角木塘水電站工程溢洪道平門改弧門變更方案設計簡述

陶光慧，楊 松，覃志強

（貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司,貴州 貴陽 550002）

1 工程概況及金屬設備概況

角木塘水電站是芙蓉江第10 級梯級電站,位于貴州省道真縣,電站距遵義市及重慶市均為200 km左右,電站總庫容3259 萬m3,工程等別由水庫庫容及裝機容量決定,工程規模中型,工程等別Ⅲ等。

大壩樞紐主要由碾壓混凝土重力壩（壩身溢流表孔）、引水發電建筑物、發電廠房和升壓站等組成,主要溢泄建設物為壩身溢流表孔,總溢流寬度62.5 m,共分成5 孔,單孔最大下泄流量為2640 m3/s。需根據來水量調節閘門開啟的數量及開度,確定泄洪安全及電站發電效益最大化。樞紐區相應的水工建筑物設置各種功能需要的金屬結構設備,泄水系統[1]：溢洪道工作閘門、檢修閘門；導流洞封堵閘門。引水發電系統：取水口進口攔污柵、檢修閘門及快速閘門；廠房尾水閘門。總計活動件重2100 t,埋設件重800 t。

2 具體的方案變更內容

2.1 原設計表孔閘門的布置方案

溢洪道位于壩頂,采用開敞式溢洪道形式,分別設置檢修及工作閘門各1 套,主要用于庫水位的調節,閘門的檢修,檢修及工作閘門均采用平面鋼閘門[2]。檢修閘門孔口尺寸12.5 m×19 m（寬×高）,設計水頭18.5 m,采用平面滑動露頂式疊梁鋼閘門,分節制安及啟閉運行。在溢洪道左側非溢流壩段設置有1 個儲門槽,平時疊梁閘門存放于門庫內,需要時分節吊裝至檢修門槽內擋水。檢修閘門啟閉機設備選用單向移動門式啟閉機DM-2×400-27,容量2×400 kN,揚程27 m（軌上揚程為4.6 m）,吊點距8 m,數量1 臺,配套液壓自動抓梁1 套,5 孔檢修門槽共用1 扇檢修門[3]。工作閘門孔口尺寸12.5 m×19.5 m（寬×高）,設計水頭19 m,采用平面滾動鋼閘門型式,啟閉機設備選用固定卷揚式啟閉機QP2×2500 kN-25 m,啟門容量2×2500 kN,揚程25 m,吊點距8 m,采用一門一機布置方案[4]。

此平門布置方案,汛期時可將閘門提出孔口,不影響泄洪,但本工程閘門孔口尺寸規模過大,設計水頭較高,閘門整體承受荷載較大,在設備及零部件選型及選材上均有較大難度,平面鋼閘門配置固定卷揚式啟閉機進行操作控制,啟閉機的排架較高[5],高聳的排架及閘門鎖定于檢修平臺上時均將承受較大的風荷載,偶然荷載的疊加對設計來說是一種挑戰。同時排架過高,施工難度大,工期長,這對一個希望盡早投產的水電站項目而言,經濟效益將大受影響。雖然閘門全工時可將門體提升至壩頂平臺以上,安裝檢修及更換方便,閘門提升至檢修平臺后,整個泄洪通道可以無障礙行洪的優點。但平門泄洪時門槽部位的水流條件較差,門槽空化現象比較嚴重。而本工程由于水庫庫容小,且壩址以上集雨面積大,導致工作閘門在汛期經常處于全開或局部開啟泄水狀態,工作頻繁,水流條件、運行工況復雜,整體運行條件不佳,平門方案存在較大挑戰。

