西藏湘河水利枢纽工程金属结构设计

王 强，蓝志锋，刘天政，韩其华，吴先敏

(1.山东省水利勘测设计院，济南 250013； 2.西藏自治区水利电力规划勘测设计研究院，拉萨 850000)

1 工程概述及总体布置

湘河水利枢纽及配套灌区工程是国务院确定的172项重大水利工程之一，也是《全国大型水库建设规划》项目之一，并列入国家发展改革委、水利部、住房城乡建设部联合印发的《水利改革发展“十三五”规划》，是2017年已开工的重大节水供水工程之一。

项目工程地点位于西藏自治区日喀则市，枢纽坝址位于南木林县达那乡甲措臧布和拉布臧布干流交汇处下游约1.1 km，灌区范围为枢纽下游至雅江汇合口湘河中下游的河谷地带。工程规模为大(Ⅱ)型[1-2]，总库容1.16×108m3，设计灌溉面积0.83×104hm2，电站装机4×104kW，工程概算投资27.01亿元。

湘河水利枢纽及配套灌区工程金属结构分为湘河水利枢纽金属结构和灌区金属结构。灌区金属结构主要由分级取水口闸门和启闭设备，灌区鱼道闸门及启闭设备，渠道节制闸、分水闸、泄水闸、退水闸及田间工程闸门及其启闭设备等组成。枢纽金属结构设备由泄水系统、发电引水系统、鱼道和生态系统、施工导流系统组成，共包括各类闸门(含拦污栅)50扇、埋件26套、启闭设备21台、检修门库3个、阀门2台及连接钢管若干。

本文重点介绍水利枢纽金属结构的布置与设计，其布置图见图1。

图1 湘河水利枢纽金属结构布置图

湘河水利枢纽总体布置为：河床布置大坝；左岸从左到右布置溢洪洞、导流泄洪洞、发电洞；左岸坝后布置湘河电站、发电洞末端连接压力钢管引水发电；右岸布置鱼道。

水库各特征高程及水位为：上游校核洪水位为4 102.84 m(P=0.05%)，设计洪水位为4 101.47 m(P=1%)，正常蓄水位[3]为4 099.00 m，死水位为4 080.00 m；下游校核洪水位为4 056.26 m(P=0.2%)，设计洪水位为4 055.93 m(P=1%)；坝顶高程为4 104.00 m。

2 泄水系统金属结构设计

泄水系统设在大坝左岸，采用溢洪洞和泄洪洞结合的泄水方案，从左至右布置有1孔洞式溢洪洞、1孔导流泄洪隧洞。溢洪洞进口设1扇叠梁检修闸门和1扇弧形工作闸门，导流泄洪洞进口设1扇平面定轮事故闸门和1扇弧形工作闸门。导流泄洪洞前期作为施工导流系统，后期用作泄洪兼放生态水，参与放生态水时的流量调节。

2.1 溢洪洞检修闸门及启闭设备设计布置

溢洪洞布置在左岸左侧，1孔泄流。在上游侧设一道叠梁检修闸门。检修闸门尺寸12.0 m×11.7 m(宽×高)，底槛高程4 087.90 m，按正常蓄水位4 099.00 m设计，设计水头为11.1 m。闸门检修在坝顶高程4 104.00 m进行操作。

检修闸门型式采用平面叠梁钢闸门，门体纵向设6节，单节闸门门体尺寸为12.0 m×1.95 m(宽×高)，检修闸门门体主材选用Q345C，止水设置在闸门的下游侧，6节门体节间采用柔性止水连接。每节检修闸门门叶结构尺寸可整体制造，整体运输至现场进行安装。

门槽埋件主材选用Q235B，考虑该检修闸门平时的存放，在溢流堰左侧设置1孔储存门库，门库尺寸为12.0 m×9.5 m(最多可存放5节闸门)，即有1节闸门锁定在检修门槽顶部，门库埋件主材选用Q235B。

检修闸门的运行方式为静水启闭，选用单向门机配自动抓梁操作启闭，双吊点启闭，门机启门容量为2×160 kN，轨下扬程16 m，轨上扬程4 m，功率为30 kW。门机安装在坝顶高程4 104.00 m。

