大藤峡水利枢纽工程关键技术创新及应用

邓勋发，邓 森，黄天宝，陈规划

（广西大藤峡水利枢纽开发有限责任公司，530200，南宁）

大藤峡水利枢纽工程（以下简称大藤峡工程）是国家172 项节水供水重大水利工程的标志性工程，是珠江流域的关键控制性工程，具有防洪、航运、发电、水资源配置、灌溉等综合效益。大藤峡工程规模和多项技术指标处于国内外同类工程前列，船闸是目前世界上已建水头最高的单级船闸，泄水闸高、低孔弧形工作闸门总推力位于国内同类工程前列，低水头大容量轴流转桨式水轮发电机组的设计制造难度突破国内外同类机组水平，南木江生态鱼道为目前国内规模最大的生态鱼道。项目法人广西大藤峡水利枢纽开发有限责任公司（以下简称大藤峡公司）组织国内知名科研院所开展了超高水头船闸输水系统、船闸超大金属结构设备、大型轴流发电机组结构及性能优化、泄水闸弧门超大推力闸墩结构及安全、水库综合调度及流域水库群联合调度运用研究及工程施工等六大类关键技术40多项科研项目攻关，取得系列创新研究成果，解决了工程关键技术难题，为工程设计、设备制造安装提供了技术支撑。

一、建设国内外水头最高、规模最大的单级船闸

1.创新超高水头船闸输水系统

大藤峡船闸设计通航最大船舶吨级为3000 t，船闸级别为Ⅰ级，闸室有效尺寸为280 m×34 m×5.8 m，船闸最高通航水头40.25 m，一次充泄水量最大达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。高水头船闸输水系统流量大、流速高，输水廊道阀门段、第一分流口、第二分流口等输水系统关键部位水力学问题突出。

大藤峡公司组织中水东北勘测设计研究有限责任公司（以下简称中水东北公司）、长江科学院、南京水利科学研究院、武汉大学等多家科研单位开展超高水头船闸输水系统整体及局部水力学模型等8 个平行试验研究，对输水系统第一分流口、第二分流口及充泄水阀门段廊道等关键部位的水流流态、分流流量、压力分布、体型及船舶停泊条件等进行平行对比试验研究，取得系列创新成果。研究成果通过水利部水利水电规划设计总院验收，并应用于船闸输水系统设计。船闸进水口采用侧向垂直多支孔分散进水的方式，部分自引航道内取水，部分自库区取水，出水口采用泄水箱涵将闸室水体泄入右侧尾水渠；第一分流口采用T 形管处设置不对称分流脊的立体分流体型；第二分流口采用加设分流脊的自分流体型，为世界首创；充水阀门段跌坎采用垂直型式，升坎采用五次曲线体型。原型监测成果表明，优化后的四区段八分支廊道盖板消能（自分流）输水系统水力特性、廊道压力特性、船舶停泊条件均满足规范要求，船闸充、泄水运行时，闸、阀门整体运行状况良好，闸室水面升降平稳，各技术指标均满足设计规范要求。

2.国内外最大船闸人字闸门制造安装

船闸下闸首人字闸门高47.5 m、宽20.2 m、厚3.2 m，重1295 t，面积相当于2.5个标准篮球场大，比三峡船闸人字闸门高9 m、重500 t，规模为目前世界最大，堪称“天下第一门”。每扇门叶结构分十二节，制造后运达现场安装焊接成整体。下闸首人字闸门的制造、安装以及转轴支撑均属世界级难题。

大藤峡公司组织中水东北公司联合复旦大学、武汉大学、南京水利科学研究院等开展人字闸门结构、水动力及启闭特性，液压启闭机挠度和稳定性，底枢及润滑结构等7个试验项目研究。人字闸门底枢“蘑菇头”直径1.2 m，是三峡闸门底枢“蘑菇头”直径的1.2 倍，通过多方案试验对比，选用高碳高铬不锈轴承钢铸锻、高力黄铜镶嵌无铅PTFE类固体润滑剂，耐磨性能好，为国内外首创。人字闸门液压启闭机细长液压缸与活塞杆大比尺（1∶5）模型试验研究表明，长18.4 m 的液压缸、直径0.38 m 的活塞杆满足强度、刚度及稳定性要求，可安全稳定地控制巨型人字闸门运行。

