贯流式机组电站闸门布置设计与研究

李 岗，邢怡芳

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065)

0 引言

在低水头水力资源开发利用中，贯流式水轮发电机组与立轴式机组相比具有能量指标高、投资省、运行性能优等优势，在近年的水电开发中被广泛应用［1］。对于立轴式机组，通常要求在进口设置检修闸门和事故闸门(或快速闸门)，但贯流式电站流道短，上游闸门至机组首部距离很近，闸门动水闭门过程形成的射流直冲灯泡体，容易引起振动，流道内产生的涡流容易导致负压气蚀、导叶损坏。而将工作闸门移置尾水管上能消除这种恶劣条件对机组的不利影响，尤其是要求电站作为泄洪通道和控制航运水位变幅时，则必须将工作闸门布置在机组的下游。另外由于贯流式机组流道平直，机组上下游闸门的设计水头和操作水头相差不大，从经济角度上来看，尾水闸门亦具备作为工作闸门的条件［2］。因此，贯流式机组电站系统闸门通常采用进水口设置检修闸门，尾水管设置事故闸门的布置方式。本文按照现行规范要求，对贯流式机组流道进出水口闸门的各种布置方案进行比较分析，提出各方案的优缺点和适用范围。并对目前贯流式机组电站中采用的厂顶过流方式及尾水事故闸门设计中需注意的问题进行了讨论。

1 贯流式机组进出口闸门布置方案

DL/T 5039—95《水利水电工程钢闸门设计规范》规定:“对贯流式机组电站，进水口宜设置拦污栅、检修闸门(或事故闸门)，尾水出口宜设置事故闸门(或检修闸门)［3］。”按照规范要求，贯流式机组进出水口闸门布置共有4种可行的组合方案。

1.1 方案一

在机组流道进水口处设置1道检修闸门，尾水管出口设置1道事故闸门。与立轴式机组相比，将事故闸门置于机组之后，可避免动水闭门过程中水流可能对灯泡体造成的冲击或损坏。另外由于贯流式机组流道平直，机组上下游闸门的设计水头和操作水头相差不大，从经济角度考虑采用尾水事故闸门亦不会增加太多成本。本方案沿水流方向布置两道闸门，结构紧凑，经济合理，此方案即为目前贯流式机组设计中常用的闸门布置方式。

1.2 方案二

在机组流道进水口处设置1道事故闸门，尾水管出口设置1道检修闸门。根据规范DL/T 5039—95，此布置方案可行。但正如方案一所述，由于贯流式机组流道短，进口闸门距机组灯泡体很近，若将事故闸门布置于进口，动水闭门过程中的射流可能冲击灯泡体，引起震动，流道内产生的涡流容易导致负压气蚀、导叶损坏。因此方案二不适用于贯流式机组电站。

1.3 方案三

在机组流道进水口处依次设置1道检修闸门和1道事故闸门，尾水管出口设置1道检修闸门。本方案相当于在方案二的基础上，进口增加1道检修闸门，以对事故闸门门槽和两道闸门之间流道进行检修。但同样存在方案二中所述的问题，进口布置事故闸门不适用于贯流式机组。且沿流道设置3道闸门，坝体厚度增加，工程量和工程投资都将增加，影响电站经济指标。此方案常应用于引水式地下厂房电站。且当机组有快速闭门保护要求时，事故闸门应具备快速闭门的功能。

1.4 方案四

在机组流道进水口处设置1道检修闸门，尾水管出口依次设置1道事故闸门和1道检修闸门。此方案相当于在方案一的基础上，在尾水增加1道检修闸门。虽然能够为尾水事故闸门门槽提供检修条件，更加安全可靠。但同样由于沿水流方向增加1道闸门，导致坝体厚度增加，混凝土工程量和工程投资都将增加，影响电站经济指标。且贯流式机组电站运行水头较低，尾水事故闸门门槽破坏概率极低，且一旦发生破坏，亦具备水下修复施工的可行性。因此从经济和安全方面综合考虑，方案四安全、可行但不够经济。

综上所述，方案二、三由于在进口设置事故闸门容易引起机组灯泡体振动，导叶破坏，不适用于贯流式机组。方案四虽然更加安全，但与方案一相比，不够经济合理。因此，对于贯流式机组电站，闸门典型布置方式为在机组进口设置1道检修闸门，在尾水管出口设置1道事故闸门。

2 国内贯流机组电站闸门布置情况

对国内已建贯流式机组电站进行了资料收集，并对闸门布置情况进行了归纳总结，结果见表1。由表1可见，已建电站均采用了方案一。其中炳灵水电站和蜀河水电站受电站坝址处地形所限，创新性采用了厂房顶层泄流布置方式。