2.2 溢洪洞工作闸门及启闭设备设计布置

在检修闸门下游，设工作闸门。溢洪洞工作闸门的孔口尺寸为12.0 m×12.0 m(宽×高)，底槛高程4 084.50 m，按正常蓄水位4 099.00 m设计，设计水头为11.5 m。弧门半径为15 m,支铰中心高程为4 095.00 m，闸门检修平台高程为4 100.00 m。工作闸门平时处于关闭状态，仅在水库需要泄洪时开启，即当水库水位超过正常蓄水位4 099.00 m时即开启泄洪。

主梁布置采用双主横梁式，主框架形式采用与Π型统一，其支臂为斜支臂；工作闸门门体主材选用Q345C低合金结构钢，埋件主材选用Q235B。

该闸门的运行方式为动水启闭。工作闸门选用液压式启闭机操作控制，规格型号为QHLY2×1 000 kN-7.0 m，双吊点启闭，启门容量为2×1 000 kN，工作行程为6.2 m，最大行程为7.0 m。液压启闭机油缸的支承铰安装在闸墩侧墙上，液压启闭机为电动控制，现地及远程集中操作，额定功率为80 kW。启闭机油缸的维护检修可在坝顶高程4 104.00 m上进行。

2.3 导流泄洪洞进口事故闸门及启闭设备设计布置

导流泄洪隧洞在左岸溢洪道和发电洞中间布置，该隧道前期用作施工导流，后期改造成泄洪洞，和洞式溢洪道同时参与泄洪。在导流泄洪洞进口处设1扇事故闸门和1扇弧形工作闸门。当水库泄洪时，先开启溢洪道弧形工作闸门进行泄洪，再开启泄洪洞弧形工作闸门泄洪。导流泄洪洞还兼有放生态流量的功能，下放生态流量要求至少满足10 m3/s，其中一部分从生态基流管下放，其他部分从导流泄洪洞走，参与放生态流量时工作闸门局部开启调节流量。

导流泄洪洞进口处设置1扇事故闸门，闸门孔口尺寸为6.0 m×8.0 m(宽×高)，事故闸门底槛高程为4 058.00 m，按正常蓄水位4 099.00 m设计，设计水头为41 m。闸门型式为潜孔式平面定轮钢闸门。闸门的运行方式为动闭静启，采用水柱力加门体自重动水闭门，采用门顶充水平压阀充水平压后静水启门，即待上下游水位差不大于3 m时启门。闸门的维护检修可在大坝坝顶进行操作，高程为4 104.00 m。

该事故闸门门体主材选用Q345C低合金结构钢，主横梁为焊接组合工字梁，纵隔板为实腹T型焊接结构，边梁采用双腹板式。由于该闸门尺寸较大，门叶结构应分节制造、分节运输至现场进行拼装焊接。

门槽埋件主轨工作段主材选用ZG310-570锻造碳钢，埋件其他部分主材为Q235B。

事故闸门启闭机选用1台规格型号为QPG2×1 000 kN-48 m的高扬程卷扬式启闭机，双吊点启闭，启门容量为2 000 kN，扬程48 m，功率为70 kW。启闭机安装在高程为4 116.00 m的启闭机室内，启闭机的维护检修可在启闭室内进行操作。启闭机为电动控制，现地操作。

该闸门在下游弧形工作闸门或隧洞需要维护检修等事故时关闭，在维护检修处理完毕后，闸门先充水平压后静水启门，平时锁定在检修平台，处于开启状态。

闸门设有水位监控(水位仪)及开度监控系统各1套，便于监控闸门的充水平压及运行情况等，利于闸门的安全运行与操作。

2.4 导流泄洪洞进口工作闸门及启闭设备设计布置

依据《水利水电工程钢闸门设计规范》(SL 74-2013)中规定[4]：泄水系统工作闸门宜选用弧形闸门。本工程中导流泄洪洞有局部开启下放生态流量需要，另外该闸门需要频繁运行且水流条件要求高。故导流泄洪洞工作闸门选定为弧形钢闸门。

弧形工作闸门布置在事故闸门下游，闸门平时处于关闭状态，在水库需要泄洪时开启，泄洪工作时全开全闭运行。该工作闸门除承担泄洪任务外，还需满足在一定时段局部开启下放生态水的要求，该工作闸门开启放水后，水通过泄洪洞无压泄流。

