烏干達伊辛巴水電站閘門及啟閉設備設計

刁 楠

(上海勘測設計研究院有限公司，上海 200335)

1 概述

伊辛巴水電站位于烏干達共和國南部的維多利亞尼羅河上，電站總裝機容量為183.2 MW，總庫容為1.7億m3。伊辛巴水電站為徑流式水電站，其樞紐主要建筑物由如下部分構成：左右岸粘土心墻堆石壩、溢洪道及河床式發(fā)電廠房，三者在位置上處于同一壩軸線，共同承擔擋水的任務，樞紐布置如圖1所示 。工程于2015年開工，2019年4臺機組全部投產發(fā)電。本工程金屬結構設備由引水發(fā)電系統(tǒng)和泄洪系統(tǒng)兩部分組成。整個工程的金屬結構設備包含各類閘門及攔污柵共9種34扇，門槽埋件45孔，啟閉機15套。

本工程金屬結構設計主要依據美國陸軍工程兵團(USACE)編制的《Design Of Hydraulic Steel Structures》[1]、美國鋼結構協(xié)會編制的《Specification For Structural Steel Buildings》[2]以及《Design of Hydraulic Gate》[3]。

圖1 伊辛巴水電站樞紐建筑物布置示意

2 引水發(fā)電系統(tǒng)閘門及啟閉設備設計

引水發(fā)電系統(tǒng)金屬結構設備由進水口檢修閘門及雙向門機、攔污柵及清污設備、事故閘門及液壓啟閉機、廠房尾水檢修閘門及單向門機等組成。電站裝機4臺，設有4條引水道，每條引水道進口處利用隔墩分成2孔，4條引水道共8孔。在引水道進口處依次設有1道檢修閘門(8孔共2扇)[4]，1道攔污柵(8孔共8扇)，1道事故閘門(8孔共8扇)。在廠房尾水管出口處設有1道尾水檢修閘門，4臺機組共設有8孔4扇尾水檢修閘門，可用于兩臺機組檢修時擋水[4]；另配置4扇尾水臨時擋水閘門，用于施工期機組安裝。引水系統(tǒng)閘門及啟閉機縱剖面布置與平面布置詳見圖2。

圖2 引水系統(tǒng)閘門及啟閉設備縱剖面及平面布置示意

2.1 進水口檢修閘門及啟閉設備

進水口前沿布置1道平面檢修閘門，在機組、引水道以及事故閘門檢修的情況下關閉檢修閘門擋上游來水。檢修閘門孔口尺寸(寬×高)為8.35 m×25.60 m，底檻高程為1 029.90 m，按最高洪水位1 055.00 m設計，設計水頭為25.10 m。

檢修閘門為平面定輪疊梁鋼閘門，共4節(jié)，可互換。每節(jié)門葉分2個制造運輸單元，節(jié)間通過銷軸相連。檢修閘門采用下游面板、下游止水的布置形式。門葉主體為焊接結構，門體的梁系為實腹式同層布置。側水封選用P型，底水封選用I型，水封采用表面為聚四氟乙烯涂層的橡塑復合材料，以降低摩擦因數[5-6]。主支承采用φ800 mm簡支輪，反向限位裝置采用滑塊，門背側設置槽外φ300 mm懸臂式側輪。檢修閘門采用Ⅰ型門槽，埋件主要由主軌、反軌、底檻3部分構成，其中主軌采用鑄鋼軌頭與焊接副軌組合的復合截面，反軌采用焊接組合截面。

檢修閘門的操作條件為靜水啟閉。啟門時，提頂節(jié)疊梁小開度充水，充水平壓至前、后水位接近齊平時再完全開啟閘門。檢修閘門日常放置在壩頂平臺的門庫中。

進水口壩段設置1臺雙向門機，啟閉容量為2×1 600 kN，軌距為15.0 m，軌上揚程為15.0 m，總揚程為38.0 m。雙向門機用于檢修閘門的啟閉，以及攔污柵、事故閘門、液壓啟閉機的檢修啟吊。

