里底水电站导流明渠下闸研究及公路架桥机的应用

黄伟，王超，雷宝民

（华能澜沧江水电股份有限公司乌弄龙·里底水电工程建设管理局，云南 维西 674606）

1 引言

目前,国内大中型水电站导流洞（导流明渠）封堵闸门下闸时，主要采用整体闸门下闸或单节叠梁门叶下闸方法。里底水电站导流明渠施工招标阶段拟定采用单节叠梁门叶下闸，由于工期优化，下闸时间提前引起下闸条件变更，下闸水头超过单节门叶高度较多，下闸时存在门底和门顶同时过水情况，风险高，单节叠梁门叶下闸方法不可行，现场也不具备整体闸门下闸条件，需对下闸方法重新开展研究。

2 工程概述

里底水电站位于云南省迪庆藏族自治州维西县巴迪乡境内的澜沧江上游干流上，是澜沧江上游曲孜卡水电站至苗尾水电站河段规划8个梯级中的第4级水电站，为河床式水电站，电站总装机容量420 MW（3台×140 MW）。

大坝左岸布置导流明渠，用作电站二期施工期间导流，导流明渠宽33.0 m，由中墩分为2孔，孔口型式为露顶式，底板高程1 775.00 m，每孔各设一扇封堵闸门，每扇闸门宽14.0 m，高16.0 m，设计挡水水头15.5 m。每扇闸门由8节叠梁闸门门叶组成，每节门叶高度均为2 m。考虑受力及节省成本，底部4节门叶为单重24.0 t的大叠梁闸门，顶部4节门叶为单重17.6 t的小叠梁闸门。导流明渠原定于2017年12月下闸，下闸水头2 m，拟采用汽车吊逐节下闸。导流明渠下闸后，由3孔泄洪底孔分流过水，泄洪底孔进口底板高程1 778.00 m。

3 下闸特点及难点

图1 导流明渠平面布置示意图

由于导流明渠下闸后需在一个枯水期内改建为溢洪道，工期极紧。为确保改建溢洪道工程顺利完成，工程达到预定度汛目标，将下闸时间由2017年12月提前至11月。12月份下闸，下闸标准采用12月份10年一遇的月平均流量354 m3/s，下闸最大水头2 m； 11月下闸，下闸流量选取11月中旬10年一遇的旬平均流量547 m3/s，下闸最大水头6 m，下闸最大流速4.01 m/s。

下闸条件变更，带来以下下闸难点：

（1）施工招标阶段拟定采用单节叠梁门叶下闸方法，由于下闸时间提前，下闸水头由2 m提高到6 m，超过单节门叶高度较多，下闸时存在门叶顶部和底部同时过水、下闸启闭设备的抓梁在动水中退轴困难等风险。

（2）施工招标阶段拟定采用汽车吊作为下闸设备，由于提前下闸，孔口周围不能形成汽车吊站位平台，下闸启闭设备无法布置。

（3）未形成设备运输通道，闸门和启闭设备转运至各门槽孔口困难。

4 下闸方法研究

4.1 下闸门叶节数选取

目前, 国内大中型水电站导流洞（导流明渠）封堵闸门下闸主要采用以下两种方法：一是整体闸门下闸[1-2]，在工地现场将闸门组装成整体后，利用固定卷扬机等启闭机设备下闸；二是单节叠梁门叶下闸[3-4]，利用固定卷扬机或汽车吊等启闭设备单节叠梁门叶下闸。整体闸门下闸有以下特点：①下闸时间短，风险小；②整体闸门重量大，下闸启闭力需求大，启闭设备选型要求大；③如采用固定卷扬机作为下闸设备，需在门槽孔口上方布置启闭机排架；④下闸后，固定卷扬机作为临时设备需拆除，由于各水电站的差异性较大，拆除后的固定卷扬机重复利用比较困难，一般作报废处理，造成资源浪费。单节叠梁门叶下闸有以下特点：①闸门门叶重量轻，下闸启闭力需求小，启闭设备选择灵活；②如下闸水头超过单节门叶较多，下闸时存在门叶顶部和底部同时过水风险，下闸风险较高；③下闸时间长，风险增大。采用何种形式下闸，根据工程情况而异。