“蘑菇头”为国内首次选用高碳高铬不锈钢新材质铸锻，制造难度巨大。为降低风险，大藤峡公司多次组织专家咨询，委托国内两家高资质公司同时铸锻，互为备用，提高供货保证率，有效解决热处理难度高、材料变形抗力大、锻造易开裂等多项技术难题，及时完成制造任务，确保船闸人字闸门按时完成安装。

人字闸门门轴柱和斜接柱是两扇人字闸门形成三角拱支承的直接受力构件，除承受自身重量外，还传递整扇闸门的巨大水压力。该部位空间狭小、板材厚、焊缝多，焊后容易产生过大的残余应力，对闸门的受力不利。武昌船舶重工集团有限公司在人字闸门边单元制造过程中，对小部件进行整体退火消应力处理，再分段进行振动消应力处理，在制造全周期内分阶段进行焊接应力消除，有效降低焊接残余应力，保证结构安全。

下闸首人字闸门最大板厚100 mm，推力隔板厚50 mm，材质为Q390GJDZ25，首次运用在水工闸门上。制造单位制定预焊接作业指导书，通过无损检测、力学性能验证焊接试件的焊接工艺和焊缝参数的可行性；根据评定确定焊接工艺、焊接参数，编制焊接工艺规程；确定门体制造的分段形式、工艺流程，将门体分为部件制造、边单元制造、中部单元制造和门体总拼装四个阶段实施。

下闸首人字闸门体型巨大、重量巨大、结构复杂、焊接量大，背拉杆预应力层数多、受力状态复杂，现场起吊和焊接变形控制难度大，安装控制要求高，刚性止水要求精度达0.05 mm。葛洲坝公司组织开展人字闸门吊装、焊接变形质量控制、三层背拉杆预应力调节等联合攻关，对人字闸门分节运输方案、顶枢A和B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，确保安装关键工序技术可控、方案可行。

二、自主设计、制造、安装国内最大轴流转桨式水轮发电机组

大藤峡左右岸电站共安装8台自主设计、制造、安装的国内最大轴流转桨式水轮发电机组，单机容量20万kW，水轮机转轮直径10.4 m，发电机定子铁芯外径17.2 m，转子最大直径16.4 m，起吊总重量940 t。机组尺寸巨大，技术复杂，设计、制造、运输、安装调试难度极高。

大藤峡公司组织中水东北公司、浙江富春江水电设备有限公司进行攻关，研发出性能优秀、适合大藤峡水力特性和实际特点的模型转轮，并在真机运行中得到了检验。水轮机重要的零部件均采用三维设计、三维实体仿真有限元计算，均在数控机床上加工、厂内预装和试验，确保了水轮机整体质量。创新设计活塞位于转轮叶片枢轴下方的新型结构及一系列专用安装工具，直接采用立式装配并吊装的解决方案，成功解决了缸动式结构和常规活塞式结构转轮在装配后需要翻身再进行吊装的技术难题，为转轮安装和检修带来便利，保证安装人员人身安全及转轮内零部件在翻身过程中免受损伤，提高了安装效率，缩短了安装时间，保证了施工安全。水轮机座环使用座环专用车床，加工精度和效率更高，提高了制造精度，缩短了制造时间。

