丰满工程进水口分层取水金属结构设计

马会全

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春130021）

1 概 述

丰满水电站是我国第一个因病坝，必须采取有效措施进行全面治理重建的工程项目。工程位于吉林省境内第二松花江干流上的丰满峡谷口，距吉林市16 km。新建工程为一等大（Ⅰ）型，开发任务以发电为主，兼有防洪、灌溉、城市及工业供水、养殖和旅游等综合效益，新建电站共安装6 台机组，总装机容量1 200 MW。

2 进水口分层取水金属结构设备布置

进水口分层取水采用单管单机布置，6 台机共设置6 个引水管道。在每个进水口沿水流方向各设置1 道叠梁闸门、拦污栅、检修闸门和快速闸门。

近年来，随着对生态环境保护的重视，降低下泄低温水对生态环境产生不利影响，水电站引水发电系统进水口分层取水方式正逐渐被采用。丰满重建工程是我国北方第1 座进水口利用叠梁闸门实现分层取水措施的大型水电站，进水口分层取水设置在大坝右岸。国内已建的分层取水进水口布置，通常为沿水流方向由上游至下游依次布置为拦污栅、叠梁闸门、检修闸门及快速闸门。由于该工程地处东北严寒地区，冬季时间长达5 个月之久，并且极端气温可达到-42.5 ℃，进水口处冬季有冰盖形成，厚度约1.5 m 左右，并且水位变化幅度较大，这样，拦污栅布置在最前端处于校核洪水位之上，冬季会由于冰盖上下位置的变化而被破坏，为保证拦污栅冬季的正常运行，解决冰冻问题，进行了多方案的比较，但由于拦污栅栅体前后为动态水流，采用除冰方式来解决冰冻问题的方案并不十分可靠，且投资较大。为此，该工程采用拦污栅后置于叠梁闸门方案，解决了拦污栅冰冻问题。

3 叠梁闸门及其启闭设备

叠梁闸门为分层取水不可或缺的重要设备之一，运行期间随库水位的变化，可通过增加或减少叠梁门数量达到控制下泄水温的目的。在每个进水口前端布置3 孔叠梁门，共设置叠梁闸门18 孔18 扇，为避免叠梁闸门的检修、维护及损坏对工程正常运行的影响，另设置一扇备用叠梁闸门。每扇叠梁闸门分9 节，单节高度3 m，共171 节叠梁闸门。叠梁闸门的功用要求其门顶过水，闸门会出现振动现象，加上机组出现事故，快速闸门的突然关闭对闸门产生反向水锤压力。因此，其结构设计不同于其他闸门，通过多方案比较人工计算及模型试验，闸门结构型式门顶部为流线型的平面滑动式。闸门孔口尺寸为7.0 m×27.0 m（宽×高，下同）。按4 m 水头差设计计算，其下节闸门作用在220.00 m 高程的底槛上，闸门检修平台高程为269.50 m。闸门为焊接结构，主体结构材料根据其工作环境温度、操作条件及设计工况选为Q345B，主横梁采用工字型实腹等截面焊接结构，为防止梁格内积累污物，造成闸门结构破坏，面板布置在上游侧，闸门主支承采用复合滑道支承兼做侧止水，具有较低的摩擦系数及较高的耐磨性，可以大大减小启闭力，降低启闭机容量，节省了工程投资。

闸门的操作方式为动水启闭。为减小坝面的布置宽度，节约工程投资，选用与拦污栅共用的2×400 kN 双向门式启闭机配抓梁来操作。双向门机的容量及轨上扬程由拦污栅确定，总扬程由叠梁闸门操作要求确定，可分别携带2 套抓梁1 套起重吊具及清污抓斗，用于进水口叠梁闸门的启闭、拦污栅的启闭及栅前的清污。启闭机现地操作，门机由小车机构（包括起升机构及小车行走机构）、机房、清污抓斗、大车行走机构、门架、走梯、电缆卷筒、夹轨器、风速仪及电气组成。启闭机上设有带数码显示仪表的高度限制器、过负荷装置、风速仪等安全措施。 门机轨道安装在269.50 m高程坝面上，叠梁闸门的检修与维护也在此坝面上进行，叠梁闸门冬季无运行要求时置于门库内。

4 拦污栅及其启闭设备

为有效地拦截污物，保证机组有效出力，在叠梁门的下游侧设一道潜孔直立式活动拦污栅，每个进水口设3 孔3 扇，共设置拦污栅18 孔18 扇。拦污栅孔口尺寸为8.0 m×11.2 m，设计水头差为4 m，底槛高程为222.00 m，其检修维护及清污平台高程为269.5 m。拦污栅结构设计为框架直立式板梁焊接结构，结构按国家运输单元划分标准沿高度方向设计成7 节制造运输，节间采用销轴配合连接板活动连接，在工地组装。以利于提栅清污时装卸方便和检修维护，拦污栅正反向均设有铸钢滑块，侧面设有钢滑块导向。

