里底水電站導流明渠下閘研究及公路架橋機的應用

黃偉，王超，雷寶民

（華能瀾滄江水電股份有限公司烏弄龍·里底水電工程建設管理局，云南 維西 674606）

1 引言

目前,國內大中型水電站導流洞（導流明渠）封堵閘門下閘時，主要采用整體閘門下閘或單節疊梁門葉下閘方法。里底水電站導流明渠施工招標階段擬定采用單節疊梁門葉下閘，由于工期優化，下閘時間提前引起下閘條件變更，下閘水頭超過單節門葉高度較多，下閘時存在門底和門頂同時過水情況，風險高，單節疊梁門葉下閘方法不可行，現場也不具備整體閘門下閘條件，需對下閘方法重新開展研究。

2 工程概述

里底水電站位于云南省迪慶藏族自治州維西縣巴迪鄉境內的瀾滄江上游干流上，是瀾滄江上游曲孜卡水電站至苗尾水電站河段規劃8個梯級中的第4級水電站，為河床式水電站，電站總裝機容量420 MW（3臺×140 MW）。

大壩左岸布置導流明渠，用作電站二期施工期間導流，導流明渠寬33.0 m，由中墩分為2孔，孔口型式為露頂式，底板高程1 775.00 m，每孔各設一扇封堵閘門，每扇閘門寬14.0 m，高16.0 m，設計擋水水頭15.5 m。每扇閘門由8節疊梁閘門門葉組成，每節門葉高度均為2 m。考慮受力及節省成本，底部4節門葉為單重24.0 t的大疊梁閘門，頂部4節門葉為單重17.6 t的小疊梁閘門。導流明渠原定于2017年12月下閘，下閘水頭2 m，擬采用汽車吊逐節下閘。導流明渠下閘后，由3孔泄洪底孔分流過水，泄洪底孔進口底板高程1 778.00 m。

3 下閘特點及難點

圖1 導流明渠平面布置示意圖

由于導流明渠下閘后需在一個枯水期內改建為溢洪道，工期極緊。為確保改建溢洪道工程順利完成，工程達到預定度汛目標，將下閘時間由2017年12月提前至11月。12月份下閘，下閘標準采用12月份10年一遇的月平均流量354 m3/s，下閘最大水頭2 m； 11月下閘，下閘流量選取11月中旬10年一遇的旬平均流量547 m3/s，下閘最大水頭6 m，下閘最大流速4.01 m/s。

下閘條件變更，帶來以下下閘難點：

（1）施工招標階段擬定采用單節疊梁門葉下閘方法，由于下閘時間提前，下閘水頭由2 m提高到6 m，超過單節門葉高度較多，下閘時存在門葉頂部和底部同時過水、下閘啟閉設備的抓梁在動水中退軸困難等風險。

（2）施工招標階段擬定采用汽車吊作為下閘設備，由于提前下閘，孔口周圍不能形成汽車吊站位平臺，下閘啟閉設備無法布置。

（3）未形成設備運輸通道，閘門和啟閉設備轉運至各門槽孔口困難。

4 下閘方法研究

4.1 下閘門葉節數選取

目前, 國內大中型水電站導流洞（導流明渠）封堵閘門下閘主要采用以下兩種方法：一是整體閘門下閘[1-2]，在工地現場將閘門組裝成整體后，利用固定卷揚機等啟閉機設備下閘；二是單節疊梁門葉下閘[3-4]，利用固定卷揚機或汽車吊等啟閉設備單節疊梁門葉下閘。整體閘門下閘有以下特點：①下閘時間短，風險小；②整體閘門重量大，下閘啟閉力需求大，啟閉設備選型要求大；③如采用固定卷揚機作為下閘設備，需在門槽孔口上方布置啟閉機排架；④下閘后，固定卷揚機作為臨時設備需拆除，由于各水電站的差異性較大，拆除后的固定卷揚機重復利用比較困難，一般作報廢處理，造成資源浪費。單節疊梁門葉下閘有以下特點：①閘門門葉重量輕，下閘啟閉力需求小，啟閉設備選擇靈活；②如下閘水頭超過單節門葉較多，下閘時存在門葉頂部和底部同時過水風險，下閘風險較高；③下閘時間長，風險增大。采用何種形式下閘，根據工程情況而異。

