甘肃张掖黑河三道湾水电站金属结构设计

摘要：简要阐述本工程闸门、拦污栅及启闭机等金属结构设计情况，总结并评价金属结构设计的合理性及安全性。

关键词：黑河三道湾水电站 金属结构 设计

1 工程及金属结构设计概况

黑河三道湾水电站地处甘肃省肃南裕固族自治县境内，是黑河水能规划的第六座梯级电站，距张掖市约150km。工程于2005年5月正式开工建设，2009年5月竣工发电。

工程的主要任务是发电，采用引水式开发。本电站由泄洪系统、引水发电系统及发电厂区三部分建筑物组成。电站总装机容量112MW，单机容量2×45＋22MW。本工程为中型三等工程。

黑河三道湾水电站在泄洪系统、引水发电系统等建筑物上布置金属结构设备共计有闸门、拦污栅13扇，闸、栅槽埋件14套，启闭、检修设备10台(套)，金属结构设备工程量约1556t。

本电站水库各特征水位分别为：校核洪水位：2372.41m，设计洪水位：2368.21m，正常蓄水位：2370.00m。

2 泄洪系统金属结构设计

泄洪系统由1孔正常溢洪洞、1孔非常溢洪洞和1孔泄洪排沙洞组成。在正常溢洪洞前设工作闸门1扇。为运行后维修工作闸门、埋件和水道考虑，工作闸门前设1扇叠梁检修闸门；在非常溢洪洞前设工作闸门1扇。因非常溢洪洞不经常工作，故不设检修闸门，如需检修工作闸门时，将水库水位放至堰顶以下进行检修；在泄洪排沙洞进口设工作闸门1扇。为预防工作闸门发生事故时无法闭门，导致水库放空，在工作闸门前设事故检修闸门1扇。泄洪系统所有工作闸门均由液压启闭机操作，一门一机；正常溢洪洞叠梁检修闸门由1台坝顶单向门机配自动抓梁操作；泄洪排沙洞事故检修闸门由1台固定卷扬式启闭机操作。

泄洪系统各闸门均以正常蓄水位2370.00m做为设计荷载进行结构设计。各闸门构件强度计算中考虑了地震动水压力荷载，以预留不大于20％的强度裕度的方法来保证构件的强度安全。

2.1 正常溢洪洞工作闸门及启闭机

根据运行工况要求，工作闸门设置1扇表孔弧形钢闸门，孔口净宽10.00m，设计水头10.00m，闸门高度10.435m，闸门承受的总水压力为8440KN。

闸门采用斜支臂圆柱铰弧形钢闸门，弧面半径15000mm，支铰高度7000mm，面板厚度12mm，支承跨度8400mm。

闸门两侧水封采用圆头“L”型水封橡皮，底水封用平板橡皮。

计算启门力2010KN，选用1台2×1250KN双吊点后拉悬挂式液压启闭机在动水条件下操作。

液压启闭机的液压站布设在闸墩顶2373.70m高程平台上的液压启闭机房内。液压站采用双电源作动力保证。

2.2 正常溢洪洞叠梁检修闸门及启闭机

正常溢洪洞工作闸门前设置1扇表孔叠梁检修闸门，孔口净宽10.00m。设计水头9.80m，闸门高度10.522m，闸门承受的总水压力为4850 KN。

检修闸门为滑动平板叠梁钢闸门，闸门分为四节，每节闸门高2.628m，闸门支承跨度10460 mm，面板厚度14mm。

闸门的面板、止水均设在闸门的下游面，采用水封橡皮三面封水，侧水封采用φ60圆头“P”型水封橡皮，底水封采用平板橡皮，在每节闸门的顶部设有底水封座板及节间水封橡皮，保证闸门节间密不透水。

闸门侧向移动由侧导向钢管限制，侧导向钢管设在主梁的后翼缘上。

检修闸门槽为Ⅰ型门槽，门槽宽深比为2，符合规范合宜宽深比要求。

叠梁检修闸门的操作方式为静水闭门，上节动水启门，充水平压后再开启其余各节闸门，上节闸门动水启门时的启门力310 KN。选用1台2×200KN/150KN带单钩小车的单向门机配自动抓梁操作。

检修闸门平时存放在门机交通桥下专设的门库内。

2.3非常溢洪洞工作闸门及启闭机

根据运行工况要求，工作闸门设置1扇表孔弧形钢闸门，孔口净宽12.00m，设计水头10.00m，闸门高度10.435m，闸门承受的总水压力为101620KN。

闸门采用斜支臂圆柱铰弧形钢闸门，弧面半径15000mm，支铰高度7000mm，面板厚度12mm，支承跨度10400mm。

计算启门力为2326KN，选用由1台2×1300KN双吊点后拉悬挂式液压启闭机在动水条件下操作。

液压启闭机的液压站布设在闸墩顶2373.70m高程平台上的液压启闭机房内。液压站采用双电源作动力保证。

2.4泄洪冲沙洞工作闸门及启闭机

根据运行工况要求，工作闸门设置1扇潜孔弧形钢闸门，孔口尺寸8m×8m（宽×高），设计水头32.00m，闸前泥沙淤积高度5.00m，闸门承受的总压力为21282.86KN。

