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北极星电力网技术频道 作者:佚名 2008/1/4 17:51:08
洪家渡水电站金属结构设计综述
蔡云陆一婷
(贵阳勘测设计研究院，贵州贵阳550002)
关键词：金属结构闸门拦污栅启闭机选型布置洪家渡水电站
摘要：洪家渡水电站金属结构设备共有各种门、栅槽26道，各种闸门、拦污栅26扇，各种启闭机13台套。金属结构设备总工程量约5000t。引水建筑物为三洞三机独立布置,电站取水口处于正常蓄水位以下80m；拦污栅采用70°角倾斜布置；事故检修闸门采用固定卷扬式启闭机操作。机组尾水管较宽，设有中间隔墩，共设6扇闸门。泄水建筑物设闸门4扇。导流洞设封堵闸门1扇。上述金属结构设计都存在一些技术难点，如倾斜深水式清污机；支承力大的闸门支承形式；高水头水封形式和高速水流的门槽体形结构等。对这些技术难点都进行了分析研究，采取了相应的对策。
1工程概况
洪家渡水电站金属结构设备分别布置在泄水建筑物、引水建筑物、尾水建筑物和施工导流洞的相关部位，共有各种门（栅）槽26道，各种闸门（拦污栅）26扇，各种启闭机共13台套，金属结构设备总工程量约5000t。洪家渡水工闸门及拦污栅技术特性见表1。
2金属结构设施选型及布置
2.1引水建筑物
洪家渡水电站引水建筑物为三洞三机独立布置。为保护机组，在塔式取水口前缘设置拦污栅；水轮发电机组设有蝶阀保护，在每条引水隧洞的进口水平段设置平板事故检修闸门1扇，给引水隧洞及压力钢管提供事故保护和检修条件。
电站取水口设在正常蓄水位以下80m左右，为深式进水口，一般可不考虑清污设施。但本水电站为梯级的龙头电站，库区面积大，污物性质及污物量难以查明，且电站为调峰电站，机组运行水位变幅大，在高水位运行时，汛期大量污物将通过溢洪道排泄，在低水位（最低1076.0m）运行时，将会有污物在栅前堆积，长期积累也会造成危害。为此，在每个取水塔顶设置1台移动式清污机，兼作拦污栅的安装、检修起吊设备。
拦污栅倾斜式布置，倾斜角为70°，栅间由混凝土闸墩分隔，栅后为连通式布置。
事故检修闸门竖井设在取水口前缘下游侧101m处山体内，事故检修门门槽至取水口洞段无检修条件，采取增大前缘洞段衬护强度、事故检修门门槽采用钢结构整体门槽、严格控制施工质量等安全措施，不再设置检修闸门。
事故检修闸门采用固定卷扬式启闭机操作，启闭机布置在闸门井顶部启闭排架上。
2.2尾水建筑物
机组尾水管较宽，故设中间隔墩将尾水出口分为6道。原设计6个尾水孔共用4扇闸门，后根据机组安装施工期需闸门挡水的要求，修改为1孔1门，共设6个闸门。6扇尾水检修闸门共用1台台车式启闭机配自动抓梁操作。
2.3泄洪建筑物
洞式溢洪道在开敞式溢流堰处设置2扇弧形工作闸门。由于库水位每年有1～2个月时间低于工作闸门底坎，工作闸门可在该时段检修，因此不设检修闸门。
工作闸门采用表孔弧门双缸液压机操作，液压机为上挠式布置，悬挂在闸墩侧墙上。动力房设在闸墩顶部。
泄洪洞由有压洞段和明流洞段组成。为满足泄洪洞的运行要求，泄洪洞共设置两道闸门。在有压洞段出口设置弧形工作闸门1扇，平时用于挡水，参与泄洪或向下游电站放水时开启该闸门。在有压洞段中部竖井内设置平板事故检修闸门1扇，给有压洞段及工作闸门提供事故保护和检修条件。事故检修闸门竖井设在进口前缘下游侧约140m处山体内，事故检修门门槽至进口洞段无检修条件，采取增大前缘洞段衬护强度、事故检修闸门门槽采用钢结构整体门槽、严格控制施工质量等安全措施，不再设置检修闸门。
事故检修闸门采用固定卷扬式启闭机操作，启闭机布置在闸门井顶部启闭排架上。
工作闸门操作条件为动水启闭，一般情况下全开全关；当水头低于45m时，可作局部开启。工作闸门采用摇摆式液压机操作。在液压机上方设置1台桥式起重机，供液压机检修时使用。
2.4导流建筑物
洪家渡电站设两条导流洞，在2号导流洞进口设置平板钢闸门1扇，分别在2号导流洞洞身施工期、泄洪洞出口开挖期、2号导流洞封堵期使用。
闸门采用固定卷扬式启闭机操作，启闭机布置在闸门井筒顶部工作平台上。
2号导流洞封堵闸门已于2001年5月下闸挡水。2004年下闸封堵后，启闭机将拆除回收。
3主要技术难点及对策
3.1倾斜深水式清污机