2.2 進水口攔污柵及清污設備

在檢修閘門下游側設有1道斜立固定式攔污柵，用于攔截流道污物，防止污物進入機組對其造成破壞。攔污柵的孔口尺寸(寬×垂直高)為8.35 m×16.0 m，底檻高程為1 029.9 m，柵葉的設計水頭為5.0 m，框架的設計水頭為10.0 m。

攔污柵傾角為75°，共分5節(jié)，單節(jié)由柵條、柵條間的間隔環(huán)及支撐框架組成。支承框架為焊接結構，由多主梁、兩邊梁組成。柵條與支撐框架焊接，柵條的凈距為136 mm。柵條為扁鋼的形式，其上游面磨圓以減小水頭損失。攔污柵支撐框架與混凝土結構上的預埋支承梁通過螺栓連接固定。

攔污柵利用清污機來進行污物的打撈和輸送工作。清污機為移動式，由耙斗及其軌道、翻板機構、門架、集污斗、起升機構、行走機構等組成。清污機安裝平臺的高程為1 057.50 m，清污機軌距4.20 m；耙斗寬約3.0 m，單次打撈容量為20 kN，相應起升機構容量約2×30 kN，揚程32 m；集污斗容量約3 m3。

2.3 進水口事故閘門及啟閉設備

事故閘門布置在攔污柵下游側，用于事故時快速關閉流道、切斷水流。其孔口尺寸(寬×高)為8.35 m×12.45 m，底檻高程為1 023.42 m。閘門按校核洪水位1 055.00 m進行設計，設計水頭為31.58 m。

事故閘門為潛孔式平面定輪閘門，單吊點，按運輸單元分4節(jié)制造，至現場后通過銷軸連成整扇。事故閘門面板和止水均布置在上游側，閘門關閉時門后無水，可以避免定輪長時間處于水中[7]。門葉主體為焊接結構，門體的梁系為實腹式同層布置。頂、側水封選用P型，底水封選用I型。主支承采用φ800 mm簡支輪，采用偏心距為5 mm的偏心軸，以便安裝時調整定輪踏面在同一平面上，從而保證多輪受力均勻[8]；反向限位裝置采用滑塊，門背側設置槽外φ300 mm懸臂式側輪。事故閘門頂節(jié)設φ250 mm閘閥式充水閥[9]。根據合同要求，事故閘門需在動水中依靠自重閉門，不得利用水柱壓力，因此門體內配鑄鐵壓重塊。事故閘門采用Ⅰ型門槽，埋件主要由主軌、反軌、門楣和底檻4部分構成，其中主軌采用鑄鋼軌頭與焊接副軌組合的復合截面，反軌采用焊接組合截面。

事故閘門的操作條件為動水閉門、靜水啟門。事故閘門日常懸掛在孔口上方約1.0 m的位置，在接到關閉指令后，靠閘門自重在3 min內關閉孔口；事故解除后，啟門前利用門頂的充水閥充水平壓至前后水位差不大于3.0 m時提門。

事故閘門采用快速閘門用液壓啟閉機進行操作，液壓啟閉機啟閉容量為2 500 kN，揚程為14.0 m，布置在1 057.50 m高程。8臺液壓啟閉機共用1個液壓泵站，液壓泵站內設3套油泵電動機組，兩主一備；液壓泵站布置于廠房上游靠安裝間側的1 053.5 m高程平臺機房內，油管自機房接至液壓啟閉機。

事故閘門可通過鎖定拖車鎖定在高程1 047.80 m檢修平臺上，進行日常的檢修和維護。當事故閘門需提出孔口檢修時，先將其鎖定在檢修平臺上，拆除液壓啟閉機與事故閘門的連接后，利用壩頂雙向門機將液壓啟閉機和事故閘門逐一吊出門槽。

