庫什塔依水電站金屬結構的布置與設計

張廣川

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

庫什塔依水電站金屬結構的布置與設計

張廣川

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

庫什塔依水電站是庫克蘇河上第4級的水電站，該電站裝機100MW，為Ⅱ等大（2）型工程，金屬結構主要包括平面閘門、弧形閘門、攔污柵及液壓啟閉機、固定卷揚式啟閉機等設備。這些設備布置在水工建筑物上，分別擔任電站的泄洪和發電任務，保證工程的順利進行。本文主要介紹該電站的工程概況及金屬結構的布置和設計。

庫什塔依水電站；金屬結構；閘門；啟閉機

1 工程概況

庫什塔依水電站工程位于新疆維吾爾自治區伊犁州直屬（以下簡稱“伊犁地區”）的特克斯縣境內，是新疆伊犁河流域庫克蘇河水力發電規劃“2庫5級”中的第4級水電站，為推薦的近期開發工程，開發任務是發電。工程壩址距該河與特克斯河匯合口18.36km，距特克斯縣20km，距伊寧市139km，距烏魯木齊市831km，壩址處地理坐標為東經81°53′，北緯43°07′。工程等別為Ⅱ等大（2）型工程，采用堤壩式開發，由攔河大壩、表孔溢洪洞、導流兼泄洪洞、發電引水洞及電站廠房等組成。最大壩高91.1m，水庫總庫容1.59億m3，水庫正常蓄水位1305m，死水位1285m，調節庫容0.74億m3，具有季調節性能；電站裝機容量100MW，保證出力9.9MW，多年平均年發電量3.50億kW·h，電站建成后向北疆電網供電。

2 金屬結構布置與設計

庫什塔依水電站的金屬結構主要分布在泄洪系統和引水發電系統上。

2.1 泄洪系統閘門及啟閉機

泄洪系統由表孔溢洪洞和導流兼泄洪洞組成，表孔溢洪洞和導流兼泄洪洞位于樞紐右岸。表孔溢洪洞控制段堰頂高程1296.50m，閘頂平臺高程1307.60m。采用“WES”實用堰型，共1孔，最大下泄流量為846.84m3/s。根據水庫運行方式，庫水位無足夠的連續時間低于底檻，故設一道檢修閘門和一道工作閘門。導流兼泄洪洞為有壓洞，前期作為導流洞，后期承擔泄洪任務，并且保證發電洞進口的“門前清”。進口底板高程1229.00m，閘井內設一道事故閘門，出口底板高程1225.00m，閘井內一道工作閘門。該洞最大下泄流量為599.85m3/s。

2.1.1 表孔溢洪洞閘門及啟閉機

檢修閘門∶設在溢流堰前沿，孔口尺寸12m×10.5m（寬×門高，下同），設計水頭10m。閘底板高程1295.00m。閘門采用下游面板，下游封水，底水封設在下游面板底端，支承在溢流堰前沿底水封座板上。側向采用輪徑為φ300mm的導向側輪擋動。閘門門葉結構材料采用Q345C，閘門為雙吊點，吊點距為7.78m；底側水封為P60橡皮，橡皮予壓3mm。閘門靜水閉門，門頂設直徑為φ250mm、行程為210mm的充水閥，充水閥與啟閉機聯動，啟門前打開充水閥充水平壓后水壓差不超過1m時靜水啟門。該檢修閘門采用QP2×400kN-15m的固定卷揚式啟閉機操作，啟閉機安裝在閘頂平臺以上1322.00m高程的閘房內。

工作閘門∶孔口尺寸為12m×9.2m，設計水頭8.7m，考慮到弧形閘門無門槽，具有較好的水力學條件，故設1扇弧形鋼閘門。閘門設在堰頂下游0.2m處，底檻高程為1296.30m，根據風浪爬高確定門葉超高為0.5m；閘門門葉采用雙主橫梁斜支臂結構；綜合研究閘門結構和啟閉設備的布置要求，取弧門面板曲率半徑為11m，與閘門高度的比值為1.2，主橫梁與支臂的單位剛度比為4.53，根據溢洪道堰頂校核洪水位水面曲線及宣泄校核洪水不沖擊支鉸的原則，確定支鉸設置高程為1302.30m；門葉結構及支臂采用Q345C制造，側水封采用圓頭L形橡皮，橡皮預壓8mm，側向設直徑為φ200mm的簡支式導向側輪，鉸鏈、鉸座材料為ZG310-570，鉸軸直徑為φ300mm，材料為40Cr鋼，軸承采用自潤滑球面滑動軸承；埋件結構材料采用Q235B。由于液壓啟閉機具有結構緊湊、對閘門的振動能起緩沖作用等優點，又考慮到工程所在地為高地震區，經比較閘門采用一臺容量為QY2×630kN-5m的懸掛式液壓啟閉機操作。液壓啟閉機設一個液壓泵站。液壓啟閉機的缸體安裝在閘墩上，經優化確定上支承中心位置高程為1307.30m，閘門處于全關位置時油缸中心線與鉛垂線夾角約32.0711°，閘門處于全開位置時（閘門底緣高出校核水面線約1.2m）油缸中心線與鉛垂線夾角約80.7363°。吊耳位于閘門下游下主梁兩端附近，吊點距為11.1m。液壓啟閉機的操作系統安裝在與表孔溢洪洞相鄰壩段上（高程為1307.60m）的操作室內。