4.2 下閘方法比選

根據工程實際情況，對單節疊梁門葉下閘、整體閘門下閘和兩者相結合的組合下閘方案的水力學、閉門力和啟門力進行了計算分析。

（1）水力學參數對比分析

對3種下閘方法各種工況下的水力學參數進行對比和分析（見表1）。單節門葉下閘和底部2節門葉組成整體下閘，門頂和門底存在同時過流情況；底部3節門葉組成整體下閘，在第二孔下閘時仍存在門頂和門底同時過流情況，最高水位1 783.45 m；底部4節門葉組成整體下閘可基本解決門頂和門底同時過流問題，最高水位1 783.83 m；底部5節及以上門葉組成整體下閘可完全解決門頂和門底同時過流問題。

（2）下閘閉門力計算

下閘閉門力可采用平面滑動閘門閉門力計算公式[5]，

計算門葉下閘閉門力Fw（kN）（見表1），式中，nT為摩阻力安全系數，Tzd為支承摩阻力（kN）；Tzs為止水摩阻力（kN）；nG為計算閉門力的門重修正系數；G為閘門自重（kN）；Pt為上托力（kN）。如果計算得出下閘閉門力為正值，依靠自重不能下閘，需加配重，閉門力為負值，不需配重，閘門依靠自重能下閘。

下閘閉門過程中，如果存在門頂、底同時過流，門葉將處于紊亂的脈動水流中，所承受的載荷復雜，難于計算，故一般均避免門頂、底同時過流情況下下閘。

（3）下閘啟門力計算

導流明渠下閘后，一般情況下不會重新提起閘門，但是如果在下閘時，閘門出現卡阻等異常情況，需將閘門重新提開，待卡阻原因消除后再重新下閘，因此，封堵閘門啟門力最低條件要滿足下閘水頭下啟門條件[6]，一般還需考慮下閘1～2 h內涌高水頭下啟門。

啟門力可采用以下公式[5]，

計算啟門力FQ（kN）（見表1），式中，n"G為計算啟門力的門重修正系數；G為閘門自重（kN）；Px為下吸力（kN）。

同樣，啟門過程中，如果存在門頂、底同時過流，門葉所承受的載荷復雜。

（4）下閘方法比選

通過表1對比分析可知，在工況1、2、3時，存在門頂、底同時過流情況，下閘風險大，方法不可行；在工況5、6、7、8時，門頂和門底無同時過流風險，方法可行，但啟門力需求較大，啟閉設備選型要求大；在工況4時，4節閘門高8 m，6 m水頭下閘，可解決門頂和門底同時過流問題，如需啟門，存在水位澭高后門頂過水高度0.83 m情況，但該方法對啟門力需求小，啟閉設備選型要求小，較經濟合理。經反復比選，擬定采用工況4方法，即“底部4節門葉整體下閘+頂部4節門葉單節下閘”組合下閘方法。

表1 下閘方法對比分析表

4.3 下閘啟閉設備選擇

孔口上方未設計布置啟閉機排架，不能采用傳統的固定卷揚式啟閉設備作為下閘設備，如采用汽車吊作為下閘設備，唯一的站位平臺在左岸14號壩段1 802.50 m高程，右孔下閘時汽車吊作業半徑達36 m，汽車吊選型噸位需求極大，不具備可行性。

參考其他水電站利用公路架橋機安裝表孔弧門經驗[7-8]，經多次研究論證，擬采用公路架橋機作為下閘啟閉設備，公路架橋機具有起吊覆蓋范圍大、主梁跨度大、起重荷載大、揚程高、裝配靈活、安裝時間短等特點。利用架橋機的鋼結構支腿及主梁，可解決孔口無啟閉機安裝平臺難題；利用起吊覆蓋范圍大、主梁跨度大可過孔的特點，可解決導流明渠未布置設備運輸通閘門和啟閉設備無法轉運難題。

5 架橋機選擇及布置

5.1 架橋機參數選擇

為確保架橋機滿足下閘要求，對架橋機主要參數進行了研究：

（1）根據下閘時啟門力不小于2 317 kN的要求，從經濟性、安全穩定性考慮，選擇架橋機的容量為2×1 200 kN；

（2）考慮到導流明渠寬33.0 m，導梁段長度不小于20 m，要求架橋機長度不小于53 m；

（3）導流明渠頂部高程為1 802.50 m，導流明渠底坎高程為1 775.00 m，閘門高度為2 m，考慮到天車吊鉤、吊索具等因素的影響，以導流明渠頂部高程1 802.50 m為基準，選取大鉤起升高度應大于6 m以上，大鉤下落最底部距離應大于27.5 m以上，架橋機最大起升高度應大于36 m；