表1 国内已建贯流式机组电站闸门布置情况

3 厂房顶层泄流布置设计及工程实例

当水电站坝址区河道狭窄，岸坡陡峭，洪峰流量很大时，枢纽的布置如果采用常规的厂房段+泄流段布置，土石方开挖和边坡处理工程量非常大，工程造价急剧增加。近些年在国内一些贯流式机组电站设计中，采用了在厂房顶层设置泄流表孔的布置方式，大大减少了边坡开挖，缩短了工期，经济效益显著。

3.1 黄河炳灵水电站

炳灵水电站位于甘肃省永靖县和积石山县交界处，是黄河上游梯级开发的中型水电站之一。上游距大河家水电站29.5 km，下游距刘家峡水电站44.5 km。工程装机容量5×48 MW，设计多年平均发电量9.74亿kW·h。该电站于2006年11月1日动工兴建，2009年7月1日最后一台机组投产发电。安装了国内目前单机容量最大的贯流式灯泡机组，首次采用了厂顶泄洪溢流和库尾(刘家峡)建坝蓄水设计方案［4］。炳灵水电站机组剖面示意见图1。

引水发电系统依次布置有主拦污栅、副拦污栅(与检修闸门共槽)、检修闸门、检修闸门门槽顶栅、泄洪表孔工作闸门、尾水出口布置有尾水事故闸门［6］。由于泄洪表孔布置于机组流道上层，为减小坝体厚度，副拦污栅、机组进水口检修闸门、泄洪表孔检修闸门同槽布置，且机组进水口检修闸门兼作泄洪表孔检修闸门。为防污物从机组进水口检修门门槽上方进入机组，在泄洪表孔流道与机组进水口检修闸门门槽交界处设置了顶栅。电站设计尾水位低于厂顶过流面高程，机组检修时由上游表孔工作门挡水，因此下游未设置尾水检修闸门。机组流道上层设有泄洪表孔，每台机组设有2个检修用吊物孔。在吊物孔处设置密封钢盖板，盖板顶面与泄洪表孔底板平齐，保证泄洪时水流平顺。

图1 炳灵水电站贯流机组剖面示意(高程:m，尺寸:mm)

3.2 汉江蜀河水电站

蜀河水电站工程位于陕西省旬阳县境内的汉江干流上，坝址在旬阳县蜀河镇上游约1 km处，距旬阳县城51 km，距上游已建成的安康水电站约120 km，距下游已建成的丹江口水电站约200 km，是汉江上游梯级开发规划中的第6个梯级电站。电站装机6台46 MW的贯流机组，年平均发电量9.53亿kW·h。2010年10月，全部机组投产发电。

蜀河水电站同样采用了厂顶泄流的布置方式［7］，机组中心线剖面见图2。引水发电系统闸门布置与炳灵水电站基本一致。主要区别有3点:①炳灵水电站厂顶泄洪表孔工作闸门采用顶升柱塞式液压启闭机［8］，蜀河水电站采用了固定卷扬式启闭机操作厂顶泄洪表孔工作闸门，因此在进水口坝顶门机与厂房之间增加了混凝土排架，用于布置固定卷扬式启闭机。②蜀河电站进水口布置1道拦污栅，且和进水口检修闸门共槽。在拦污栅前设置了清污机导槽，采用液压清污抓斗清污。炳灵水电站采用两道拦污栅，副栅与检修门共槽，采用的是提栅清污方式。③由于蜀河电站设计尾水位高于厂顶泄洪表孔底板高程，因此设置了1道下游检修闸门，用于机组检修时挡下游水。

3.3 厂房顶层泄流布置与设计中应关注的问题

当厂房顶层表孔泄洪时，进口水流流态较为复杂，进口拦污栅及闸门设计必须考虑横向和竖向水流的作用力，可通过试验验证确定。蜀河水电站由于在进口处设置了1道拦沙坎，2011年特大洪水采用厂顶表孔泄洪时，水流通过拦沙坎后跌落至进口前，而后再升至厂顶表孔底坎高程，导致拦污栅受到了竖直向上的水流脉动作用力，水流将拦污栅振动、破坏，解体后冲至尾水渠，造成了经济损失。

厂房顶层表孔流道内机组检修吊物孔密封钢盖板不仅要求承受表孔泄洪时水流的荷载，并严密封水，防止水淹厂房;而在机组检修时还能够顺利拆卸。钢盖板止水的设计是关键，炳灵和蜀河水电站的密封钢盖板采用了两道封水的形式。两道封水之间的埋件底部设有漏水槽，可将第一道水封漏水排走，目前运行良好。设计时还要考虑通过试验确定表孔泄流时，密封钢盖板处是否会产生负压和共振，以确保运行安全。

