蘇布雷微型電站金屬結構設計

賈 愛 軍，呂 念 東，李 焰

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 電站概況

蘇布雷水電站位于科特迪瓦西南部，薩桑德拉河中下游河段納瓦(Nawa)瀑布附近，是該河上的第二個梯級。蘇布雷水電站的主要任務是發電，電站總裝機275.1 MW，是科特迪瓦目前最大的水電站。

蘇布雷水電站設有一個主電站和一個微型電站。主電站裝設3臺額定功率為90 MW混流式水輪發電機組；微型電站裝設1臺額定功率為5.31 MW的燈泡貫流式機組。

微型電站雖然規模不大，但金屬結構的設計很有特點。為適應燈泡貫流式機組，攔污柵采用了非常規的設計方式；為增強充水閥的封水效果，對進水口檢修閘門和尾水閘門的充水閥做了創新設計，并申請了專利。

微型電站布置于大壩溢洪道右側，電站左側為厚閘墩，將溢洪道與電站隔開；右側為混凝土擋墻，將心墻堆石壩與電站隔開。電站順水流方向依次為進水渠、擋水段、主機間、尾水閘墩和尾水渠。

微型電站的正常蓄水位為152.00 m，設計洪水位為153.40 m，最低水位為151.26 m。電站的金屬結構包括進水口攔污柵、進水口檢修閘門和尾水事故閘門及其啟閉設備。

2 攔污柵的設計特點

對于燈泡貫流式機組，因其水頭低、流量大、流道短，水頭損失對發電效益的影響很大，所以對攔污柵結構及清污問題需要仔細研究[1]。

2.1 攔污柵結構布置

為加大引用流量，優化進口的水流條件，機組進水口采用喇叭口型式，形狀按圓弧曲線擴展。貫流式機組攔污柵一般采用傾斜布置，本工程按與水平線夾角80°布置。

攔污柵寬度為5.566 m，孔口斜長為9 m。攔污柵柵葉需分3大節制造、運輸，如果按常規活動式攔污柵設計，每節設置2根主梁，共需6根主梁。而將主梁設計為固定式，只需2根主梁即可安裝3節柵片，減少主梁有利于降低水頭損失，故本電站采用固定式主梁設計。每大節柵葉再沿寬度方向分為5片，單片寬度1.04 m，高度約3 m。柵片和主梁之間通過螺栓組連接。柵條截面設計為矩形，規格為20 mm×200 mm，柵條凈距為80 mm，用開有槽口的條形肋片及角鋼和柵條焊接成柵片。單個柵片大小尺寸適中，采用焊接結構利于柵片的整體穩定。

3.2 水頭損失

當水流通過攔污柵時，因受柵條及主梁的阻攔，水流斷面收縮將產生水頭損失；當水流通過攔污柵后由于斷面擴大，流速又減緩，因而又產生水頭損失[2]。水流通過了攔污柵時的水頭損失按下式計算：

式中：g為重力加速度；V1為柵前流速，V2為柵后流速，流速的計算方法為流量除以過水面積。ξ為柵條的損失系數，計算公式如下：

式中：βk為柵條形狀系數；α為柵葉與水平面的夾角；δ為柵條厚度；l為柵條凈距。

從公式可以看出，在流量恒定的情況下，影響水頭損失的主要因素就是攔污柵的擋水面積。攔污柵設計采用固定式主梁，減少了常規設計需要的主梁數，有效減小了攔污柵的凈面積，增加過流面積，進而減少了柵后水頭損失。

經計算，在額定流量50 m3/s下，水頭損失為0.064 m，低于業主合同要求的0.1 m。

3.3 主梁設計

貫流式機組多為喇叭型進水口，水流通過攔污柵時流線方向不一，將攔污柵的主梁設計為流線型斷面，各主梁順水流按正常蓄水位時相應的流線定向，有利于減少水頭損失。前蘇聯水工科學研究院對攔污柵進行的流體動力學試驗結果表明，橫梁結構對斜向水流的阻力系數影響很大。流線型程度高的斷面，水阻力系數比較小[3]。蘇布雷微型電站機組發電引用流量為生態放水量，要求水輪機在任何工況下運行，過流量均保持在50 m3/s，因此，通過進水口的水流變幅不大，水流流線穩定，采用流線型主梁效果會很好。

為提高流線型梁的剛性，微型電站攔污柵主梁設計為鋼板包裹混凝土的型式。采用16 mm和25 mm厚的鋼板焊接為流線型梁，兩端固定在預埋在一期混凝土的錨板上，鋼梁上方留灌漿孔，現場安裝后再灌裝混凝土。

主梁設計為流線型，對提高貫流式機組的發電效益很有好處。如有條件開展水工模型試驗，能對攔污柵進行試驗研究和優化設計，效果會更好。本電站因受投資和工期限制，未做試驗研究，流線型主梁的型式及流向布置均為經驗設計。

3.4 攔污柵抗振設計

燈泡貫流式機組的進水流道短且平直，進水口動能差相對較大，進水喇叭口的水流流態差[4]。攔污柵距離機組較近，受到的水流吸力很大。同時，水輪機導水葉片開度的變化也會對攔污柵造成沖擊。貫流式機組前攔污柵損壞的事例很多，如王莆洲水電站發生柵條斷落[5]、馬跡塘水電站發生柵間連接板斷裂、焊縫開裂等。這些破壞大都是因為攔污柵出現強烈振動造成的。所以，防止柵葉因共振而引起疲勞破壞是本電站攔污柵設計的一個重點。

