止水。闸门主材Q235B，重量7 t。闸门运行条件为动闭静启，门顶设置充水阀，配置1台水位差计，用于监测闸门前后的充水平压情况，闸门闭门时利用水柱闭门。该闸门平时锁定于门槽顶部的检修平台上，当下游工作闸门及隧洞出现事故或需要检修时，动水闭门(利用水柱加重)，检修完毕后用门顶充水阀充水平压，当水位差计上显示闸门前后的水位差≤5 m时，再开启闸门至检修平台处锁定。门槽埋件包括主反轨、门楣及底槛等，其中主轨为铸钢件，埋设件安装在预留的二期混凝土内，其定位是利用一期混凝土内伸出的预埋锚筋与埋件上的拉筋进行调整对位后焊接固定，埋件重量7 t。为了满足闸门后的补气需要，在靠近闸门的下游胸墙附近设置了1个φ700的通气孔。启闭机采用1台固定卷扬式启闭机，型号为QP—2×160 kN—15 m，操作方式为手电两用。闸门门体的检修可在高程为867.00 m的检修平台上进行。

2.2　工作闸门

孔口尺寸2.5 m×2.5 m，设计水头13 m，闸门底槛高程853.80 m，门体型式采用潜孔式弧形钢闸门，门叶结构为主横梁直支臂型式，支铰轴承采用钢臂复合材料圆柱轴承，支铰高度3.75 m，弧门半径5 m。止水装置设在闸门的上游面，侧止水采用方头P形止水，底止水为刀型橡皮止水。为防闸门在启闭过程中产生门顶射水，顶止水设置为2道，其中一道设于门顶上，另一道设于门楣上。为使闸门启闭平稳，在门体的2根边梁上分别设置了2套简支式侧轮。门体主材采用Q235B，重量8 t。埋件包含主侧反轨、门楣、止水座及底槛等，安装在预留的二期混凝土内，其定位是利用一期混凝土内伸出的预埋锚筋与埋件上的拉筋调整对位后焊接固定，埋件重量3 t。闸门运行条件为动水启闭，与闸门配套的启闭机采用1台深孔式弧形闸门液压启闭机，型号为QHSY—250 kN/150 kN—3.97 m，其附属设备液压泵站及电气操作柜等放置于闸门上方的启闭机室内。配置1台开度仪，用于闸门的开度控制。工作闸门若需检修，动水关闭其上游的进口事故闸门即可。

3引水隧洞工程

在小井隧洞进口处沿水流方向依次设置了1扇安全栅、1扇事故闸门和1扇工作闸门，安全栅用于拦截水库上游的大块污物，以免进入洞内，事故闸门用于下游工作闸门及隧洞的事故性保护及检修，工作闸门则用于调节控制发电引水流量。

3.1　安全栅

孔口尺寸7 m×7 m，设计水头4 m，底槛高程为808.336 m，栅体形式为平面直立活动式，安全栅为粗格设置，栅体主材Q235B，重量18 t(含吊杆)，埋件主材同栅体，重量8 t。启闭机采用1台固定卷扬式启闭机，型号为QP—2×160 kN—8 m，操作方式为手电两用。设置1台水位差计用于监测栅体前后的水位差，该水位差不得>4 m。拦污栅清污方式为人工清污，栅体的检修可在高程为840.00 m的检修平台上进行。

3.2　事故闸门

孔口尺寸4 m×5 m，设计水头25 m，校核水头32 m，闸门底槛高程808.336 m，门槽顶部高程840.00 m，闸门型式采用平面定轮钢闸门。为使闸门在启闭过程中运行平稳，在门体上设有4套简支式侧轮，止水装置设在闸门的下游面，顶侧止水为P型橡皮止水，底止水为刀型橡皮止水。闸门主材Q235B，重量29 t。闸门运行条件为动闭静启，门顶设置充水阀，配置1台水位差计，用于监测闸门前后的充水平压情况，闸门闭门时利用水柱闭门。该闸门平时锁定于门槽顶部的检修平台上，当下游工作闸门及隧洞出现事故或需要检修时，动水闭门(利用水柱加重)，检修完毕后用门顶充水阀充水平压，当水位差计上显示闸门前后的水位差≤5 m时，再开启闸门至检修平台处锁定。门槽埋件主材Q235B(其中主轨为铸钢)，重量28 t。为了满足闸门后的补气需要，在靠近闸门的下游胸墙附近设置了1个φ1 100的通气孔。由于闸门从关闭位置到检修平台的启吊高度较大，启闭机采用1台固定卷扬式高扬程启闭机，型号为QPG—1 600 kN—33 m，操作方式为电动。闸门门体的检修可在高程为840.00 m的检修平台上进行。

