喀麦隆曼维莱水电站金属结构设计概述

易 伟 尹 航

喀麦隆曼维莱水电站金属结构设计概述

易 伟 尹 航

喀麦隆曼维莱水电站是渠道引水式电站，主要包括引水发电系统和泄洪排沙系统，介绍了金属结构设备的布置及设计特点。

曼维莱水电站 引水式电站 金属结构 设计 闸门 布置

1 工程概况

曼维莱水电站位于喀麦隆共和国南部大区恩特姆省境内，拦河坝位于恩特姆河上，电站为引水式，工程的主要任务是发电，最大引水流量450 m3/s，电站总装机容量为211 MW。

根据水工总体布置，金属结构设备分布于引水发电系统和首部枢纽系统的建筑物中。共有拦污栅18套，平板闸门27套，弧形闸门6套，门(栅)槽63套，液压启闭机12台，固定卷扬式启闭机7台，门机3台，清污机4台。

2 引水发电系统金属结构布置设计

本工程通过渠道进水口引入的水流，从渠道进入电站进水口，再通过4根钢管进入机组发电。

2.1 渠道进水口金属结构

渠道进水口位于大坝左侧，设有10孔拦污栅、5孔进水闸和1条冲沙洞。

渠道进水口拦污栅用于拦截可能进入引水渠道的污物，共10孔，其孔口参数为9.0 m×9.0 m-4 m(孔口宽度×孔口高度-设计水头)，连通式布置。拦污栅为倾斜式表孔拦污栅，倾斜角度为80°，采用2套安装于同一高架轨道上的抓斗移动式自动格栅清污机进行清污。2套清污机可各自对一半的拦污栅进行清理，也可以在另1套清污机故障时对全部拦污栅进行清理。清污机的清污容量为20 kN。设有测量装置用来监视拦污栅上游和下游侧的水压差，当水压差超过0.5 m，进行报警，并由清污机进行清污。清除的污物分别存放在轨道两端的污物箱内，可通过拖车运走。

进水闸位于拦污栅下游侧，共5孔，每孔设置1套上游止水的平面定轮工作闸门，孔口参数为9.0 m×6.5 m-6 m，闸后为连通布置，后接1条引水渠道。闸门操作方式为动水启闭。此工作闸门面板及止水装置设置在上游侧，底止水为条形橡皮水封，侧止水为表面带聚四氟乙烯复合层的P形橡皮水封。主支承为定轮支承，采用自润滑复合轴套。闸门的定轮支承轨道采用铸钢材料，止水座板采用不锈钢材料。闸门与固定卷扬式启闭机直接相连。闸门为常开状态，在检修渠道时，关闭所有闸门进行检修。每套闸门通过1套2×400 kN固定卷扬式启闭机操作，启闭机安装于闸顶部的启闭机房内。

在工作闸门上游侧设1道检修闸门门槽，5孔共用1套上游止水叠梁检修闸门，其孔口参数为9.0 m×6.3 m-6 m，分为3节，操作方式为静水闭门，顶节门小开度提门充水平压后启门。叠梁检修闸门由2×100 kN电动葫芦通过机械自动抓梁进行操作，平时分别锁定于孔口上。

2.2 电站进水口金属结构

顺着水流方向，电站进水口的4个流道依次布置有拦污栅，检修闸门，快速事故闸门；同时，在电站进水口的底部设置有2条排沙放空管，依次布置有事故闸门和工作闸门图1。

图1 电站进水口金属结构布置图(钢管进水口)

电站进水口拦污栅用于拦截可能进入机组的污物，共8孔，连通式布置。拦污栅为倾斜式表孔拦污栅，倾斜角度为80o，采用2套安装于同一高架轨道上的抓斗移动式自动格栅清污机进行清污。2套清污机可各自对一半的拦污栅进行清理，也可以在另1套清污机故障时对全部拦污栅进行清理。清污机的清污容量为20 kN。设有测量装置用来监视拦污栅上游和下游侧的水压差，当水压差超过0.5 m，进行报警，并由清污机进行清污。清除的污物分别存放在轨道两端的污物箱内，可通过拖车运走。