针对水轮发电机低转速、大推力负荷的特点，大藤峡公司组织中水东北公司、哈尔滨电机厂进行技术攻关，采用在巨型机组广泛应用的小支柱推力轴承和斜支臂转子结构，确保各推力瓦受力均匀，缩小各推力瓦的温差。以斜支臂推力结构改善转子支架的受力，确保转子支架和磁轭的分离转速不低于额定转速的1.4倍，保证了机组的长期安全稳定运行。针对大藤峡水轮发电机直径大、高度低的结构特点，持续开展设计优化与工艺改进，通过刚强度计算和有效增加结构部件重量，解决了机组上机架、下机架、转子支架和定子机座等重要部件刚度性能提升难题，成功攻克转子支架加工、推力轴承瓦装配、推力挡油管加工易变形等一系列生产制造难点。机组定子铁芯重187.8 t，由20万张硅钢片叠装而成，制造单位在行业规定的3 次预压基础上，增加1 次预压，使叠压系数达到0.97 以上，超过国标要求的0.96，并高标准控制定子圆度在0.46 mm以内，偏差控制在2%以内，远高于国标要求的4%。大藤峡发电机镜板直径为5.2 m，与三峡发电机镜板同一尺寸，是哈尔滨电机厂制造的最大尺寸镜板，其形位公差要求严格，加工难度大，通过不断优化工步、工序和加工工具，确保镜板质量。

三、建设大流量、大推力弧形工作闸门泄水闸

大藤峡泄水闸5000 年一遇校核洪水最大下泄流量为70 700 m3/s，最大单宽流量达到176 m3/s，弗劳德数（3.1～4.3）较低，属大泄量低弗劳德数泄洪建筑物，消能工复杂。泄水闸布置24孔低孔弧形工作闸门和2孔高孔弧形工作闸门，低孔弧形工作闸门孔口尺寸为9 m×18 m，设计水头为39 m，单扇弧门最大推力达6820 t，弧形闸门铰座钢梁支撑结构、弧门推力等在国内同类工程中位居前列。

大藤峡公司组织中水东北公司联合中国水利科学研究院、南京水利科学研究院、武汉大学、吉林大学、四川大学等单位，通过采用数学模型和物理模型相结合的方法，对泄水高孔（低孔）闸门水力学、水动力作用荷载特性、结构静力和动力特性以及结构流激振动特性等问题进行系统研究，揭示了泄水工作闸门水力结构设计中存在的问题，提出改善措施和闸门安全运行操作规程；通过数值模拟对泄水高孔、低孔坝段闸室预应力闸墩及支撑型式进行了三维有限元计算分析研究，得到关键技术指标参数，并提出了泄水低孔采用预应力闸墩和钢梁结构组合的优化方案，确保泄水闸室闸墩安全运行；通过物理模型试验对泄水低孔门槽及胸墙常压、减压条件下空化空蚀特性进行深入分析研究，得到相关特性关键指标参数并提出了预防措施建议；通过调查对比、资料分析、数值模拟计算等多种方法，对泄水低孔弧形闸门支承钢梁及闸墩预应力锚索施工工艺关键技术进行了系统深入研究，提出适合大藤峡工程施工条件的方案；通过基础资料分析、数值模拟计算、物理模型试验等多种方法，对超大推力泄水闸及其相邻构筑物基础处理关键技术进行系统深入研究，提出泄水闸室与岩体的变形破坏模式，为大藤峡泄水闸及其相邻构筑物基础处理提供了强有力的技术支撑；通过多方案水工模型试验对比研究，确定合理的枢纽布置方案和消能方案，消能采用二级消力池底流消能方案，消力池分为左、中、右3个分区，较好地解决了枢纽合理布置及大流量泄洪消能问题。研究成果通过水利部水利水电规划设计总院验收并应用于泄水闸设计及安装。

泄水闸低孔弧形工作闸门重715 t；弧形工作闸门支承钢梁长15.1 m、重230 t，由35束钢锚索锚固于闸墩上。泄水闸弧形工作闸门安装工序多，安装过程复杂，施工难度大，安全风险系数极高。中国水利水电第八工程局有限公司建立专门的弧门安装组织机构，对安装技术方案进行多次论证，确保技术质量标准落实。在施工工法上，依据弧形闸门主要构件的重量及尺寸情况，结合安装场地工况，采取750 t履带吊车安装支铰座、增设两台16 t单臂桥机穿插安装花架等措施，保障了作业安全和施工进度。