工程所在地冬季最低氣溫可達-32℃。根據電站運行的基本調度曲線分析，工作閘門在嚴冬長期擋水，在此期間閘門不進行操作，因此不考慮門槽的防凍問題。為防止閘門承受冰的靜壓力，采用發熱電纜方法加熱面板，使附著在面板上的冰融化，與冰層隔開達到防止閘門承受冰的靜壓力的目的。

2.1.2 導流兼泄洪洞閘門及啟閉機

事故閘門∶孔口尺寸5m×7m（寬×高，下同），設計水頭76m。共1孔，設1扇滑動支承平板鋼閘門。閘門采用上游面板，下游封水。側向設直徑為φ250mm的懸臂式導向側輪擋動。閘門門葉結構材料采用Q345C；閘門頂側止水采用P60橡皮，橡皮預壓4mm，底水封采用平板橡皮?；啦捎娩摶~塑復合材料；閘門為單吊點；閘門靠自重和水柱壓力動水閉門，門頂設直徑為φ300mm、行程為280mm的充水閥，充水閥與啟閉機聯動，啟門前打開充水閥充水平壓后水壓差不超過3m時靜水啟門。閘門采用QP1×5000kN-80m的固定卷揚式啟閉機操作，啟閉機安裝在閘頂平臺以上1319.50m高程的閘房內。為便于啟閉機檢修，在閘房內設有1臺100kN-9m的檢修用單梁吊。

門槽處最大流速約為17.1m/s，為避免門槽處發生氣蝕破壞和泥沙沖蝕，采用帶錯距、圓角、斜坡的Ⅱ型門槽。門槽中心線前1.5m、后3m范圍內的底板用鋼板襯護。

工作閘門∶孔口尺寸4m×5m，設計水頭80m。設有1扇雙主梁直支臂圓柱鉸弧形鋼閘門，閘門面板曲率半徑為9m，支鉸高度7.5m，主橫梁與支臂的單位剛度比為7.48；該閘門門葉結構及支臂材料采用Q345C，鉸鏈、鉸座材料選用ZG310-570，鉸軸直徑φ480mm，材料為40Cr鋼；閘門頂水封采用一道‘P’形橡皮和一道轉鉸式水封，其中轉鉸式水封設在門楣上，另一道設在門葉上，側水封采用方頭形橡皮；側向設有導向滑塊。閘門門葉結構按運輸單元分二節制造，運至工地后在現場拼焊成整體。埋件結構材料采用Q235B，門槽底板加鋼板襯護。閘門動水啟閉，由QY2500/800kN（啟門力/下壓力）-7.1m液壓啟閉機操作。液壓啟閉機的缸體安裝在1241.00m高程的平臺上，液壓啟閉機的泵站設兩套油泵電動機組，互為備用。啟閉機采用現場手動和PLC控制，并通過PLC與閘門控制LCU之間的實時通訊實現遠程控制和自動控制。為便于液壓啟閉機檢修，在1254.00m高程設有一臺容量為200kN，揚程為18m的檢修用單梁吊。

2.2 發電引水系統閘門及啟閉設備

引水發電系統布置在樞紐的右岸，在導流兼深孔泄洪洞右側，采用一洞四機的布置形式，主要由進口引渠、進水口、引水隧洞、壓力管道、岔管、支管及發電廠房組成。由引水渠引水至發電洞進口，進口底板高程1270.00m，閘頂平臺高程1370.60m。為降低過柵流速，發電洞進口為喇叭口體型，分4個進水口聯通式布置。每個進水口各設一道清污抓斗導向槽和一道攔污柵，在水道漸變段末端設一道事故閘門。電站共有4臺水輪發電機組，2大2小，裝機容量分別為35MW和15MW。每臺大機組尾水有2個出口，每臺小機組尾水有1個出口，共6個出口。考慮前期有1臺小機組發電，后3臺機組安裝時間可能較長，故設6扇檢修閘門。