工作闸门孔口尺寸为6.0 m×5.5 m(宽×高)，底槛高程为4 058.00 m，按正常蓄水位4 099.00 m设计，设计水头为41 m。闸门运行方式为动水启闭，主支承采用直支臂、圆柱铰支承。弧门半径为11 m，支铰中心高程为4 066.00 m，设置Π型闸门检修平台，检修平台高程为4 076.00 m。工作闸门需要维护检修时，关闭上游的事故闸门挡水即可进行。

工作闸门启闭机选用1套潜孔弧形闸门液压式启闭机操作控制，规格型号为QHSY2×800/2×300 kN-8.8 m，双吊点启闭，启门容量为1 600 kN，闭门容量为600 kN，工作行程为8.8 m，最大行程为9.0 m。本闸门设置1套液压泵站，液压启闭机为电动控制，现地及远程集中操作，额定功率为60 kW。启闭机油缸的维护检修可在坝顶高程4 104.00 m液压油泵房内进行。

为方便运行管理单位以后的运行及维护管理等，该闸门及液压启闭机等设备设置远程监控及自动控制系统，并备用1台柴油发电机。

3 发电引水系统金属结构设计

发电引水系统设置在左岸右侧，其金属结构设备主要布置在发电洞塔式进水口、压力钢管及厂房尾水出口处。其中在发电洞进口处设置有1套拦污栅(配套耙斗式清污机1台)，在拦污栅下游依次布置有一道分层取水叠梁闸门和一道平面定轮事故闸门。发电系统共有4台机组，采用隧洞后接压力钢管的一洞四机引水方式，4台机组设4扇尾水检修闸门。

3.1 发电洞进口拦污栅设计布置

在发电洞塔式进水口处设置1道拦污栅。拦污栅的孔口尺寸为7.0 m×36.0 m(宽×高)，设计水头差为4 m，拦污栅底槛高程为4 066.00 m。为方便维护检修，采用露顶平面直立活动式拦污栅，运行方式为静水启闭。栅体主材选用Q345C，埋件主材选用Q235B。为便于拦污栅的清污，用1套型号规格为GD50 kN-38/5 m的液压抓斗移动式清污机进行清污。拦污栅的清污卸污及检修平台设置在坝顶高程4 104.00 m处，拦污栅的维护检修可在检修平台上进行。拦污栅设置有水位差仪与其下游的分层取水叠梁闸门共用，以监测拦污栅拦截污物的情况，避免拦污栅前后水位差超过设计值。

由于拦污栅尺寸较大，栅体结构应分节制造，拦污栅共分为10节，每节拦污栅栅体尺寸为7.0 m×3.6 m(宽×高)，每节拦污栅之间由螺栓连接，顶节至锁定平台由锁定梁连接。

拦污栅和取水叠梁闸门、事故闸门共用设置在坝顶上的单向门机进行操作控制。

3.2 发电洞进口分层取水闸门设计布置

为避免低温水对灌区作物和大坝下游鱼类产生不利影响，拦污栅下游取水闸门采用分层取水方式。分层取水叠梁闸门孔口尺寸为7.0 m×36.0 m(宽×高)，底槛高程为4 066.00 m，按正常蓄水位4 099.00 m设计，设计水头为33 m，运行方式为静水启闭。

闸门型式采用平面叠梁钢闸门，共设置12节闸门门体，单节闸门门体尺寸为7.0×3.0 m(宽×高)，门体主材选用Q345C，止水设置在闸门的上游面。12节门体节间采用柔性止水连接。

门槽埋件主材选用Q235B，考虑该闸门平时的存放，在发电洞进口事故门门槽下游侧设置两孔门库，门库埋件主材为Q235B。当水库水位下降时，将提出的叠梁闸门用坝顶单向门机吊到门库里存放。

3.3 发电洞进口事故闸门设计布置

发电洞进口处拦污栅和分层取水叠梁闸门下游设置1扇事故闸门，闸门型式为潜孔式平面定轮钢闸门，闸门孔口尺寸为7.0 m×7.0 m(宽×高)，事故闸门底槛高程为4 066.00 m，按正常蓄水位4 099.00 m设计，设计水头为33 m。主支承采用定轮，轴承形式为自润滑滑动轴承。闸门的运行方式为动闭静启，采用水柱力加门体自重动水闭门，采用门顶充水平压阀充水平压后静水启门，即待上下游水位差不大于5 m时启门。闸门平时锁定在检修平台，处于开启状态，其维护检修可在大坝坝顶进行操作，高程为4 104.00 m。