图2 蜀河水电站机组中心剖面示意(单位:m)

4 尾水事故闸门设计及施工的关键问题

由于尾水事故闸门在机组出现事故时，需动水闭门挡上游库水，机组检修时，静水闭门挡下游尾水，因此尾水事故闸门需双向止水，且上、下游支承均为主支承。尾水事故闸门设计必须解决如下的关键问题。

(1)动水闭门水头和设计挡水水头的确定。贯流式机组电站为低水头径流式，水库无调节能力，机组运行水头受下游水位影响较大。分析电站运行水头组合情况，考虑机组的安全，尾水事故闸门应能在最大运行水头情况下实现动水闭门。因此，建议按照正常蓄水位与最低尾水位的差值作为尾水事故闸门的动水闭门水头。至于闸门的设计挡水水头，结合机组检修计划，可采用设计尾水位作为闸门挡水水头。

(2)双向支承的选择。机组检修工况时，尾水事故闸门静水启闭，上游支承承受静水压力，为减少启闭机容量，宜采用低摩阻力滑道。而机组事故动水闭门工况时，下游支承承受动荷载和移动摩阻力，为了保证动水闭门，应尽量减少闭门阻力，因此宜采用滚动支承。

(3)双向止水设计。由于尾水闸门具有动水闭门过程压力方向指向下游，挡水检修时压力方向指向上游的双向承压工况，须设置双向止水。止水设计遵循操作过程阻力小，挡水时止水严密的原则。为结构紧凑，布置合理，可选用双P型止水。

(4)尾水事故闸门入槽后施工期的防护。对于河床贯流式机组电站，通常采用河床分期导流的方式进行施工，这就要求在河床二次截流前，机组进口和尾水闸门要入槽挡水，而此时厂房及尾水平台上部均在施工，若不对尾水事故门槽孔口上方进行防护，容易导致杂物或混凝土掉入门槽内，发生卡阻，导致无法正常提门。汉江蜀河水电站和黄河乌金峡水电站尾水事故闸门设计结构型式基本相同，根据相关资料，闸门制造、安装及无水调试均未发现异常。待初期挡水后，机组正式投产发电时，却同样出现尾水事故闸门无法提起的现象。后经事故调查处理，原因就是由于闸门入槽挡水后，未对孔口进行防护，导致了杂物掉入门槽内，与闸门支承定轮发生卡阻。

因此尾水事故闸门入槽挡水后，若尾水平台施工未完成，必须对孔口上方进行防护。同时闸门主轮可采用偏心轴设计，便于在门槽安装完成、二期混凝土浇筑后根据实测情况，适当调整闸门上、下游支承与门槽接触面的间隙。主轮装配的止轴板可设置在孔口内侧，一旦闸门发生卡阻后，可水下进行偏心轴调节，以保证闸门正常运行。

5 结语

(1)针对在低水头水资源开发中应用广泛的贯流式机组电站，结合现行规范要求和近年来已建的工程实例，讨论了引水发电系统闸门布置方案。在进口布置检修闸门，出口布置事故闸门的方案经济、合理，为推荐方案。

(2)对在河谷狭窄的坝址区，修建河床式贯流机组电站宜采用的厂房顶层溢流布置方式，根据工程实例，论述了闸门布置方案，及设计中应关注的问题。

(3)鉴于贯流式机组电站的尾水事故闸门具有机组事故和检修双重工况，提出了尾水事故闸门设计中关于设计水头、双向支承及双向止水等关键问题的设计思路和方法。同时结合实际工程中出现的问题，提出了应对施工期已入槽挡水的尾水事故闸门进行防护的要求。

［1］陈冬，谭柏林.浅谈国内水轮发电机组的几个问题［J］.湖南水利水电，2007(4)，78-80.

［2］刘玲.贯流式机组电站尾水闸门设计的几个问题［J］.四川水利，2000(4):35.

［3］DL/T 5039—95 水利水电工程钢闸门设计规范［S］.

［4］郑社民.厂顶溢流方式在贯流式机组水电站中的应用［J］.陕西水利，2009(2)，39-40.

［5］段宏江.炳灵水电站设计中几个问题的研究［J］.水力发电，2009(1)，49-52.

［6］朱增兵，刘少娟，刘兰萍.炳灵水电站金属结构布置与设计［J］.水力发电，2009(1)，71-74.

［7］田利军.蜀河水电站贯流机组泄流式厂房布置设计与研究［J］.西北水电，2011(2)，24-28.

［8］朱增兵，李锋.炳灵水电站泄洪表孔平面工作闸门、启闭机设计简述［C］//水工机械技术2008年论文集，2008:197-199.