四、建设独特的双鱼道、国内最大的生态鱼道

大藤峡工程建设会对黔江鱼类洄游造成阻隔，影响区分布有在海洋至江河间洄游的鱼类如花鳗鲡、鳗鲡和江湖洄游鱼类如四大家鱼等。为保护受工程影响的鱼类，恢复河流生物多样性，大藤峡工程建设了黔江鱼道和南木江鱼道双鱼道。

1.黔江鱼道

黔江鱼道布置在黔江右岸岸坡上，总长度3698.2 m，其中非汛期鱼道长1279.8 m，汛期鱼道长2418.4 m。鱼道槽身为钢筋混凝土结构，纵坡1∶80，宽5 m，为竖缝式鱼道，竖缝宽1 m，鱼池室长6 m，每隔15～20个鱼池室设一个平底休息池，休息池长12 m，鱼道底板设置浆砌卵石加糙。

2.南木江鱼道

南木江鱼道布置在南木江副坝左岸，采用工程鱼道和仿生态鱼道相结合的过鱼方式，南木江鱼道总长5537 m，其中工程鱼道长1067 m，生态鱼道长4470 m，工程鱼道槽身为钢筋混凝土结构，内侧浆砌卵石加糙。

在施工图设计阶段，南木江鱼道在满足原设计功能的同时，结合生态景观设计优化了鱼道治理范围和设计。根据南木江河道地形条件，结合各种过鱼种类，对流速、水深及保育中心、鱼类增殖站布置、景观绿化等进行优化，经过综合比较鱼道总体布置、纵坡、断面形式及各控制高程等系列方案，最终确定将南木江鱼道布置为弯弯曲曲近似天然河道的形状，其中#1鱼道生态段起点高程51.6 m，长度1440 m，纵坡1∶150，汇合口高程42.0 m；景观湖底高程42.5 m，景观湖雍水堰顶高程44.8 m；#2鱼道生态段长度280 m，纵坡1∶100；下游总生态鱼道长度2750 m，纵坡1∶250，末端高程31.0 m。

大藤峡公司组织中国水利水电科学研究院、华北水利水电大学开展数学模型及物理模型试验，验证鱼道是否满足鱼类过鱼要求。建立包含生态鱼道与部分工程鱼道的数学模型，模拟生态鱼道进出口位置、衔接位置及鱼道段的水流情况，分析水流流态和流速特征，初步判断鱼道方案的可行性及优化方向，为物理模型提供最优模型方案。物理模型试验采取平面比尺1∶10～1∶12、垂直比尺1∶10～1∶12，模拟#1生态鱼道、#2生态鱼道及部分总生态鱼道，测试各工况下生态鱼道的过流能力及生态鱼道内（包括休息室）的流态、水深、流速分布状况，检验鱼道内水流结构对过鱼水力条件的适应性；测试鱼道沿程水面线和流速沿程变化，分析鱼道内水流沿程能量耗散及消能对过鱼水力条件的影响；验证生态鱼道平面布局、纵坡设计与断面设计方案的合理性，并优化设计参数，以满足鱼道对水流条件的要求。

通过系列试验及修正，确定将南木江鱼道布置为近似天然河道的形状，有浅滩、深潭、石窝、水草等，适合水生生物生长及鱼类洄游等。

五、结 语

大藤峡工程多项关键指标处于国内外领先水平。工程论证建设期，水利部成立了由潘家铮院士、郑守仁院士等组成的大藤峡工程建设领导小组专家咨询组，把脉、破解工程建设重大关键技术难题，水利部水利水电规划设计总院开展工程重大科研试验成果验收、重大技术问题咨询和阶段验收安全鉴定等40余次，解决了大藤峡工程泄水闸消能建筑物布置、泄水闸低孔弧门支承结构、一期基坑岩溶涌水、大体积混凝土温控、大江截流及船闸人字闸门、“磨菇头”制造安装等系列重大关键技术问题和施工难题，为工程设计、设备制造安装及工程建设顺利推进提供技术保障，创造了工程提前4个月完工、工程质量优良、运行安全稳定和投资可控的水利工程新标杆。