4.2 下闸方法比选

根据工程实际情况，对单节叠梁门叶下闸、整体闸门下闸和两者相结合的组合下闸方案的水力学、闭门力和启门力进行了计算分析。

（1）水力学参数对比分析

对3种下闸方法各种工况下的水力学参数进行对比和分析（见表1）。单节门叶下闸和底部2节门叶组成整体下闸，门顶和门底存在同时过流情况；底部3节门叶组成整体下闸，在第二孔下闸时仍存在门顶和门底同时过流情况，最高水位1 783.45 m；底部4节门叶组成整体下闸可基本解决门顶和门底同时过流问题，最高水位1 783.83 m；底部5节及以上门叶组成整体下闸可完全解决门顶和门底同时过流问题。

（2）下闸闭门力计算

下闸闭门力可采用平面滑动闸门闭门力计算公式[5]，

计算门叶下闸闭门力Fw（kN）（见表1），式中，nT为摩阻力安全系数，Tzd为支承摩阻力（kN）；Tzs为止水摩阻力（kN）；nG为计算闭门力的门重修正系数；G为闸门自重（kN）；Pt为上托力（kN）。如果计算得出下闸闭门力为正值，依靠自重不能下闸，需加配重，闭门力为负值，不需配重，闸门依靠自重能下闸。

下闸闭门过程中，如果存在门顶、底同时过流，门叶将处于紊乱的脉动水流中，所承受的载荷复杂，难于计算，故一般均避免门顶、底同时过流情况下下闸。

（3）下闸启门力计算

导流明渠下闸后，一般情况下不会重新提起闸门，但是如果在下闸时，闸门出现卡阻等异常情况，需将闸门重新提开，待卡阻原因消除后再重新下闸，因此，封堵闸门启门力最低条件要满足下闸水头下启门条件[6]，一般还需考虑下闸1～2 h内涌高水头下启门。

启门力可采用以下公式[5]，

计算启门力FQ（kN）（见表1），式中，n"G为计算启门力的门重修正系数；G为闸门自重（kN）；Px为下吸力（kN）。

同样，启门过程中，如果存在门顶、底同时过流，门叶所承受的载荷复杂。

（4）下闸方法比选

通过表1对比分析可知，在工况1、2、3时，存在门顶、底同时过流情况，下闸风险大，方法不可行；在工况5、6、7、8时，门顶和门底无同时过流风险，方法可行，但启门力需求较大，启闭设备选型要求大；在工况4时，4节闸门高8 m，6 m水头下闸，可解决门顶和门底同时过流问题，如需启门，存在水位澭高后门顶过水高度0.83 m情况，但该方法对启门力需求小，启闭设备选型要求小，较经济合理。经反复比选，拟定采用工况4方法，即“底部4节门叶整体下闸+顶部4节门叶单节下闸”组合下闸方法。

表1 下闸方法对比分析表

4.3 下闸启闭设备选择

孔口上方未设计布置启闭机排架，不能采用传统的固定卷扬式启闭设备作为下闸设备，如采用汽车吊作为下闸设备，唯一的站位平台在左岸14号坝段1 802.50 m高程，右孔下闸时汽车吊作业半径达36 m，汽车吊选型吨位需求极大，不具备可行性。

参考其他水电站利用公路架桥机安装表孔弧门经验[7-8]，经多次研究论证，拟采用公路架桥机作为下闸启闭设备，公路架桥机具有起吊覆盖范围大、主梁跨度大、起重荷载大、扬程高、装配灵活、安装时间短等特点。利用架桥机的钢结构支腿及主梁，可解决孔口无启闭机安装平台难题；利用起吊覆盖范围大、主梁跨度大可过孔的特点，可解决导流明渠未布置设备运输通闸门和启闭设备无法转运难题。

5 架桥机选择及布置

5.1 架桥机参数选择

为确保架桥机满足下闸要求，对架桥机主要参数进行了研究：

（1）根据下闸时启门力不小于2 317 kN的要求，从经济性、安全稳定性考虑，选择架桥机的容量为2×1 200 kN；

（2）考虑到导流明渠宽33.0 m，导梁段长度不小于20 m，要求架桥机长度不小于53 m；

（3）导流明渠顶部高程为1 802.50 m，导流明渠底坎高程为1 775.00 m，闸门高度为2 m，考虑到天车吊钩、吊索具等因素的影响，以导流明渠顶部高程1 802.50 m为基准，选取大钩起升高度应大于6 m以上，大钩下落最底部距离应大于27.5 m以上，架桥机最大起升高度应大于36 m；