通过对原丰满库区污物情况的调查了解，原电站进水口处污物很少，近些年来未对机组发电运行产生实质性影响。但是考虑2010年洪水时期库区存在污物堆积情况，为安全起见，在分层取水口双向门机上设置了清污抓斗，以便清除拦污栅前至叠梁门之间水面上堆积的污物。

选用与叠梁门共用的启闭容量为2×400 kN双向门机配自动抓梁进行操作，采用提栅人工及辅以清污抓斗联合清污。门机轨道安装在269.50 m 高程坝顶上，拦污栅的清污、检修与维护也在此坝顶处进行。

5 检修闸门及其启闭设备

在拦污栅的下游侧设一道平面滑动检修闸门及与其相应的埋件，依据闸门的使用频率，6 孔可配置1 扇检修闸门，用于快速闸门及其埋件检修时挡水。检修闸门孔口尺寸为8.0 m×11.2 m，其底板高程为222.00 m，按正常蓄水位设计，取系列水头为45 m。检修闸门为焊接结构，主体材料根据其工作环境温度、操作条件及荷载工况设计为Q345B，主横梁采用工字型实腹等截面焊接结构，为降低启闭机容量，节约工程投资，主滑道选用摩擦系数低，抗压强度高的钢基铜塑复合材料。门叶结构按国家运输单元划分标准沿高度方向设计成4 节设计、制造、运输。在现场焊接连成2 节，节间采用销轴配合连接板活动连接。

闸门的操作条件为静水启闭，考虑进水口流速较小，采用节间充水平压方式，进行充水平压，当闸门前后水位差达到预先设计值时静水启门，不工作时存放在门库内，结合快速闸门启闭设备的安装与检修选用2×1 250 kN 双向门式启闭机配液压抓梁来操作。门机轨道安装在269.50 m 高程坝面上，闸门的检修与维护也在此坝面上进行。

6 快速闸门及其启闭设备

在检修闸门的下游侧设一道平面快速闸门及与其相应的埋件，共设6 孔6 扇快速闸门，在机组和引水隧洞发生事故时可起到快速保护作用。快速闸门门型选择：经比较，快速闸门采用上游止水，定轮支承时，闸门不仅自重较重，而且还要另需加配重，采用下游止水，滑道支承时，闸门自重较轻，可利用水柱下门，而且不需另加配重，且对水工结构有利。经综合比较，快速闸门采用滑动式支承较经济合理，水工布置结构紧凑。闸门平时停在喇叭口上游孔口以上约1.0 m 左右。快速闸门按正常蓄水位263.50 m 设计，其底板高程为222.00 m，闸门孔口尺寸为8.0 m×9.6 m，设计水头为45 m，闸门为焊接结构，主体材料根据其操作条件荷载工况及其工作环境温度设计为Q345B。门叶主横梁为焊接组合工字梁，纵隔板为实腹T 型焊接结构，主横梁采用工字型实腹等截面焊接结构，为降低启闭机容量，节约工程投资，主滑道选用抗压强度高、减摩系数低的钢基铜塑复合材料。门叶结构和吊耳结构按国家运输单元划分标准沿高度方向设计成4 节设计、制造、运输，在现场采用连接板焊接成整节，闸门的检修与维护设置在241.36 m高程的平台上。

闸门的操作方式为利用水柱动水闭门，充水阀充水平压静水启门。经布置和计算，为保证闸门能快速闭门，启闭设备采用液压启闭机配拉杆操作安全可靠，并便于远程控制。每扇快速闸门各由1 台5 000 kN/3 200 kN（持住力/启门力）液压启闭机配拉杆操作，采用一机一泵站布置，为了使坝面整洁、美观，临时交通方便，将泵站布置在坝面269.50 m 高程以下的266.00 m 高程的平台上。启闭机能在中控室远控或机旁盘及现地手动操作。

每扇快速工作闸门的控制不仅具备现地、远方“手动”和“自动”控制功能，还具备对快速工作闸门的启闭控制、液压泵站的自动启停、工作泵与备用泵切换等的控制，并能够对启闭过程中各种工况参数自动监测、显示以及对各种故障状态进行声光报警，“自动”工作模式下的控制系统还能对故障实施必要的处理。泵站内设有足够的照明设备。液压启闭机吊点型式为单吊点，工作行程10.3 m，最大行程10.5 m，液压启闭机的安装与检修利用QMS－2×1 250 kN 双向门机来操作。

7 结 语

丰满重建工程进水口分层取水金属结构设备布置设计，成功解决了寒冷地区拦污栅冬季运行防冰冻问题，节省了大量资金。各闸门及其启闭设备选型合理，满足现行规范要求。叠梁闸门操作运行灵活可靠，满足了下泄水温的要求，保证了下游生态平衡，成果具有创新性，可在同类工程项目中进行广泛的推广和应用。