2.2 變更后的表孔閘門布置方案

此方案采用經典閘門布置方案,采用平門加弧門相組合。檢修閘門孔口尺寸12.5 m×19.75 m（寬×高）,設計水頭19.25 m,整扇疊梁門體共分為5 疊,由液壓抓梁自動穿銷按檢修的需要來疊放或是提開,在非工作時段逐節鎖定于各孔口頂部。閘門的啟閉機設備選用1臺單向門機（帶回轉吊）,主起升主要用于檢修閘門的吊裝,啟門容量2×400 kN,揚程27 m（其中軌上4.6 m）,吊點距8.74 m,軌距5.5 m（該軌距為平衡回轉吊下壓力所需最小軌距）,配套液壓自動抓梁1 套,回轉吊主要回轉半徑內各設備的輔助檢修用,額定容量250 kN,起升高度27 m,回轉半徑10 m,回轉角度180°。工作閘門布置在堰頂下游側,底檻底于堰頂高程為363.90 m,孔口尺寸12.5 m×19.6 m（寬×高）,設計水頭19.1 m。弧面半徑為R22.0 m,支鉸高度14.5 m,雙主橫梁斜支臂結構型式。工作閘門啟閉機設備選用露頂式弧門液壓啟閉機QHLY-2×2800 kN-10.2 m,啟門容量2×2800 kN,行程10.2 m,雙吊點,吊點距11.4 m,數量5 臺,一門一機布置形式。液壓泵站設置2 個[6],分別一控2 及一控3。為保證啟閉機油缸長期處于全伸狀態下不出現撓度變形,故在油缸運行至下極限位置9.8 m處設置1 套托架。考慮到弧形工作閘門處于全開位時,閘墩處設置鎖定裝置較困難,直接利于液壓式啟閉機的預鎖功能,故未加裝全開位液壓或是機械鎖定裝置。

根據可研內審專家意見,針對表孔閘門布置形式,根據本工程的特點,為響應專家意見,特別對表孔工作閘門的型式進行深入的分析比較,具體如下：

（1）根據《水利水電工程鋼閘門設計規范》（SL 74-2013）中第“3.2.3 泄水系統工作閘門宜選用弧形閘門,水頭較低時也可選用平面閘門”的明確規定,本閘門為泄水系統的工作閘門,孔口尺寸上屬于大型閘門,且接近為超大型閘門,故本平面閘門有必要改為弧形閘門。[1]

（2）采用弧形工作閘門配置液壓式啟閉機的布置方案,雖然校核洪水位時洪水水面線位置較高,但在設計洪水位時水面線低于支鉸近3 m,在大概率的條件下,支鉸運行是安全可靠的,作為設計條件運行可以支撐弧門方案的。且校核洪水位時水面線較緩,初步判斷低水流流速對支鉸及支臂褲衩結構影響不大,針對洪水淹沒支鉸的問題,特地進行考察及學習；湘江浯溪水電站均出現洪水淹支鉸情況,且表孔閘門與本工程表孔尺寸均屬于大型表孔弧門,在與上述電站運行單位交流發現,在汛期,會出現在上下游水位差較小時水淹支鉸（支臂）的情況,根據多年運行情況,該種工況后對閘門結構的影響不大,沒有出現影響閘門的正常運行。

3 變更方案工程量對比及結論

原平門方案壩體較薄,布置緊湊,變更成弧門方案后,水流條件優化不少,但閘墩伸長不小,整體布置會有較大調整。而相應的金屬結構的工程量有一定變化,具體見表1。

表1 平門方案及弧門方案工程量對比表

表孔金屬結構設計變更主要為取消檢修門門庫,啟閉機改成單向門機；工作閘門由平板閘門改成弧形閘門,相應啟閉設備由卷揚式啟閉機改成液壓啟閉。方案變更后為增加近600 萬的投資,項目可早投產,整體經濟比較基本持平,但變更后的方案壩頂無高排架變得整潔美觀,閘門運行管理更為方便,且克服了高啟閉排架的施工難度,在一定程度上使施工進度和工期更有保障。另外,采用弧形閘門使閘墩增長,但閘墩厚度減薄,溢流凈寬減小2.0 m,可將右岸廠房往河床方向平移2 m,在一定程度上降低了廠區右岸邊坡高度。