入庫污物將有部分隨風浪匯集到發電進水口前，為保證柵前清，攔污柵前部約1.5m范圍內，利用清污抓斗全跨清污，清污抓斗由發電洞進口閘頂雙向門機操作，系統電氣元件的控制及聲光信號指示均設在門機司機室內。清污抓斗主要由抓斗、液壓傳動裝置和支承框架等組成。抓斗采用全跨多葉形式，由固定葉片和轉動葉片組成。液壓傳動裝置是清污抓斗開合的驅動機構，隨清污機一起進入水下工作，各主要部件都采用防水密封件。支承框架采用焊接結構，設有正、反、側向支承導向裝置。連接件采用鍍鋅螺栓，轉動件均采取防腐措施。攔污柵槽前的軌道槽，作為清污機的導向和限位裝置。

在發電進水口閘頂平臺上設一臺2×200kN-45m、軌距為7m的雙向門機，用該門機借助自動抓梁操作清污抓斗和攔污柵。

攔污柵∶孔口尺寸4m×10.5m，共1孔，設4扇攔污柵，柵體結構按4m水位差設計，為直立式，滑塊支承，柵條凈距80mm，柵葉結構材料采用Q235C。柵葉結構由柵條和框架組成，柵條焊接在框架主梁的翼緣上，為防止柵條側向失穩，在相鄰柵條間用槽鋼聯結。柵葉為雙吊點，吊點距為4.4m；柵葉結構沿高度方向分四節制造、運輸，在閘頂1370.60m高程平臺上用連接軸將四節柵葉連成整體。

事故閘門∶孔口尺寸7.2m×7.2m，設計水頭35m，共1孔，設1扇事故閘門，采用滑動支承平板鋼閘門，上游面板，下游封水，側向設直徑為φ300mm的懸臂式導向側輪擋動。閘門門葉結構材料采用Q345C。門葉沿高度方向分成三節制造、運輸，在1305.50m高程安裝檢修平臺上分節吊裝并焊接成整體。閘門靠自重和水柱壓力動水下門，門頂設φ300mm充水閥，充水閥與啟閉機聯動，充水行程為290mm；啟門前由充水閥充水平壓，待上下游水位差小于3m后靜水起門，該閘門采用QP2×1250kN-38m的固定卷揚式啟閉機操作，啟閉機的安裝高程為1319.00m。

大機組尾水檢修閘門∶孔口尺寸為3.3825m×3.076m，設計水頭16m。共4孔，設4扇平板檢修閘門。尾水管出口底板高程1214.27m，閘門采用鋼基銅塑滑道支承，上游面板，上游封水，反向設四個彈性反輪。閘門為靜水啟閉，啟門前利用機組排水管充水平壓，用一臺2×200kN-20m的單向門機借助自動抓梁操作。

小機組尾水檢修閘門∶孔口尺寸為5.203m×2.709m，設計水頭13.5m。共2孔，設2扇平板檢修閘門。尾水管出口底板高程1216.71m，閘門采用鋼基銅塑滑道支承，上游面板，上游封水，反向設四個彈性反輪。閘門為靜水啟閉，啟門前利用機組排水管充水平壓，共用一臺2×200kN-20m的單向門機借助自動抓梁操作。

2.3 防腐

為使工程建成后，延長整個工程金屬結構設施的使用壽命，減少維護工作量，該工程的所有閘門門葉、攔污柵柵葉及埋件外露表面均進行噴鋅防腐處理。

3 結束語

庫什塔依水電站金屬結構設備共設置孔口19個，設置平面鋼閘門9扇，弧形鋼閘門2扇，攔污柵4扇；啟閉設備共10臺，其中固定卷揚式啟閉機3臺，液壓式啟閉機2臺，雙向門機1臺，單向門機1臺，檢修用單梁吊3臺。

本工程金屬結構的布置與設計，吸收了同類工程的設計經驗，并充分考慮到本工程的運行要求，設備布置緊湊，保證了閘門、攔污柵及各類啟閉設備的安全運行。

TV34

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1672-5387（2014）02-0045-03

2014-03-05

張廣川（1979-），男，工程師，從事水電站水工金屬結構的設計工作。