攔污柵結構流激振動是流、固耦合的相互作用，取決于結構的自振頻率與所承受的水力激振力。當過柵流速增大到某一范圍時，柵條尾部將出現交替的渦流脫落。當渦流脫落產生的干擾頻率f與結構自振頻率fn一致時，攔污柵將會因結構激振加劇而發生共振。避免攔污柵激振的關鍵是讓柵條固有自振頻率fn遠離渦流脫落干擾頻率f。為避免柵葉振動，閘門設計規范規定fn/f>2.5[6-7]。

柵葉設計時，經計算復核，單根柵條的固有振動頻率為fn=112.2 Hz。在正常發電工況下，渦流脫落干擾頻率f=10 Hz；在機組飛逸工況下，f=30.9 Hz。兩種工況下，fn/f均大于2.5，柵葉不會發生強烈的流激共振。

3.5 清污機設計

微型電站機組運行額定水頭11.9 m，最高水頭13 m，最低水頭僅有4.36 m，水頭十分寶貴。設置清污機不定時清理攔污柵前的污物，有利于降低柵后的水頭損失，對于維持機組出力，提升發電效益意義顯著。

結合微型電站進水口檢修閘門和大壩溢洪道檢修閘門的需要，在進水口頂部設置1臺2×200 kN/2×125 kN雙向門機。在門機的主起升機構上設置1臺35 kN清污抓斗，抓斗可沿壩頂至孔口上方的導軌下行抓取柵葉前的污物，抓取的污物卸放到攔污柵孔口左側的卸污平臺，然后再通過汽車將污物運走。攔污柵前后設有液位傳感器，傳感器將水位信號送至中控室，中控室可根據水位信號發出壓差報警和清污提示信號。

4 檢修閘門及尾水閘門的布置方案

為便于燈泡貫流式機組的檢修和事故保護，常用的布置方案為在進水口攔污柵之后、機組前設置檢修閘門，在尾水管出口設置事故閘門。蘇布雷微型電站也采用這種布置方式。

進水口檢修閘門的孔口尺寸為為5.566 m×6.013 m，設計水頭為21.91 m，門型為潛孔平面滑動疊梁閘門，操作方式為靜水啟閉。閘門設計為3節，頂節設置充水閥，啟門時先提升充水閥充水，待平壓后再分節提起閘門。檢修閘門由雙向門機的副起升機構通過機械抓梁操作。

尾水事故閘門有兩種運行工況：一是機組停機檢修時靜水閉門擋下游水；二是機組發生事故、導葉不能正常關閉時，動水閉門。因此，事故閘門設計為雙向止水型式。閘門采用設在上游面的雙P型頭水封，用外側P型頭擋下游水，用內側P型頭擋上游水。

閘門的孔口尺寸為5.566 m×4.673 m，底檻高程為132.164 m，上游正常蓄水位為152.00 m，下游最低尾水位為139.00 m，最高尾水位為146.50 m。設計最大擋水水頭為14.336 m，最大動水下門水壓差為13 m，門型為潛孔平面閘門，上游設滑道支撐，下游為定輪支撐。門葉設計為2節，上節設充水閥，在現場用螺栓連接為一體。門葉梁格內另設加重塊以便靠自重動水閉門。

閘門由2×320 kN固定卷揚式啟閉機進行操作，可在中控室或現地啟閉機房內操作啟閉閘門。機組正常運行時，閘門懸掛在閘頂孔口上方附近，處于待命狀態，在緊急情況下閘門可在5 min之內關閉。

5 充水閥創新設計的成效

在檢修閘門及尾水閘門的設計過程中，針對現有國內常規充水閥的缺點，設計了一種新型的彈簧平蓋式充水閥裝置。

充水閥一般分為平蓋式、閘閥式和柱塞式三類，在低水頭閘門中常用平蓋式充水閥。常規的平蓋式充水閥在關閉時依靠壓蓋自重和作用在壓蓋上的水壓來封閉充水管口。在充水閥關閉時，如果壓蓋自重和蓋上水壓不足，就會造成壓蓋關閉不嚴，充水閥漏水的現象；另外常規設計需采用單獨的導向軸，充水閥占用空間較大。

針對上述存在的問題，設計了一種結構簡單且重量較輕的彈簧式充水閥裝置，解決了壓蓋不能可靠封水的問題。新型彈簧平蓋式充水閥裝置見圖1。

圖1 新型彈簧平蓋式充水閥裝置圖

該裝置的工作原理是：當充水閥處于開啟狀態時，彈簧受吊板拉力處于壓縮狀態；充水完畢關閉充水閥時，借助彈簧的回推力壓緊壓蓋，使壓蓋能夠可靠封水。同時安裝在壓蓋上的導向桿既可做為彈簧的支撐體，也可作為壓蓋的導向裝置，并能根據吊耳位置調整長短。另外在導向桿與吊板的連接處采用了球形墊圈，可適應吊板的小范圍偏轉，避免因吊板傾斜產生的扭力造成壓蓋翹起而影響封水效果。

新型的設計克服了常規平蓋式充水閥結構的缺陷，結構簡單，封水可靠，閥體體型較小。新型彈簧平蓋式充水閥裝置已申請專利。

6 結 語

為提高燈泡貫流式機組的發電效益，蘇布雷微型電站攔污柵采用了大孔口傾斜布置，并設置了清污機設備。為降低過柵流速，減小水頭損失，防止柵葉發生共振破壞，對主梁及柵葉結構做了專門研究和設計。在閘門設計過程中，對彈簧平蓋式充水閥作了創新設計，保證了充水閥封水嚴密。

蘇布雷工程電站于2017年12月初投入商業運行，經過2年多的運行，金屬結構設備經歷了各

種工況的考驗，運行情況良好。該工程的金屬結構設計成果可供國內外相似工程借鑒。