该闸门门叶主材采用Q345C，主横梁为焊接组合工字梁，纵隔板为实腹T型焊接结构。闸门面板和止水布置在下游侧，闸门正向支承采用定轮支承，布置12个定轮。事故闸门按运输单元分3节设计、制造、运输至工地拼装成整节。

门槽埋件主轨工作段主材选用ZG310-570锻造碳钢，埋件其他部分主材为Q235B。

事故闸门与拦污栅、取水叠梁闸门共用设置在坝顶上的单向门机进行操作控制。

3.4 坝顶门机设计布置

发电系统坝顶门机主要负责发电洞进口拦污栅、叠梁闸门、事故闸门的启闭及进水口拦污栅清污装置的操作运行。门机主要运行工况如下：①起升机构双吊点通过液压自动抓梁启闭发电洞进口拦污栅；②起升机构双吊点通过液压自动抓梁启闭分层取水叠梁闸门；③起升机构双吊点通过液压自动抓梁启闭发电洞进口事故闸门；④门机携带清污装置进行进水口拦污栅污物清理操作；⑤200 kN电动葫芦用于起吊耙斗式清污机操作清污。

发电系统坝顶门机由2×630 kN小车机构(含起升机构和小车走行机构)、门架结构、行车走行机构、清污装置、夹轨器、门机供电装置、电气控制与附属设备等组成。门机小车机构轨上扬程10 m，总扬程48 m。功率为60 kW，电动控制，现地操作。

3.5 厂房尾水检修闸门及启闭设备设计布置

湘河水利枢纽共装机4台机组，每台机组尾水出口各1孔，共设4个尾水出口，在每个出口处设一道检修闸门供机组检修使用。即设4扇尾水检修闸门作为永久设备用于机组检修。

尾水检修闸门依据施工期要求，按设计水位4 055.93 m(P=1%)设计，校核洪水位4 056.26 m(P=0.2%)复核。4扇尾水闸门共用1台2×160 kN单向门机操作，门机轨道安装在4 057.20 m高程的检修平台上，闸门的检修与维护也在此平台上进行。闸门在非工作时期锁定在检修平台上。

尾水检修闸门型式为潜孔式平面滑动钢闸门，按厂房尾水设计洪水位4 055.93 m(P=1%)设计，闸门主支承采用滑道支承形式，厂房侧止水，操作方式为整扇闸门静水启闭，机组旁通管充水平压，启门时允许水头差不大于1 m，该检修闸门主体材质采用Q345C。

门槽埋件主轨工作段主材选用ZG310-570锻造碳钢，埋件其他部分主材为Q235B。

4扇尾水检修闸门共用1台2×160 kN单向门机配液压自动抓梁进行操作。启闭机上设有带数码显示仪表的高度限制器、过负荷装置等安全设施，启闭机总扬程20 m，轨上扬程4 m，轨距为4 m。

3.6 压力钢管设计布置

在发电隧洞末端连接直径7 m压力钢管主管，主管长度65 m(伸进隧洞里10 m)，主管后面接3个卜型岔管，分岔后接4条直径3 m的支管。最后4条支管分别接入厂房4台发电机组引水发电，发电尾水经尾水池汇集后排入河道。

压力钢管选用材质为Q345R，主管直径为7.0 m，壁厚18 mm，支管管径为3.0 m，壁厚16 mm，压力钢管主管和支管外包厚1 m的混凝土，外包混凝土后再填埋。4条压力钢管支管分别引向1#机组、2#机组、3#机组、4#机组。机组安装高程4 048.00 m。

4 鱼道与生态流量系统金属结构设计

鱼道系统布置在大坝右岸，设2孔进鱼口，4孔出鱼口，鱼道与主坝连接处设有过坝口。每个进鱼口、出鱼口和过坝口均设有一道检修闸门和一道工作闸门，均采用一门一机操作。各类闸门根据不同水位进行调度。