（4）由于门叶厚度为2 m，为防止起吊过程中，钢丝绳与架桥机结构干涉，要求架桥机主梁间宽度大于3 m。

研究比选后，选用JQ240 t-50 m型架桥机，其性能参数如下：

最大启闭力：2×1 200 kN

整机总长：60 m

最大起升高度：50 m（其中轨上部分6.6 m）

主梁间宽度：6.5 m

天车起升速度：0.64 m/min

天车横移速度：1.85 m/min

最重部件：中支腿，重16 t

5.2 架桥机布置

根据现场地形，架桥机布置在导流明渠门槽孔口1 802.50 m高程，轨道中心线与封堵闸门门槽中心线重合。架桥机主梁长60 m，导梁段长20 m，布置在14号坝段作业平台，用于架桥机受料，其余40 m跨两孔导流明渠（总宽33 m），布置见图2。

考虑到架桥机在下闸中仅需用于闸门转运、节间组装及下闸，架桥机可覆盖整个门槽孔口，不需具备上下游行走功能，取消了大车行走机构及支腿横移轨道；架桥机一次布置到位，不需过孔，取消了主梁纵向移动装置、液压系统。最终，下闸使用的架桥机由主梁、前支腿、中托、反托、后支腿、天车总成和电气系统组成。同时，为了提高架桥机的安全稳定性，安装时将前支腿直接固定在右边墩上，中托固定在中墩上，反托固定在左边墩上，后支腿固定在14号坝段作业平台上。

图2 架桥机布置示意图

6 下闸方法实施

2017年11月22日，水下探摸表明门槽及底坎完好，无掏空、无冲坑，底坎没有淤积，在完成了闸门门叶组装，并检验及确认架桥机、闸门和门槽各部位运行工况良好后，正式下闸。此时，导流明渠流量为518 m3/s，未超过月平均流量。下闸时，首先将左孔4节大叠梁整体下闸，再右孔4节大叠梁整体下闸，两孔4节大叠梁下闸后，门顶过水深度约0.2 m，然后按顺序将剩余门叶采用两孔单节门叶交替下闸的方式下闸，下闸过程非常顺利。架桥机荷载仪启闭力读数显示左侧吊点最大值为920 kN，右侧吊点最大值为840 kN，同时出现在右孔4节大叠梁入水深度接近四节门叶高度的一半时（4 m）。

下闸时架桥机操作灵活，设备运行安全可靠，左右两侧吊点同步性较好，下闸过程荷载平稳无突变，下闸时间较短，底部4节大叠梁单孔下闸仅用时21 min，下闸取得了全面成功。

导流明渠下闸后，在枯水期改建为溢洪道，利用架桥机将闸门提出孔口，回收用作溢洪道表孔检修闸门，架桥机拆除回收。

7 结语

通过对下闸启闭力、水力条件研究，创造性提出了“底部4节门叶整体下闸+顶部4节门叶单节下闸”的组合下闸方法，在国内水电行业首次使用公路架桥机作为下闸启闭设备，成功实现了里底水电站导流明渠封堵闸门下闸任务，该方法值得其他类似工程借鉴，有以下优点：

（1）与单节叠梁门叶下闸方法相比，底部采用多节门叶整体下闸，闸门高度增加，避免了单节门叶门顶和门底同时过流风险，提高了下闸的安全可靠性，缩短了下闸时间。

（2）与整体闸门下闸方法相比，最大吊装单元重量减轻，启闭机容量相应减少，节省启闭设备投资。

（3）与采用传统固定卷扬式启闭机相比，节省了启闭机及配套的排架工程量，架桥机为公路施工通用设备，拆除回收后可重复利用于其他工程；架桥机设备模块化，安装调试时间短，缩短了施工工期。

（4）公路架桥机起吊覆盖范围大，主梁跨度大可过孔，可完成闸门从架桥机受料平台跨孔转运至各门槽孔口任务，孔口不需另外布置设备运输通道，也不需引进大吨位起吊设备，节省投资。