大藤峡水利枢纽关键技术研究

王仕民，王常义，常万军

（1.广西大藤峡水利枢纽开发有限责任公司，530200，南宁；2.中水东北勘测设计研究有限责任公司，130021，长春）

一、研究背景

大藤峡水利枢纽是国务院批准的珠江流域防洪控制性工程, 也是打造珠江—西江经济带和“西江亿吨黄金水道” 基础设施建设的标志性工程， 属红水河水电开发的第十个梯级，承担电网的发电和调峰任务。 工程具有防洪、航运、发电、补水压咸等巨大的综合效益。

大藤峡工程位于西江水系黔江干流，地属广西自治区桂平市，水库正常蓄水位61.00 m，汛期限制水位及死水位47.60 m，水库总库容34.79 亿m3，防洪库容15 亿m3。 船闸规模为3 000 t 级， 年过闸货运量5189 万t。电站装机容量1 600 MW，8 台机组，多年平均发电量60.62 亿kWh。

大藤峡水利枢纽工程规模和技术指标均处于国内外类似工程前列。 其调度受流域洪水特性及上下游控制性工程影响， 调度方式极为复杂； 船闸是世界上目前水头最高的单级大型船闸；泄水高、低孔弧门总推力在国内同类工程中已达到领先水平； 低水头大容量轴流转桨式水轮发电机组的设计制造难度已经突破了现有国内外同类机组水平；二期截流流量大同时利用深水抛填围堰挡水发电， 施工方案需要通过试验予以确认。

大藤峡工程前期针对可行性和项目立项进行了大量研究，考虑到项目多项指标达到国内外领先，为解决深层次的技术问题，2015 年完成的初设报告提出多项重大特殊专项科学研究试验。经水利部水利水电规划设计总院（以下简称“水规总院”）审查、国家发改委核定，最终确定包括超高水头船闸输水系统运行模拟与结构优化关键技术、 船闸超大金属结构设备关键技术、枢纽综合调度及流域水库群联合调度运用、大型轴流发电机组结构及性能优化关键技术、泄水闸弧门超大推力闸墩结构及安全关键技术、工程施工关键技术共6 大项进行专项研究。

二、关键技术研究的组织与管理

2015 年工程初步设计批复后，马上进入实施阶段，随之而来的相关科研项目攻关全面展开。 结合工程进展情况， 对科研项目进行细化分解，充分考虑科研的复杂性和不确定性，合理安排科研周期。 为保证重大专项科研的有效实施，大藤峡水利枢纽开发有限责任公司（以下简称“大藤峡公司”） 及时制订了科学研究试验管理办法，完善了管理体系。

建设中的大藤峡水利枢纽

1.统筹规划分批实施

大藤峡水利枢纽工程规模宏大，技术问题复杂， 前期工作时间短，施工准备工期不足，为满足工程建设的需要,结合工程技术难点，按“突出重点、先急后缓、统筹安排”的原则，重大特殊专项科学研究试验项目分批开展实施。

首批重大专项科研试验包括超高水头船闸输水系统、船闸超大金属结构设备、 大型轴流水轮发电机组、泄水闸弧门超大推力闸墩结构关键技术研究共四大项。

围绕高水头船闸输水系统进行了第一、第二分流口常压及减压试验研究，充、泄水阀门段减压模型试验研究， 充水阀门段体型优化研究，泄水阀门及旁侧泄水箱涵水力学问题研究，在此基础上进行了整体输水系统布置及体型优化试验。

针对船闸金属结构设备进行了输水阀门流激振动及启闭特性研究， 输水阀门门楣体型与掺气布置切片试验， 下闸首人字闸门结构及水动力及启闭特性研究， 下闸首人字闸门背拉杆专题研究， 下闸首人字闸门抗疲劳技术研究， 人字闸门液压启闭机挠度与稳定性试验研究， 船闸输水系统反弧门止水结构研究， 下闸首人字门底枢及润滑结构研究， 下闸首人字闸门底枢结构智能监测等子课题研究。