2.4 廠房尾水檢修閘門及啟閉設備

廠房尾水設1道檢修閘門，尾水閘門孔口尺寸(寬×高)為8.45 m×7.947 m，底檻高程為1 015.357 m，按廠房最高尾水位1 043.43 m設計，設計水頭為28 m。臨時性擋水閘門按二期圍堰擋水水位1 040.7 m設計，設計水頭為26 m。臨時性擋水閘門在竣工后報廢，故臨時性擋水閘門設計時不考慮增加銹蝕裕度，也不進行防腐處理。

尾水檢修閘門的型式為平面滑動鋼閘門，雙吊點布置。閘門分4個制造運輸單元，通過銷軸連成整扇。尾水檢修閘門面板和止水均布置在廠房側。門葉主體為焊接結構，門體的梁系為實腹式同層布置。頂、側水封選用P型，底水封選用I型。主支承采用滑塊，反向限位裝置采用彈性反輪，門背側設置槽外φ300 mm懸臂式側輪。尾水檢修閘門頂部設兩只φ300 mm壓蓋式充水閥[9]。尾水檢修閘門采用Ⅰ型門槽，埋件主要由主軌、反軌、門楣和底檻4部分構成，其中主、反軌采用焊接組合截面。

尾水檢修閘門的操作條件為靜水啟閉。閘門開啟前需利用門頂的充水閥進行充水平壓，待充水平壓至前后水位差不大于1.0 m時方可提門。

尾水閘門啟閉設備采用單向門機配自動抓梁操作。尾水門機設置在高程1 045.5 m平臺，啟閉容量為2×630 kN，軌距為4.5 m，軌上揚程為10.0 m，總揚程為31.0 m。

尾水閘門日常鎖定在孔口上方的平臺上，尾水檢修閘門的檢修和組裝均在1 045.50 m高程的尾水平臺上進行。

3 泄洪系統(tǒng)閘門及啟閉設備設計

泄洪系統(tǒng)由表孔溢洪道和底孔溢洪道組成，用來完成水庫的泄洪以及沖砂的任務，水庫泄洪采用表孔和底孔相結合的方式進行。

表孔溢洪道共2孔，依次布置1道檢修閘門，配置1扇閘門，2孔共用[4]；1道弧形工作閘門，共2孔2扇。表孔溢洪道閘門及啟閉設備縱剖面布置及平面布置見圖3。

圖3 表孔溢洪道閘門及啟閉設備縱剖面及平面布置示意

底孔溢洪道共3孔，進口喇叭口后設有1道平面事故檢修閘門，配置1扇閘門，3孔共用；出口處設有1道弧形工作閘門，3孔3扇；弧形工作閘門的下游設1道檢修閘門，3孔1扇[4]。底孔溢洪道閘門及啟閉設備縱剖面布置及平面布置見圖4。

圖4 底孔溢洪道閘門及啟閉設備縱剖面及平面布置示意

3.1 表孔檢修閘門及啟閉設備

溢洪道表孔檢修閘門的孔口尺寸(寬×高)為14.0 m×10.50 m，底檻處的高程為1 044.50 mm，按正常蓄水位1 054.50 m設計，設計水頭約為10.0 m。

檢修閘門為平面定輪疊梁鋼閘門，共3節(jié)，節(jié)間通過銷軸相連。檢修閘門采用下游面板、下游止水的布置形式。門葉主體為焊接結構，門體的梁系為實腹式同層布置。側水封選用P型，底水封選用I型。主支承采用φ800 mm簡支輪，反向限位裝置采用滑塊，門背側設置槽外φ300 mm懸臂式側輪。檢修閘門采用Ⅰ型門槽，埋件主要由主軌、反軌、底檻3部分構成，其中主軌采用鑄鋼軌頭與焊接副軌組合的復合截面，反軌采用焊接組合截面。