角木塘電站下游尾水較深,變化幅度大,消力池內波動水流容易對弧形閘門造成強烈擾動,引起閘門振動,為確保弧門方案的可靠性,對弧門方案進行有限元分析及水力學及流激試驗研究,從有限元分析結果來看弧門的縱梁、橫梁應力變化較小,應力分布對稱；上下支臂受力均勻,應力分布規律及大小相似,弧門的結構布置是合理的；弧門整體強度均滿足應力要求,并有較大的安全儲備。在容易出現局部集中應力的部位,比如：在吊軸與小縱梁的鏈接處、前斜支桿與上支臂下腹板連接處、下支臂上腹板與前斜支桿連接處存在較大應力,但均小于材料的允許應力；分析弧門的主要構件（面板、主梁、縱梁、支臂、支鉸）在設計工況下的位移結果,研究閘門剛度。結果表明,角木塘弧形閘門的變形能滿足規范和設計要求,其整體穩定性可以得到保證。基于水力模型試驗獲得的水流脈動壓力數據,將其作用在閘門結構有限元模型上,運用ANSYS軟件進行瞬態時程分析,研究閘門的流激振動特性。閘門振動響應與閘門開度存在一定關系,其規律性與脈動荷載隨閘門開度關系密切。由脈動響應可知,閘門在開度0.4 H工況下的動位移最大均方根值為63.3 μm ,動位移幅值為189.9 μm,如果按照美國阿肯色河判別標準判斷,閘門為微小危害。從時均應力和脈動應力計算結果可知,閘門下支臂靠近內側產生較大應力,但是動應力較小,時均應力占主要部分,脈動應力占總應力的6%以內,符合脈動部分荷載占總荷載2%～7%的規律。在上游洪水位分別為381 m、383 m,在弧形閘門開度依次為0.1 H～0.5 H工況下,閘室進水口均存在不良間歇漩渦,且漩渦主要在左右兩側門槽附近游弋,漩渦尺寸隨閘門開度增大而增大,隨上游水位上漲而增大,在上游水位為383 m、弧形閘門開度為0.5 H時閘室進水口兩側均形成貫通立軸漩渦,漩渦最大尺寸為1.5 m。堰面下泄水流在0+18 m～0+30 m區域形成強烈孔口出流,并形成大幅度紊動,濺起大量水股,在0.2 H、0.3 H開度工況中有少許水股擊打在弧形閘門斜支臂；堰面表層下泄水流受淹沒紊動擠壓向堰面底層發展,堰面底層最大流速達到20 m/s,底層堰面水流俯沖碰撞折線型消力池,在消力池入口引起強烈紊動,并溢出大量摻混氣泡。消力池下泄水流受中墩和尾坎阻礙,迫使底層水流上涌,在弧形閘門小開度工況下,消能效果良好；在弧形閘門大開度工況下消力池大范圍涌動、回流,出池水流伴隨間歇性二次水躍,消能效果較差。弧形閘門各測點脈動壓強均值、峰值均隨弧形閘門開度增大而減小,均隨自身高程增大而減小,隨上游庫區水位上漲而增加,其中脈動壓強最大均值為134.63 kPa,最大峰值為168.82 kPa；但弧形閘門下底緣受下泄高速水流影響,部分壓能轉化為動能,脈動壓強均值和峰值均較小,其脈動壓強最大均值為40.74 kPa,最大峰值為78.38 kPa。弧形閘門整體脈動壓強主頻區在0～10 Hz,其中壓強能量較集中區域主要在0～5 Hz區域。從研究結果來看,方案是合適的。

4 結語

電站已運行兩年,經歷了洪水期的檢驗,運行正常,電站效益穩定發揮,再一次印證了變更后的方案的合理性。由于本工程庫容小,集雨面積大,徑流量大等特點,表孔工作閘門在今后的運行中會經常出現全開和局部開啟泄水狀態,采用弧形工作閘門在小開度區間及大開度區間均有可能出現較大振動問題,故在編制電站運行調度報告中應著重研究該問題,在運行初期,運行單位應在每次泄水后對每扇表孔閘門進行檢查,觀測并記錄運行數據,在有條件的情況下,建議運行單位進行原型觀測試驗,掌握表孔閘門不同開度的運行數據。