3.3　工作闸门

孔口尺寸4 m×4 m，闸门底槛高程808.336 m，设计水头25 m，校核水头32 m，门体型式采用潜孔式弧形钢闸门，门叶结构为主横梁直支臂型式，支铰轴承采用自润滑圆柱铰轴承，支铰高度6 m，弧门半径8 m。止水装置设在闸门的上游面，侧止水采用方头P形止水，底止水为刀型橡皮止水。为防闸门在启闭过程中产生门顶射水，顶止水设置为2道，其中一道设于门顶上，另一道设于胸墙上。为使闸门启闭平稳，在门体的2根边梁上分别设置了2套简支式侧轮，门体主材采用Q235B，重量28 t。门槽埋件主材Q235B，重量6 t。闸门运行条件为动水启闭，与闸门配套的启闭机采用1台深孔式弧形闸门液压启闭机，型号为QHSY—800 kN/300 kN—5.9 m，其附属设备液压泵站及电气操作柜等放置于闸门上方的启闭机室内。配置1台开度仪，用于闸门的开度控制。工作闸门若需检修，动水关闭其上游的进口事故闸门即可。

4前池进水口拦污栅、事故闸门

在压力前池取水口处按水流方向依次设置有1扇拦污栅和1扇事故闸门，分别用于拦截水库的污物及作为下游蝶阀与电站厂房等建筑物的事故性保护。

4.1　拦污栅

孔口尺寸7.6 m×6 m，设计水头4 m，底槛高程为792.50 m，栅体形式为平面直立活动式，栅体主材Q235B，重量16 t(含吊杆)，埋件主材同栅体，重量6 t。启闭机采用1台固定卷扬式启闭机，型号为QP—2×160 kN—8 m，操作方式为手电两用。设置1台水位差计用于监测栅体前后的水位差，该水位差不得>4 m。拦污栅清污方式为人工清污。门体的检修可在高程为804.00 m的检修平台上进行。

4.2　事故闸门

孔口尺寸为2.6 m×2.6 m，设计水头11 m，闸门底槛高程792.50 m，门槽顶部高程804.00 m，闸门型式采用平面定轮钢闸门，为使闸门在启闭过程中运行平稳，在门体上设有4套简支式侧轮，止水装置设在闸门的下游面，顶侧止水为P型橡皮止水，底止水为刀型橡皮止水。闸门主材Q235B，重量6 t。闸门运行条件为动闭静启，平压方式采用小开度提门充水平压，配置1台水位差仪，用于监测闸门前后的充水平压情况，闸门闭门时利用水柱闭门。该闸门平时锁定于门槽顶部的检修平台上，当下游厂房等出现事故或需要检修时，动水闭门(利用水柱加重)，检修完毕再小开度提门充水平压，当水位差计上显示闸门前后的水位差≤5 m时，再开启闸门至检修平台处锁定。门槽埋件主材Q235B，重量6 t。为了满足闸门后的补气需要，在靠近闸门的下游胸墙附近设置了1个φ600的通气孔。启闭机采用1台固定卷扬式启闭机，型号为QPG—250 kN—13 m，操作方式为电动。门体的检修可在高程为804.00 m的检修平台上进行。

5厂房尾水检修闸门

电站共设有3台机组，其中有2台为大机组，1台为小机组，在每台机组的尾水管出口均设有1扇尾水闸门，用于电站水轮机组的检修。

大机组尾水闸门孔口尺寸为2.76 m×2.76 m，小机组尾水闸门孔口尺寸为1.74 m×1.74 m，设计水头分别为10、8 m，底槛高程分别为416.099、418.50 m。闸门型式均采用平面滑动钢闸门，主支承为4个钢滑块。为使闸门启闭平稳，在门体上设有4个悬臂侧轮和4个弹性反轮，止水设在背水面，顶侧止水为P型橡皮止水，底止水为刀形橡皮止水，门体主材Q235B，大机组尾水闸门单扇重8 t，小机组尾水闸门单扇重5 t。门槽埋件包括主反轨、门楣及底槛等，主材Q235B，大机组尾水闸门单孔埋件重7 t，小机组尾水闸门单孔埋件重4 t，闸门运行条件均为静水启闭。与大机组尾水闸门配套的启闭机采用固定卷扬式启闭机，型号为QPQ—250 kN—13 m，1门1机布置，数量共2台，操作方式为手电两用。与小机组尾水闸门配套的启闭机采用1台固定卷扬式启闭机，型号为QPQ—160 kN—11 m，操作方式为手电两用。每扇闸门均配有1台水位差计，用于监测闸门在启门前的充水平压情况，闸门的充水方式为利用水轮机的排水管从下游充水平压，当水位差计上显示闸前闸后的水位差<1 m时，才提升闸门至检修平台处锁定。闸门门体的检修可在高程为432.25 m的检修平台上进行。

6结语

综上所述，引水式电站金属结构设计具有一定的特殊性，其设计是一项复杂而又系统的工作，需要设计人员在综合全面考察和了解的基础上，选定出最优的设计方案。另外，具体的金属设备选择也需要根据工程建设地区的特点以及运行特点进行，这样才能保证设备的适用性。

参考文献：

[1]陆伟.马堵山水电站金属结构设备设计和布置、选型优化[J].人民珠江，2011，32(3)：46_49.

[2]尹显清，杨光勇.松山河口水电站工程金属结构的布置设计和操作运行[J].云南水电技术，2011(1)：52_54.

■

责任编辑吴昊

作者简介：杨薇(1965-)，女，高级工程师，主要从事水工金属结构设计方面的工作。

收稿日期：2015-08-21