檢修閘門的操作條件為靜水啟閉。開啟前小開度提頂節(jié)門葉充水，充水平壓至前、后水位接近齊平時再完全開啟閘門。

檢修閘門的啟閉操作采用設置于壩頂的雙向門機借助于自動抓梁進行。雙向門機的主鉤容量2×1 600 kN，副鉤容量100 kN，軌距為15.0 m，軌上揚程為15.0 m，總揚程38.0 m 。

檢修閘門日常放置在壩頂門庫中，其檢修與維護可在1 057.50 m高程壩頂進行。

3.2 表孔弧形工作閘門及啟閉設備

表孔弧形工作閘門孔口尺寸(寬×高)為14.0 m×10.50 m，底檻處的高程為1 044.50 m，按正常蓄水位1 054.50 m設計，設計水頭為10.0 m。本電站的攔污、清污遵循“攔”、“排”、“清”相結合的方式[10]，在攔污柵阻攔污物、清污抓斗清除污物的基礎上，增設表孔翻板門來排除部分漂浮物，以減輕攔污柵的攔污壓力、從而保證水輪發(fā)電機的正常運行。另一方面，翻板門的設置在保證下泄流量的同時還可減少泄水量，增加發(fā)電效益[11]。因此，在每扇弧形閘門頂部設有1扇翻板閘門。蓄水時，翻板門關閉，與弧門一起作為擋水閘門，而當水庫有排漂浮物的需求時，翻板門朝下游翻倒開啟，水庫表層漂浮物即可排向下游。

弧形工作閘門為斜支臂弧門，面板的曲率半徑為13.0 m，支鉸布置在1 051.0 m高程。弧形工作閘門整扇閘門分門葉、支臂、支鉸等部分運至工地后組裝成整體，其中門葉結構分4個制造運輸單元，于工地焊接成整體。閘門主橫梁及斜支臂均為工字型實腹截面，所有梁系同層布置。側水封選用L型，底水封選用I型。支鉸的軸承選用自潤滑球面軸承[12]，兩側各設有2只側導向滑塊。閘門吊耳布置在面板側對應于下主橫梁的位置。

弧形工作閘門的操作方式為動水啟閉，可以有條件地局部開啟運行。弧形工作閘門采用2×1 250 kN液壓啟閉機操作，啟閉行程約為4.97 m，布置在 1 055.7 m 高程。每臺液壓啟閉機設1個液壓泵站操作和控制該啟閉機，液壓泵站內設2套油泵電動機組，一主一備；液壓泵站設置在靠近各弧門的閘墩上的機房內。

翻板閘門開孔尺寸(寬×高)7.5 m×2.5 m，底部設有2個支鉸，鉸座安裝在弧門上部橫梁上，鉸鏈設置在翻板閘門上；翻板門側面設有側向擋板，側向擋板與弧門的縱梁焊接成整體。用于操作翻板門的液壓啟閉機，其液壓油缸的支承鉸座安裝在弧門的縱梁上、作用桿與翻板門上的鉸座連接，從而實現翻板門的旋轉開閉。翻板門液壓啟閉機容量為2×320 kN，揚程為2.33 m。

高程1 057.50 m的檢修平臺上設有液壓穿銷鎖定裝置對閘門進行鎖定。

3.3 底孔事故檢修閘門及啟閉設備

底孔溢洪道進口事故檢修閘門孔口尺寸(寬×高)為9.50 m×11.50 m，底檻高程為1 029.00 m，按最高洪水位1 055.00 m設計，設計水頭約為26.0 m。

底孔事故檢修閘門為平面定輪鋼閘門，雙吊點，分4個制造運輸單元，至現場后通過螺栓成整扇。事故閘門采用上游面板、下游止水的布置型式。門葉主體為焊接結構，采用橫梁式工字型實腹等截面焊接主梁，所有梁系同層布置。頂、側水封選用P型，底水封選用I型。主支承采用φ800 mm簡支輪，反向限位裝置采用滑塊，門背側設置槽外φ300 mm懸臂式側輪。事故閘門頂節(jié)設φ300 mm壓蓋式充水閥[9]。事故檢修閘門采用Ⅰ型門槽，埋件主要由主軌、反軌、門楣和底檻四部分構成，其中主軌采用鑄鋼軌頭與焊接副軌組合的復合截面，反軌采用焊接組合截面。