闸门采用直支臂圆柱铰弧形钢闸门，弧面半径13000mm，支铰高度9500mm，面板厚度20mm，支承跨度5600mm。

两侧水封采用方头“P”型水封橡皮，顶水封采用两道圆头“P”型水封橡皮，一道设于门楣上，一道设于闸门上，底水封用平板橡皮。闸门有局部开启运行要求。

泄洪洞为水库最低的泄水通道，水头高、流速大，且泥沙含量大，需要考虑气蚀问题和泥沙磨损问题。由于工作闸门没有门槽，不影响水流边界，故工作闸门重点考虑泥沙对闸体的冲刷，因此仅在底坎做局部钢衬，其他部位由水工专业采用“HF”高强抗冲耐磨混凝土浇筑。

计算启门力2360KN，选用由1台1×2500KN单吊点摇摆式液压启闭机在动水条件下操作。

液压启闭机的液压站布设在竖井高程2362.00m的平台上。液压站采用双电源作动力保证。

2.5 泄洪排沙洞事故检修闸门及启闭机

泄洪洞排沙洞工作闸门前设置1扇潜孔式事故检修闸门，孔口尺寸8m×10.5m（宽×高），设计水头32.00m，闸门承受的总水压力为23066.13KN。

闸门选用平板定轮结构，整扇闸门由4节组成，节与节之间用高强度螺栓连接，支承采用简支轮式支承，闸门侧向移动由侧轮限制。每节闸门采用双主梁，单吊点，侧水封、顶水封均采用“P”型橡皮封水，底水封采用平板橡皮封水，闸门节间设置节间水封，以保证闸门节间密不透水。为防止泥沙在梁格中的淤积，闸门面板及水封布置在上游面。闸门支承跨度9000 mm，面板厚度20mm。主轮材料采用ZG40Mn2。主轮轴材料采用40Cr。主轮轴承采用调心滚子轴承。

事故检修闸门槽为Ⅱ型门槽，门槽宽深比为1.6，符合规范合宜宽深比要求。

泄洪排沙洞事故检修闸门水头高、流速大、泥沙含量高，考虑到水流及泥沙对门槽的冲刷和磨损，因此在泄洪排沙洞事故检修闸门门槽处设有局部钢衬。

门槽埋件主轨材料为ZG40Mn2，其余埋件均为Q345B钢板焊接的组合结构和Q235B型钢。

事故检修闸门的操方式为动水启闭，闸门先小开度动水启门充水，待闸门前后水压平压后再完全开启闸门，计算启门力2500kN，选用1台3000KN的固定卷扬式启闭机操作。启闭机室内设一台250KN的桥机以检修卷扬机和工作门液压启闭机的油缸。闸门平常锁定于门槽口上。

3 引水发电系统金属结构设计

引水发电系统在大坝右岸，发电洞全长约9316 m，后接发电厂房。在引水进水口的水道上设一道一字排列的3孔潜孔式拦污栅，栅后水道渐收窄，至竖井处设1扇潜孔式事故检修门。事故检修门可在洞中有事故时切断水流，避免事故扩大，在检修期为检查、检修洞身提供条件。

拦污栅由1台设在墩顶部2375.00m高程上的移动式全液压清污机清污，拦污栅需要检修时，清污机所配的抓梁将其提出栅槽进行检修。事故检修门平时锁定在2371.50m的检修平台上，由1台单吊点固定卷扬式启闭机操作，卷扬机设在2384.00m平台上的启闭机室内。

发电洞1#、2#施工支洞出口上分别设1扇门式封堵闸门，无启吊设备。

本电站共装有2台大机，1台小机在厂房尾水设3孔检修闸，为满足厂房施工及机组安装要求设3扇检修闸门。尾水检修闸门在静水中启闭，由1台尾水移动门机式启闭机配自动抓梁操作。

3.1 发电洞进水口拦污栅及清污机

拦污栅为平面斜立式，倾斜角度80°，SNH聚合物滑块支承，底板高程2350.00m。拦污栅的孔口尺寸4m×10m，拦污栅按4m水位差设计，总水压力为16800 KN。

每扇拦污栅分4节，节与节之间采用螺栓连接，每节拦污栅由3根主横梁、2根边梁组成平面框架结构，拦污栅的侧导向为角钢。

本电站选用的水轮机为混流式机组，大机组转轮直径2320mm，小机组转轮直径1620mm，按小机组保护要求设计栅条间距应为54 mm。根据许多已建成电站的运行经验，为减小清污次数，减少水头损失，拦污栅的栅条间距设计为90mm。

拦污栅在静水中靠自重下落，在静水中起栅，计算起栅力：130KN。拦污栅上的污物清理、拦污栅的起落、移动均由2×100KN的单向门式全液压清污机操作。

拦污栅墩顶下游侧设了拦污栅库，拦污栅需检修时可在栅库中倒换。拦污栅前后的压差监测采用压力式传感器，数字式测量仪，传感器的信号一路传至大坝值班室，另一路传至电站中控室以数字显示压差值。压力式传感器设在闸墩的测井中，测井下端钢管与库水相通。