结合大型轴流式水轮机模型参数研究及大型轴流式水轮发电机组结构型式研究成果，开展了大跨度厂房结构优化及大尺度预应力混凝土蜗壳试验研究。

根据泄水闸的运行条件，进行了泄水闸高、低孔弧形工作闸门流激振动试验及数值模拟研究，泄水低孔门槽及胸墙空化空蚀特性模型试验研究，泄水闸高、低孔预应力闸墩结构

分析研究。

第二批课题围绕泄水闸低孔开展了闸门支撑钢梁及预应力锚索施工工艺研究及泄水闸基础处理研究， 船闸人字门制造安装调试技术研究浮箱检修闸门研究及人字门漂移特性研究。

第三批课题结合二期截流及围堰长期挡水发电进行专项研究。

2.科研设计有机结合

依托设计单位编制《专项科学研究试验项目立项建议书》， 充分发挥建设领导小组专家咨询组作用，同时聘请技术咨询机构及国内知名专家对立项建议书进行咨询，以此完善立项建议书。

协调设计单位全程参与，研究过程中强化科研单位与设计单位之间的沟通联系管理，与设计单位一起共同加强对科研试验中间过程密切跟踪， 根据试验成果提出专题设计报告，确保科研成果转化为精品设计。

3.完善验收制度

大藤峡公司及时制定了《广西大藤峡水利枢纽开发有限责任公司科学研究试验管理办法（暂行）》，办法中明确了部门职责，提出了科研试验的立项、委托、招标、合同签订，科研试验项目验收、归档管理细则。 重大科研专项试验严格按照此办法进行管理。

在科研试验进行过程中， 注重对科研试验过程的中间检查， 针对船闸第二分流口对比试验过程中两家科研单位成果不一致的问题，及时安排中间成果讨论会， 依托水规总院，并邀请相关专家进行把关。 所有成果均依托水规总院进行验收把关， 同时根据成果的重要性聘请相关专家进行技术咨询， 确保重大专项科研成果达到了国内领先水平，为大藤峡工程设计、 设备制造安装及施工工艺提供技术支撑， 满足工程质量需求， 为后续类似工程提供了可借鉴的宝贵经验。

三、关键技术研究成果

1.高水头船闸输水系统

大藤峡船闸尺度280 m×34 m×5.5 m（有效长度×有效宽度×槛上水深）， 输 水 时 间15 min， 设 计 水 头40.25 m，一次充泄水量达42 万m3，是三峡船闸的1.8 倍，为目前国内外已建单级船闸之最。 高水头船闸输水阀门段的流量和流速很高， 输水阀门段廊道、第一分流口、第二分流口等输水系统关键部位的水力学问题非常突出。

国内已建高水头船闸第二分流口均采用立体分流 （垂直+水平），如三峡船闸、 葛洲坝船闸； 国外已建高水头船闸第二分流口均采用平面分流， 如巴西的图库鲁依船闸、美国的下花岗船闸。 不论是立体分流还是平面分流， 因其占用了分支廊道的长度， 出水支孔的布置受到限制。 大藤峡船闸第二分流口采用自分流体型， 使闸室内参与消能的水体大幅度增加， 从而达到减小和均衡闸室船舶（队）系缆力的目的，为世界首创。

通过船闸输水系统体型优化模型试验研究，测定闸室充（泄）水各工况下水力特性曲线，测定输水廊道关键部位、输水阀门段廊道的时均压力及脉动压力分布， 测定闸室内船舶（队）停泊条件，优化输水系统布置。

充泄水阀门段廊道采用 “顶扩+底扩”体型，针对顶扩、跌坎及升坎多种体型，通过充、泄水阀门常压、减压模型试验研究，得到了廊道顶、廊道底以及跌坎、升坎、鹅颈管、下游检修门槽等部位非恒定流条件下时均压力和脉动压力分布规律。 最终确定顶扩2 m，跌坎深4 m，升坎5 m 高，采用五次曲线。 结合门楣自然通气（必备措施）和跌坎强迫通气（储备措施）的工程措施，有效解决了充水阀门段空化难题。