事故檢修閘門的操作條件為動閉靜啟。當出口處的弧形工作閘門發(fā)生事故和檢修時，事故檢修閘門利用水柱可在動水中關閉擋水[12]。啟門前先打開設置在門頂的充水閥充水，平壓至前后水位差不大于3.0 m時再開啟閘門。

事故檢修閘門的啟閉操作采用設置于壩頂的2×1 600 kN雙向門機借助于自動抓梁進行。

事故檢修閘門日常鎖定在孔口上方1 057.50 m高程的平臺上，并在此平臺上進行閘門的檢修與維護。

3.4 底孔弧形工作閘門及啟閉設備

底孔溢洪道弧形工作閘門孔口尺寸(寬×高)為9.50 m×10.50 m，底檻高程為1 029.00 m，按最高洪水位1 055.00 m設計，設計水頭為26.0 m。

弧形工作閘門為斜支臂弧門，面板曲率半徑為17.5 m，支鉸布置于1 044.00 m高程。弧形工作閘門整扇閘門分門葉、支臂、支鉸幾部分運至工地后組裝成整體，門葉結構分4個制造運輸單元，于工地焊接成整體。閘門主橫梁及斜支臂均為工字型實腹截面，所有梁系同層布置。頂、側水封選用P型，底水封選用I型。支鉸的軸承選用自潤滑球面軸承[12]，兩側各設有2只側導向滑塊。閘門吊耳設在門葉的下橫梁上。

弧形工作閘門的操作方式為動水啟閉，但不作局部開啟運行。弧形工作閘門采用2×1 600 kN液壓啟閉機操作，啟閉行程為14.3 m，布置在1 044.0 m高程的平臺上；每臺液壓啟閉機設1個液壓泵站操作和控制該啟閉機，液壓泵站內設2套油泵電動機組，1主1備；液壓泵站設置在靠近各弧門的閘墩上的機房內。

在底孔出口門楣上部1 041.70 m高程處設有檢修平臺，可供閘門和液壓啟閉機進行檢修，在檢修平臺上設液壓鎖定裝置對閘門進行鎖定。

3.5 底孔下游檢修閘門及啟閉設備

底孔溢洪道下游檢修閘門用于底孔弧形閘門檢修時擋水，孔口尺寸(寬×高)為9.50 m×14.4 m，底檻高程為1 025.00 m，按正常尾水位1 039.08 m設計，設計水頭為14.08 m。

檢修閘門為平面滑動疊梁鋼閘門，共4節(jié)，可互換使用。節(jié)間通過銷軸相連。檢修閘門采用面板和水封設置在底孔的上游側。門葉主體為焊接結構，門體的梁系為實腹式同層布置。側水封選用P型，底水封選用I型。主支承采用滑塊，反向限位裝置采用彈性反輪，門背側設置槽外φ300 mm懸臂式側輪。檢修閘門采用Ⅰ型門槽，埋件主要由主軌、反軌、底檻三部分構成，其中主反軌采用焊接組合截面。

檢修閘門的操作條件為靜水啟閉。啟門前提頂節(jié)疊梁門葉小開度充水，充水平壓至前、后水位接近齊平時再完全開啟閘門。

檢修閘門的啟閉利用設置于壩頂高程1 045.5 m的單向門機借助于自動抓梁進行操作。單向門機的主鉤容量2×630 kN，副鉤容量50 kN，軌距為4.50 m，軌上揚程為10.0 m，總揚程31.0 m。

檢修閘門日常放置在靠廠房側的儲門庫中，檢修閘門的檢修維護在1 045.50 m高程平臺上進行。

4 結語

烏干達伊辛巴水電站電站4臺機組已于2019年投產發(fā)電，目前正常運行近2 a，證明金屬結構設備的布置、選型是合理的。