考虑到钢管出事故时对厂房的保护，在钢管进口位置设置4套定轮快速闸门，每根引水钢管1套。电站正常发电时，闸门在孔口以上约1 m处待命，可在紧急情况下动水快速闭门。快速闸门孔口参数6.0 m×6.0 m-14 m，采用上游止水型式，通过闸门井补气。闸门的底止水为条形橡皮水封，侧止水为表面带聚四氟乙烯复合层的P形橡皮水封。主支承为定轮支承，采用自润滑复合轴套。闸门操作方式为动水快速闭门或检修常速闭门，小开度提门充水平压后启门。每套闸门由1套安装于坝顶的2 000 kN液压启闭机操作，油缸顶部设有补油箱，用于在快速闭门时对油缸无杆腔的油液补充。从电站的安全考虑，快速闸门的设计工况为：在最高洪水位及以下水位，出现全厂失电的情况下、或出现事故需要关闭快速闸门时，快速闸门可通过可靠的直流电源操作阀组动作泄油压，实现依靠自重快速闭门，保护压力钢管和厂房。

为满足进水口快速闸门及门槽的检修，在闸门上游侧设1道检修闸门，4孔共用1套滑动检修闸门。此检修门是下游止水平面滑动式闸门，面板及止水装置设置在下游侧，底止水为条形橡皮水封，侧止水为表面带聚四氟乙烯复合层的P形橡皮水封。主支承为自润滑滑块。闸门操作方式为静水闭门，充水阀充水平压后启门。闸门的门槽埋件采用焊接工字型结构，止水座板采用不锈钢材料。检修闸门由电站进水口门机通过液压抓梁操作，平时锁定于孔口上。

在进水口底部设置有2条排沙放空管，管径为Φ900 mm，依水流方向设有事故闸门和工作闸门。放空管的作用是冲沙和放空前池。工作闸门和事故闸门均为关闭状态，需要运行时，先将事故闸门提出孔口充水，再开启工作闸门进行放空。放空管工作闸门和事故闸门各2套，事故闸门通过拉杆由电站进水口门机操作，工作闸门由液压启闭机操作。事故闸门和工作闸门均为上游止水平面定轮闸门，面板及止水装置设置在上游侧，底止水为条形橡皮水封，侧止水为表面带聚四氟乙烯复合层的P形橡皮水封。主支承为定轮支承，采用自润滑复合轴套。闸门的门槽埋件采用焊接工字型结构，止水座板采用不锈钢材料。

2.3 电站厂房及尾水金属结构

4台机组设8个尾水出口，为了机组检修，且为保护厂房，防止下游洪水进入，同时也考虑在首台机组发电时，其他几台机组尚在安装，因此，每个尾水出口设1套尾水检修闸门，共8套。尾水闸门由门机通过抓梁操作。闸门平时为常开状态，锁定于尾水平台上，当下游洪水或机组检修时静水关闭闸门。此检修门为上游止水平面滑动式闸门(挡水时水压在下游侧)，面板及止水装置设置在上游侧，底止水为条形橡皮水封，侧止水为表面带聚四氟乙烯复合层的P形橡皮水封。主支承为自润滑滑块。闸门操作方式为静水闭门，充水阀充水平压后启门。闸门的门槽埋件采用焊接工字型结构，止水座板采用不锈钢材料。

厂房内设1扇密封闸门，用于渗漏检修排水廊道的检修。闸门在无水条件下靠人工开闭。

3 首部枢纽系统金属结构布置设计

3.1 主溢洪道金属结构

首部枢纽的主溢洪道设有5孔泄洪闸和1孔冲沙闸。

每孔泄洪闸设1套表孔弧形闸门，孔口宽度为11 m，闸门高度11.8 m，5孔5扇，在洪水期用来控制堰的水位和通过堰的流量。1孔冲沙闸设置1套表孔弧形闸门，孔口宽度为11 m，闸门高度13.8 m，其底槛高程略低于泄洪闸弧门，用于冲沙和排除堰后的杂物。6孔弧形闸门均为常闭状态。每套弧门通过1套液压启闭机操作，每套液压启闭机设1套独立的液压油泵站，6孔6套，布置在闸墩上。弧形闸门门槽顶部设有锁定装置，用于弧门检修及液压启闭机维修更换时临时锁定。

弧形闸门均采用双主梁斜支臂露顶式布置。闸门面板曲率半径为16 500 mm，支铰轴承采用自润滑球面轴承，支铰将支承于闸墩牛腿上。闸门底止水采用条形橡皮水封，侧止水采用表面带聚四氟乙烯复合层的L形橡皮水封。为便于闸门检修，在闸门上及闸门支铰处设置检修平台。闸门的门槽埋件采用焊接结构，止水座板采用不锈钢材料。

在泄洪闸弧门和冲沙闸弧门的布置和设计过程中，按照DIN19704，分别增加了对单缸持住工况的分析和计算，一是持住力的计算，二是框架和应力计算。液压启闭机的系统设计也考虑其中一个油缸泄压时，另一个油缸压力保持，并且在此极端工况时，允许油缸和系统压力上升1.2倍。根据计算，采用闸门刚脱离底槛时的状态进行框架和应力校核，此时弧门框架收到液压启闭机单边的集中荷载和水压力的共同作用，采用分别计算并合成的方法。弧门框架单缸荷载的计算简图如图2。