3.2发电洞进水口事故检修闸门及启闭机

事故检修门孔口尺寸6m×6m，设计水头20m，总水压力为63071 KN。

闸门选用滑动平板钢闸门，支承跨度6500mm，面板设在闸门的下游侧，厚度16mm，支承主滑块采用新型复合材料MGA。

水顶、侧止水设在闸门的下游面，底水封设在闸门的上游面。顶、侧水封采用φ60圆头“P”型水封橡皮，底水封采用平板橡皮。

侧导向为悬臂式滚轮，设在上游主梁后翼缘上，以限制闸门的侧向移动。

事故检修闸门槽为Ⅰ型门槽，门槽宽深比2.31，是合宜宽深比。

闸门的操作方式为动闭静启，闭门时利用水柱闭门，闸门在启门前先由门上充水阀向门后充水，待闸门前后水压基本平压后再完全开启该闸门。闸门动水闭门时的计算持住力为1380 KN，4m水位差下的计算启门力为894KN。启闭机容量根据持住力确定，选用1台1×1600KN固定卷扬式启闭机操作。

启闭机布置在竖井顶部2384.00m高程的启闭机室内，启闭机室的屋梁下设钢轨挂125 KN的电动葫芦供启闭机检修用。事故检修门在竖井顶部平台拼装、检修，平时存放锁定在门槽顶部槽口上。

3.3 发电洞施工支洞封堵闸门及启闭机

发电洞上有2条施工支洞，为方便发电洞的检修和维护，在1#、2#施工支洞出口分别设1扇封堵闸门。

封堵闸门的孔口尺寸均为1.7m×1.7m，1#施工支洞封堵闸门的设计水头为30m，2 #施工支洞封堵闸门的设计水头为85m。总水压力分别为：1#闸门867 KN；2#闸门2457KN。

1#、2#施工支洞封堵闸门均为平面法兰式闸门，闸门与埋件通过螺栓紧固密封。埋件上设有轴孔，闸门上设有销轴，在发电洞需检修时松开紧固螺栓并转动开启闸门。面板均设在闸门的上游侧，厚度均为25mm。水封采用矩形橡胶圈四面封水。

1#、2#施工支洞封堵闸门均为人工手动操作，无启闭设备。

3.4 发电厂房尾水闸门及启闭机

本电站共装2台大机，1台小机，在厂房尾水设3孔检修闸。正常尾水位2212.00m，设计洪水位2212.00m。2台大机尾水闸底板高程2200.568m；1台小机尾水闸底板高程2202.659m。大机尾水闸孔口尺寸3.994m×3.511m，小机尾水闸孔口尺寸2.789m×2.452m，大、小机闸门封水尺寸均为3.994m×3.511m。尾水闸门以设计洪水位设计计算，大机尾水闸门设计水头为11.5m，总水压力为14790 KN，小机尾水闸门设计水头为9.34m，总水压力为1064 KN。闸门结构计算按大机闸门设计水头进行计算。

尾水检修门为潜孔式滑动平板钢闸门，为多主梁焊接结构，支承跨度4448mm，面板厚度12mm，支承主滑块采用SNH聚合物滑块。

闸门止水设在上游面，四面封水。顶、侧水封采用φ45圆头“P”型水封橡皮，底水封采用平板橡皮。

侧导向装置选用钢管为其侧导向，设在主梁后翼板上。侧导向使闸门在上、下运动时受到侧向移动的约束，防止发生倾斜卡门现象。

尾水检修门在静水中启闭，按2m水头差计算启门力为236KN，启闭设备选用1台2×160KN台车式启闭机配自动抓梁操作。

台车设在2218.40高程的排架柱上，尾水检修门平时锁定在2212.60高程的门槽顶部槽口上。

5 金属结构设计总结及评价

黑河三道湾水电站工程金属结构设备中的闸门、拦污栅及埋件设计遵循的规范为《水利水电钢闸门设计规范》(SL74―95)。启闭机、清污机要求制造厂按照《水利水电工程启闭机设计规范》(SL41―93)进行设计制造。

承担该工程所有金属结构设备的制造厂具有水利水电工程闸门生产许可证并有多年工程使用的实例。

金属结构设备中的闸门、拦污栅设计已在前面作了介绍，构件设计、校核荷载两种工况均满足规范的要求。按平面结构体系的方法进行计算，闸门的结构设计是安全的，经济合理的。泄洪系统、发电系统的闸门设计考虑了各种泄洪工况，能满足水工建筑物在泄洪时水道控制的各项要求。按规范要求闸门不得承受静冰压力，故泄洪系统的正常溢洪洞、非常溢洪洞工作闸门冬季应采取人工开凿冰沟的方法，使闸门与冰层隔开。正常溢洪洞叠梁检修闸门平时隐藏存放在门机交通桥下专设的门库内，设计构思巧妙、紧凑，节省工程投资。