生态取水口位于发电引水系统压力钢管主管处，外接直径1.2 m的生态放水管，生态流量系统压力钢管采用阀门控制，在生态放水管进口设一道检修阀和一道工作阀。

4.1 鱼道系统金属结构及启闭设备设计布置

鱼道布置在大坝右岸，鱼道进、出口共布置检修闸门、工作闸门各7扇。水库上游不同高程分设4个鱼道出口(1#，2#，3#，4#)，分别满足不同水位的过鱼要求。

水库下游设2个鱼道进口(1#，2#)，满足不同高程的过鱼要求，鱼道与主坝右岸连接处设有过坝口，过坝口底槛高程为4 085.65 m。

每个进鱼口和出鱼口及过坝口各设有一道检修闸门和一道工作闸门。各类闸门根据不同运行水位进行调度，均采用一门一机操作。

4.1.1 出鱼口金属结构设计

鱼道出口检修闸门、工作闸门主要技术参数见表1。

表1 鱼道检修闸门及工作闸门主要技术参数

各出鱼口及过坝口工作、检修闸门均采用相同结构布置，型式为潜孔式平面滑动钢闸门。门叶主横梁为焊接组合工字型钢，纵向隔板采用实腹T型焊接结构，闸门正向支承采用滑道支承。每扇闸门按运输单元整体设计、制造、运输。

各部位工作闸门平时处于关闭状态，根据水位需要行鱼时，先开启过坝口工作闸门，再操作相应水位条件下的工作闸门过鱼。各检修闸门平时锁定在门槽，工作闸门检修或维护时关闭检修闸门。

鱼道出口及过坝口各部位工作闸门均为动水启闭，检修闸门为静闭动启，均采用一门一机的布置形式，共设10扇固定卷扬启闭机分别操作。各部位闸门启闭机参数表1。

1#、2#、3#、4#出鱼口及过坝口各闸门检修平台均设在坝顶4 104.00 m高程，各闸门启闭机均为单吊点，启闭机均配置相应的电气控制设备。

4.1.2 进鱼口金属结构设计

鱼道进口检修闸门、工作闸门主要技术参数见表2。

表2 鱼道进口检修闸门及工作闸门主要技术参数

1#、2#进鱼口工作闸门和检修闸门采用相同结构布置，各闸门型式为平面铸铁闸门，止水为钢止水，闸门主材为QT400。闸门埋件材质为QT400-10(铸铁镶铜)。

各部位工作闸门平时处于关闭状态，根据水位需要过鱼时，对相应水位条件下的工作闸门进行开启操作。鱼道进口各部位均采用一门一机的布置方式，共设4扇手电两用螺杆启闭机分别操作。各部位闸门启闭机参数表2。

4.2 生态系统金属结构及启闭设备设计布置

为保证环保要求和生态用水，采用生态放水管和导流泄洪洞相结合的方式，保证10 m3/s的最小流量要求。生态放水管与发电引水系统压力钢管主管卜型连接，生态放水管直径采用1.2 m钢管，钢管上设置检修阀门、工作阀门，阀门设置远程操控装置。检修阀门选型为偏心半球阀，工作阀门选型为固定锥形阀，阀门均为电动控制操作。

4.2.1 检修阀门

生态放水管进口设置1套检修阀门，检修阀门选用全通径偏心半球阀，阀门安装高程(中心线高程)为4 048.00 m，运行方式为动水启闭，操作方式为电动，功率为 5.5 kW。偏心半球阀在下放生态水的过程中为开启状态，在下游工作阀门出现事故或需要维护检修时关闭挡水，待维护检修完毕后开启。

4.2.2 工作阀门

在生态放水管进口检修阀门下游设置1套工作阀门，工作阀门要求能够自动调流，工作阀门选用的是固定锥形阀，阀门安装高程(中心线高程)为4 048.00 m，运行方式为动水启闭，操作方式为电动，功率为 5.5 kW。当水库下闸蓄水高度达到4 066.00 m时开启该工作阀门下放生态水。

检修阀门和工作阀门设置有远程操控装置，在发电引水洞外能进行远程操作控制。

5 施工导流系统金属结构设计

导流泄洪洞在前期用作施工导流系统，施工导流之前事故闸门及启闭设备需安装到位，该闸门处于开启状态，下闸蓄水时关闭事故闸门，蓄水完成后进行事故闸门下游侧门槽改造并安装弧形工作闸门。

6 结 语

湘河水利枢纽及配套灌区工程正在建设中， 希望通过本文的介绍，读者可以对湘河水利枢纽的结构型式、设备布置以及运行特点有所认识和借鉴，为类似金属结构设备设计提供有益的经验。