图2 弧门框架单缸荷载计算简图

泄洪闸弧形闸门主要计算结果对比如表1。

由计算结果可以看出，在极端的单缸持住工况下，对支臂的稳定有较大的影响。

表1 泄洪闸弧形闸门之变计算结果对比

为满足泄洪闸闸门及冲沙闸闸门的检修和维护，在其上游侧设置1道叠梁检修门槽，设1套叠梁检修闸门，分别由坝顶门机通过抓梁进行操作。泄洪闸弧形闸门与冲沙闸弧形闸门共用检修门。此叠梁检修门下游止水平面滑动式叠梁闸门，面板及止水装置设置在下游侧，底止水为条形橡皮水封，侧止水为表面带聚四氟乙烯复合层的P形橡皮水封。主支承为自润滑滑块。闸门操作方式为静水闭门，顶节门小开度提门充水平压后启门。闸门的门槽埋件采用焊接工字型结构，止水座板采用不锈钢材料。叠梁检修闸门存放于门库中。

溢洪道坝顶门机为大跨度双向门机，上游侧设有悬臂吊。双向门机覆盖了溢洪道坝段的所有金属结构设备，主钩既可以常规操作叠梁检修闸门，也可以对工作闸门、液压启闭机、支铰等进行安装维护；悬臂吊配合清污抓斗，可用于清理库区堆积到主溢洪道门前的较大污物主溢洪道泄闸金属结构布置见图3。

图3 主溢洪道泄洪闸金属结构布置图

溢洪道坝顶门机的主要参数如下：

启闭机名称：主溢洪道坝顶双向门机

启闭机型式：双向移动门机

主钩参数：

额定启闭容量/kN

2×160

总扬程/m

22

轨上扬程/m

7.5

闸门启闭速度/(m·min-1)

0.1/ 1

抓梁形式

机械自动抓梁

回转吊参数：

起吊容量/kN

100

总扬程/m

14

轨上扬程/m

7.5

起吊速度/(m·min-1)

2

操作对象

清污抓斗

轮距/m

8.5

轨距/m

23

轨道长度/m

100.6

走行速度/(m·min-1)

2 / 20

安装高程/m

395.0

3.2 冲沙涵洞金属结构

在渠道进水闸右侧设置有1条冲沙洞，冲沙洞尺寸为2 m×2 m，依水流方向设有事故闸门和工作闸门。不冲沙时，工作闸门和事故闸门均为关闭状态，需要运行时，先将事故闸门提出孔口充水，再开启工作闸门进行冲沙。冲沙洞工作闸门和事故闸门各1套，为潜孔式平面定轮闸门，每套闸门通过固定卷扬式启闭机操作，启闭机安装于闸顶部的启闭机房内。

4 防腐设计

闸门及埋件的非不锈钢外露面采用适合于浸水及飞溅区域的锌铝合金喷涂加封闭涂料防腐方案，其中金属喷涂层厚度150 μm，环氧封闭漆厚度80 μm，环氧面漆厚度80 μm。启闭机表面采用涂漆防腐，采用环氧类油漆，漆膜总厚度约300 μm。埋件与混凝土接触面涂水泥浆防腐。

5 结 语

(1)本工程的金属结构设计过程中，由于设计文件需要通过业主咨询工程师的审查批准，因此，融合了部分国外设计理念：主溢洪道弧形工作闸门液压启闭机考虑其中一只油缸出现问题时，另一只油缸能保压并能持住闸门；门机实验荷载采用更苛刻的FEM标准；闸门底槛与底水封接触的部分均采用不锈钢。

(2)渠道进水口和电站进水口的拦污栅均设置了专门的移动式清污机，并且考虑到清污机清污距离比较长，为提高清污效率，采用“两机同轨”的清污机布置方式，根据运行情况，可分别实现全程清污或半程清污。

(3)本工程由于是总承包项目，在金属结构布置设计中，结合了承包商施工的要求：溢洪道表孔双向门机和电站进水口的双向门机的设计，均考虑了闸门和启闭机设备的安装工期；尾水检修闸门设置为一孔一门，可满足电站首台机组发电后，其他机组继续进行安装工作。

(4)曼维莱水电站工程金属结构设备的设计图纸经过业主工程师审查通过，所有设备已完成制造并安装完成。工程已完成蓄水。

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1007-6980(2017)03-0057-03

易 伟 男 高级工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222

尹 航 男 工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222

2017-07-05)