洪家渡水电站进水口拦污栅为倾斜70°布置，清污机抓斗最大下潜行程约90m（目前国内设计使用的清污机最大下潜行程约为60m），如何保证清污机抓斗和抓梁在深水条件下倾斜升降时不发生卡阻、意外卸污并抓取自如，可靠工作，为清污机设计的难点。经调研，初拟对策如下：
(1)设置导轨。保证清污机抓斗倾斜下潜至栅面。
(2)采用闭合式抓斗。保证提升过程中不发生意外卸污。
(3)采用增力或加压式抓斗。采用液压动力虽能获得大的抓污能力，但深水条件下较难设置操作系统，故拟采用增力或加压式抓斗。
(4)清污机兼有提栅功能。设置1套自动抓梁与抓斗换用。深水条件下常规穿销式和自如式抓梁可靠性差，为此采用抓斗式自动抓梁。
(5)拦污栅上部设置托辊，防止抓斗提升绳与栅片缠绕。
(6)设置水下电视监控系统。
3.2闸门支承
引水隧洞事故检修闸门和泄洪洞事故检修闸门水头较高（85m左右），单位高度承载较大（5700kN／m左右），闸门支承形式的选择是设计中的关键技术问题。在设计过程中,先后比较了滑动式、定轮式及链轮式等多种支承形式。以泄洪洞事故检修闸门为例，滑动式支承结构虽然简单，但其摩阻力较大，经初步计算，启闭机容量达9000kN，启闭机设计、制造、布置较困难。链轮式支承结构复杂，制造、安装要求高，价格昂贵，由于其活动铰接较多，本身发生故障的概率较定轮大，摩阻力虽较滑动式支承小，但闭门仍需加重500t。滚动轴承定轮支承，闸门靠自重可以闭门，启闭机容量仅为3600kN，工程量较省。三峡工程深孔工作闸门（7×11—85m）和小浪底工程2号明流洞事故闸门（8×11—66m）等闸门都采用了定轮支承。经过综合分析比较，确定采用滚动轴承定轮为闸门的主支承，主轮轮压为5000kN级，对主轮材质、热处理方法、低速重载调心滚动轴承等方面正在进行研究。
洪家渡水电站2号导流洞封堵闸门孔口尺寸为10m×12.984m（宽×高），总水压力为107291kN，属国内已建和在建工程中少数几个承挡总水压力超过100000kN的闸门。由于闸门挡水压力较大，要求主支承具有较高承载能力；为减小启闭机容量，要求主支承具有低摩擦阻力特性。以前由于材料开发的滞后，对于大孔口、高水头的导流洞闸门，难以选用到同时具备高承载和低摩阻特性的主支承材料，设计上常将闸门作成窄高形（如白山水电站9m×21m—76m导流洞闸门）或采用胶木和钢双滑道支承（如李家峡水电站11m×12.5m—95m导流洞闸门），使导流洞洞身设计和闸门设计受到一定制约，投资也会加大。洪家渡水电站2号导流洞闸门，主支承采用了NL型单滑道，最大允许承载8000kN/mm，摩擦系数f＜0.15，启闭容量仅为3600kN，导流洞进口尺寸无需作大的调整，满足了土建结构的需要，简化了闸门设计，节省了工程投资。
3.3高水头水封
引水隧洞事故检修闸门、泄洪洞事故检修闸门以及2号导流洞封堵闸门水头较高，为获得好的封水效果，将水封设计成双肢Ω形，安装时用压板压紧两肢，中部形成密封腔，密封腔与库水相通，利用库水压力增大水封接触线压力，使水封头与止水座板贴紧封水。双肢Ω形水封已在贵阳勘测设计研究院设计的东风水电站中孔事故检修闸门和3号导流底孔封堵门上使用成功。
对于弧形工作闸门，当水头超过80m时，普通P形止水已不宜采用。原因一：由于总水压力较大，闸门挡水时门叶将产生不均匀后退变位，普通P形止水难以适应封水间隙的变化；原因二：若采用普通P形止水，预压量小时，水封与门槽止水座板间的接触线压偏小，止不住高压水，进而产生危害较大的缝隙射流，预压量大时，启闭机容量也大，不经济，而且启闭闸门时水封容易损坏。为此，国内工程超过80m水头的弧形闸门止水，以偏心铰压紧式止水和液压伸缩式变形止水两种最为普遍。偏心铰弧门由于增加了1套偏心机构和操作偏心铰的回转液压机，造价较高，制造、安装较为复杂。为节省工程投资，洪家渡水电站泄洪洞工作闸门采用突扩跌坎门槽、液压伸缩式变形止水。闸门止水为两道，即液压伸缩式变形止水加普通止水，高水头下液压伸缩式变形止水工作，普通止水起防射水和低水头下挡水的作用。天生桥一级水电站放空洞工作闸门和东风水电站中孔工作闸门在液压伸缩式变形止水的应用上都有成功的经验。但液压伸缩式变形止水都是安装在门槽上，存在止水及压板等附件安装、检修较困难，闸门面板整体机加工精度要求高、加工量大等不理想之处，目前正研究将液压伸缩式变形止水布置到闸门面板上，以期解决上述问题。
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