（4）由于門葉厚度為2 m，為防止起吊過程中，鋼絲繩與架橋機結構干涉，要求架橋機主梁間寬度大于3 m。

研究比選后，選用JQ240 t-50 m型架橋機，其性能參數如下：

最大啟閉力：2×1 200 kN

整機總長：60 m

最大起升高度：50 m（其中軌上部分6.6 m）

主梁間寬度：6.5 m

天車起升速度：0.64 m/min

天車橫移速度：1.85 m/min

最重部件：中支腿，重16 t

5.2 架橋機布置

根據現場地形，架橋機布置在導流明渠門槽孔口1 802.50 m高程，軌道中心線與封堵閘門門槽中心線重合。架橋機主梁長60 m，導梁段長20 m，布置在14號壩段作業平臺，用于架橋機受料，其余40 m跨兩孔導流明渠（總寬33 m），布置見圖2。

考慮到架橋機在下閘中僅需用于閘門轉運、節間組裝及下閘，架橋機可覆蓋整個門槽孔口，不需具備上下游行走功能，取消了大車行走機構及支腿橫移軌道；架橋機一次布置到位，不需過孔，取消了主梁縱向移動裝置、液壓系統。最終，下閘使用的架橋機由主梁、前支腿、中托、反托、后支腿、天車總成和電氣系統組成。同時，為了提高架橋機的安全穩定性，安裝時將前支腿直接固定在右邊墩上，中托固定在中墩上，反托固定在左邊墩上，后支腿固定在14號壩段作業平臺上。

圖2 架橋機布置示意圖

6 下閘方法實施

2017年11月22日，水下探摸表明門槽及底坎完好，無掏空、無沖坑，底坎沒有淤積，在完成了閘門門葉組裝，并檢驗及確認架橋機、閘門和門槽各部位運行工況良好后，正式下閘。此時，導流明渠流量為518 m3/s，未超過月平均流量。下閘時，首先將左孔4節大疊梁整體下閘，再右孔4節大疊梁整體下閘，兩孔4節大疊梁下閘后，門頂過水深度約0.2 m，然后按順序將剩余門葉采用兩孔單節門葉交替下閘的方式下閘，下閘過程非常順利。架橋機荷載儀啟閉力讀數顯示左側吊點最大值為920 kN，右側吊點最大值為840 kN，同時出現在右孔4節大疊梁入水深度接近四節門葉高度的一半時（4 m）。

下閘時架橋機操作靈活，設備運行安全可靠，左右兩側吊點同步性較好，下閘過程荷載平穩無突變，下閘時間較短，底部4節大疊梁單孔下閘僅用時21 min，下閘取得了全面成功。

導流明渠下閘后，在枯水期改建為溢洪道，利用架橋機將閘門提出孔口，回收用作溢洪道表孔檢修閘門，架橋機拆除回收。

7 結語

通過對下閘啟閉力、水力條件研究，創造性提出了“底部4節門葉整體下閘+頂部4節門葉單節下閘”的組合下閘方法，在國內水電行業首次使用公路架橋機作為下閘啟閉設備，成功實現了里底水電站導流明渠封堵閘門下閘任務，該方法值得其他類似工程借鑒，有以下優點：

（1）與單節疊梁門葉下閘方法相比，底部采用多節門葉整體下閘，閘門高度增加，避免了單節門葉門頂和門底同時過流風險，提高了下閘的安全可靠性，縮短了下閘時間。

（2）與整體閘門下閘方法相比，最大吊裝單元重量減輕，啟閉機容量相應減少，節省啟閉設備投資。

（3）與采用傳統固定卷揚式啟閉機相比，節省了啟閉機及配套的排架工程量，架橋機為公路施工通用設備，拆除回收后可重復利用于其他工程；架橋機設備模塊化，安裝調試時間短，縮短了施工工期。

（4）公路架橋機起吊覆蓋范圍大，主梁跨度大可過孔，可完成閘門從架橋機受料平臺跨孔轉運至各門槽孔口任務，孔口不需另外布置設備運輸通道，也不需引進大噸位起吊設備，節省投資。