通过泄水阀门及旁侧泄水箱涵常压模型试验，当事故动水关闭泄水阀门时， 得到箱涵内流态及压力特性，比较箱涵不同断面、出口收缩断面的试验结果，最终确定泄水箱涵断面及出口压缩断面型式，控制泄水箱涵内负压在可以接受范围内。

通过第一分流口常压模型试验及减压模型试验研究，观测第一分流口处的水流流态、测定分流流量及各部位压力分布情况。 针对T 形管是否设置导流脊做了大量试验对比研究。第一分流口T 形管处增设导流脊后，充泄水工况下流量分配较好，分流均匀；明显减小第一分流口隔板头部脉动压力， 最大值均不超过2.99×9.81 kPa，未产生水流空化。

通过第二分流口常压、减压模型试验研究，观测各运行工况下，充、泄水时第二分流口水流的流态与流场特征， 测定分流流量及压力分布，分析压力特性对安全运行影响。 对比导流墩头处有无人工分流脊的压力特性及脉动压力特性。 增设人工分流脊后，第二分流口内部漩涡空化气泡出现频次明显减少，分流脊处水流流态改善明显，无负压产生，无明显水流空化。

通过以上多项试验研究，船闸第二分流口首次采用自分流体型，解决了高水头船闸的水力学问题，为输水系统设计提供了强有力的技术支撑，成果已应用于技施产品设计。

2.船闸超大金属结构设备

对制约制造、 安装的关键节点，对人字闸门分节运输方案、 顶枢AB杆拉架预应力锚杆安装技术、背拉杆预应力施加方案、底枢与顶盖液氮冷却过盈配合工艺等进行研究，确保关键工序技术可控，方案可行。

3.大型轴流发电机组

电站装设8 台单机容量为200 MW 的轴流转桨式水轮发电机组，机组额定转速68.2 r/min，为低水头大容量轴流转桨式水轮发电机组。 水轮机转轮直径达10.4 m, 发电机定子机座外径约20.21 m， 推力负荷在4 000 t以上。 水轮机制造难度系数超过了同类型机组；机组推力负荷也是轴流机组中最大的，与混流式巨型机组的推力负荷处于同一水平。 电站运行水头变幅较大，国内设计、制造和运行的实践经验相对较少，所以其参数选择是否合理、匹配尤其重要。

水轮机比转速是表征水轮机技术发展水平的重要指标，单位流量和单位转速的不同匹配将直接影响电站的技术经济指标。 根据国内外多家制造厂提供的水轮机方案的比转速及比速系数，统计分析已建工程的机组运行数据，充分考虑水位变幅对气蚀的影响，优选机组参数。

在此基础上综合考虑制造安装等因素，对机组总体结构、水轮机发电机主要部件结构及推力轴承进行研究，推荐采用半伞式结构，转子的上方设有上导轴承，下方设有下导轴承和推力轴承，推力轴承设置在下机架；水轮机座环，选择双平板结构型式； 发电机定子机座采用盒形筋结构；转子采用三段轴结构；发电机上机架采用井字梁结构，下机架为负荷机架， 由中心体和12 个工字形支臂组成。

目前， 左岸第一台机组的转轮、座环、导水机构、主轴等主要部件均已制造完成。 对比设计推荐的水轮机参数和招标定厂后通过水轮机模型验收试验后核定的真机参数，二者基本一致，表明大藤峡的大型轴流转桨式水轮机参数选择是合适可行的，同时具备技术先进性。

4.泄水闸预应力闸墩结构

泄水低孔弧形工作闸门孔口尺寸9 m×18 m， 工作闸门采用主纵梁三支臂结构、设计水头39 m，面板半径33m；泄水表孔弧形工作闸门孔口尺寸14 m×25 m，工作闸门采用主横梁三斜支臂结构弧形闸门、面板半径32 m。 设计指标居国内前列，同时闸门的设计泄水流量较大，有局部开启控泄要求， 且下游水位变幅较大，闸门在水流作用下的振动问题突出。

通过建立弧门静动力有限元模型和水工模型、弧门水力相似模型及流激振动水弹性相似模型，从弧门结构静力响应分析、水流流态、弧门门体及门槽段压力特性、 门体主纵横梁及支臂部位的动力响应和加速度响应等对低孔及表孔进行系统研究，对闸门结构进行优化，降低了结构的最大应力值， 改善了结构的受力特性。 根据闸门局部开启工况下游水流条件及闸门振动形态， 提出闸门在相对开度为0.6 以下时进行局部开启运行。

近年，我国水电建设中随着泄水建筑物孔口尺寸的不断加大，工作水头的提高，泄洪弧形闸门所承受的水推力也随之增大。例如水口水电站溢洪道弧门推力为43 200 kN， 岩滩电站溢洪道弧门推力为45 394 kN，五强溪电站表孔弧门推力为60 200 kN， 紫兰坝电站泄水闸弧门推力为60 960 kN。 实践证明，在大型弧门支承结构中采用预应力技术，是改善闸墩的应力状态、限制闸墩变形最为合理的技术措施。

安装发电机组水轮机导轴承

大藤峡低孔弧门推力68 100 kN，表孔弧门推力60 000 kN，弧门推力巨大。 随着弧门推力的增加选择合适的锚索布置形式、 张拉吨位控制值和大推力锚块型式是预应力混凝土闸墩结构设计的关键。 通过对比分析泄水低孔采用预应力闸墩和钢梁结构组合，边墩厚4.0 m，布置锚索4 排×5 层=20束， 中墩厚5.3 m， 布置锚索6 排×5层=30 束。泄水表孔采用预应力闸墩和混凝土锚块组合，左右边墩厚4.0 m， 对称布 置 主锚索3 排×5 层=15束， 外层布置平衡索1 排×3 层=3束。 结果表明泄水闸整体体型合理，泄水闸结构位移小，具有足够的刚度。 选定的锚索布置与闸墩混凝土能形成较好的预应力体系结构。

5.二期截流与围堰

大藤峡工程二期截流安排在11月下旬，相应设计流量2 380 m3/s。 由于主河槽深切， 龙口分流条件差，水下抛填深度约26 m，截流抛填工程量大。 二期导流期间利用上游围堰挡水，机组发电和船闸通航，最大挡水高度48.8 m，拦蓄库容16 亿m3。 围堰水下填料无法碾压密实，对围堰安全运行造成不利影响。

根据二期截流特点，通过整体和局部水工模型， 对龙口位置及宽度、戗堤布置、截流抛填料粒径及截流对通航的影响进行研究。 推荐龙口布置在左岸滩地、戗堤直线布置宽度不小于20 m、龙口宽度100 m，并分区确定抛投料粒径。 同时围绕一期围堰不同拆除方案对截流的影响进行敏感性分析，一期上游横向围堰全部拆除方案相对合理。

根据二期围堰抛填施工、 长期挡水运行特点， 通过离心模型试验、大型三轴试验、渗透变形试验及三维有限元分析， 对堰体抛填料的工程特性、塑性混凝土防渗墙材料、围堰断面布置、 渗透稳定性等方面进行研究，为二期围堰设计提供技术支撑。

四、结 语

大藤峡水利枢纽多项指标处于国内外领先水平，技术复杂。 围绕重大关键技术进行了科研攻关，取得了一系列技术成果，实现了科技创新保质量、促进度，并有效地控制了投资。重大专项科研试验项目通过编制立项建议书明确目标，研究过程中加强科研单位与设计单位之间的沟通对接，确保科研成果直接转化为设计产品。 注重中间检查发现问题及时协调处理，依托水规总院并邀请国内知名专家对科研试验成果进行咨询和分阶段验收。 通过重大专项科学研究，解决了工程关键技术难题，为工程设计、设备制造安装及施工提供了技术支撑，也为后续类似工程提供了可借鉴的宝贵经验。