黔中水利樞紐一期工程新增低位放空設施金屬結構方案設計

陶光慧，謝晨希

(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

平寨水庫上游校核洪水位1333.52 m，設計洪水位1331.83 m，正常蓄水位1331.00 m，死水位1305.00 m，30 a的淤沙高程為1225.00 m，下游校核洪水位1204.27 m，下游設計洪水位1203.08 m。水庫應急放空的時間限定在45 d以內并力求縮短，采用溢洪洞、泄洪洞及放空底孔聯合進行。水庫正常蓄水位1331.00 m至開敞式溢洪洞堰頂高程1321.00 m之間的庫容考慮溢洪洞和泄洪放空洞聯合放水；1321.00 m至水位1268.00 m之間的庫容考慮泄洪放空洞放水，水位降至1268.00 m(滿足泄洪放空洞有壓流時的水位)，再由泄洪放空洞與新增放空底孔設施聯合放水至1260.00 m，1260.00 m以下庫容由新增放空底孔單獨完成放空。但不排除有放空底孔從始至終參加水庫放空的需求。

新增放空底孔位于右岸導流洞上方42.00 m處，底孔進口底板高程為1230.00 m，其尾部與導流洞前段連通。新增放空底孔為有壓圓形斷面，洞徑為4.00 m，全長約400.00 m。新增放空底孔的水工金屬結構設備必須滿足對放空底孔水流進行控制的要求，根據工程布置有2種閘門方案和4種閥門方案。其中，閘門布置在放空底孔前段中部，閘門布置在閘門井內，按工作閘門劃分，具體有平面閘門方案和弧形閘門方案[1]；閥門布置在新增放空底孔尾部段的閥門室內，按工作閥門劃分，具體有偏心半球閥方案、固定錐形閥方案、活塞閥方案等。在工期緊，難度大的情況下，對放空底孔水工金屬結構設備的選型和布置進行了六個方案的綜合比較。

2 設備方案布設要求

新增放空底孔水工金屬結構設備的主要功能是水庫應急放空，確保大壩運行安全，同時還需滿足施工和工期要求。根據水庫樞紐的布置，放空底孔設備的擋水水頭為108.00 m，運行水頭為42.00 m，泄放流量約50 m3/s，泄放水流速度可達20 m/s。

閘門方案的閘門井布置在放0+160.74～放0+201.34樁號段之間，進口底板高程為1230.00 m，閘門井頂部高程為1335.00 m。檢修閘門及工作閘門均為平面閘門，且布置在同一豎井內[2]，豎井斷面尺寸為16.3 m×10.0 m，總體高度為105.00 m(高程1230.00～1335.00 m)豎井頂部設有與1336.20 m右壩肩平臺連接的交通橋。按泄放要求，閘門孔口尺寸4.0 m×4.0 m，設計擋水水頭104.00 m，運行水頭40.00 m。

閥門方案的閥門室布置在放空底孔尾部[3]，并與壩后交通洞連通。由于受到閥門制造規模的限制，為保證泄放流量，壓力鋼管在閥門室段采用雙管平行布置，每管上布置檢修閥門及工作閥門各1套，共2套檢修閥門和2套工作閥門。按工程下閘蓄水和總工期要求，還需先用檢修閥門先期擋水，以滿足水庫蓄水和放空底孔后續施工的要求。安裝及檢修設備由設在閥門室頂部的40 t吊勾組合起吊設備組成。因為工作條件比較潮濕，閥門的防腐等級要求很高。設備的控制方式采用自動遠程和現地控制，并設有視頻監控。從擋水水頭來看，閥門需選用公稱壓力在1.6 MPa以上，從運行上來說，放空時間應盡量縮短，以給大壩的應急放空爭取更多的時間。在1268.00 m水位以下，水庫依然有很大的庫容量，因此對放空底孔的泄流能力有較高的要求，閥門的過閥流速將會較高，這對閥門的動水運行等功能提出較高要求。

3 金屬結構設備選型方案比選

因閘門方案經濟性及工期均無法滿足要求，本項目不采用，確定采用閥門方案，根據新增放空底孔的布置情況、水流條件、運行工況、投資及工期等要求， 對閥門的結構型式、功能、主要技術參數等提出了嚴格要求，形成四組方案：①偏心半球閥+偏心半球閥；②蝶閥+固定錐形閥；③蝶閥+活塞閥；④偏心半球閥+固定錐形閥。閥門具體方案如表1所示。

表1 黔中放空底孔閥門方案綜合比較

經過上述四組閥門方案：①偏心半球閥+偏心半球閥；②蝶閥+固定錐形閥；③蝶閥+活塞閥；④偏心半球閥+固定錐形閥的綜合比選，最終推薦方案①，即偏心半球閥+偏心半球閥方案[4]，作為本工程新增放空設施的控制設備方案。放空底孔設置在30 a淤沙高程以上，淤沙到達此高程時大壩先期檢修任務基本完成。偏心半球閥全通徑結構全開時能很好地適應大流量及高流速的工況要求，即使在含沙水的工況下也能取得較優的工作性能。水庫下閘蓄水，部分飄浮雜物可能會進入隧洞，當閥門開啟時，雜物隨流水流過閥門不會受阻，可充分保證安全性及泄流量。閥門關閉時，弧形閥瓣掃過流量，可清理污物及切斷雜質，確保嚴實關閉。采用軟硬密封結構，可達到零泄漏要求。為更好地實現局部開啟目的，閥門設備設置有旁通裝置，同時工作閥與檢修閥需聯合運行，確定局部開啟時不出現壓力及流量猛增的情況，保證放空底孔的運行安全。

由于平寨水庫增設低部位放空設施屬于施工期新增項目，前期樞紐建筑物基本已建成[5]，新增放空設施的放空隧洞、閥門控制室、壓力鋼管段、消能段等整個流道布置有一定難度，受地質條件限制，只能布置于水庫右岸，而右岸建筑物較為密集，新增放空設施的施工、運行給周邊已建建筑物會帶來或多或少的不利影響，尤其是放空運行期間從高水位至低水位放空過程整個流道的水流及壓力狀態，對閥門、閥后有壓管道、進入導流洞管道末端消能段的穩定、安全運行尤其關鍵。(按一般運行原則新增放空設施是從庫水1268.00 m開始下放，但也不排除更高水位下開啟運行的可能，如正常蓄水位1331.00 m、死水位1305.00 m等)

基于本工程新增放空設施的建設條件，承受庫水水頭較高(校核水位1333.52 m，進口底板1230.00 m)，建筑物布置的局限性，運行條件特殊性，水流狀態及消能條件較為復雜等方面的因素,經多次咨詢、審查，專家對整個流道的水流流態、閥門及閥室、閥后壓力管道及其下部消能段較為關注、重視。因此有必要對放空設施在放空運行期間的運行狀態進行水工模型試驗，以便施工圖階段進一步研究和完善設計方案，確保工程及建筑物運行的安全、可靠。

4 結 語

最終經過多方案比選，選定了一個可安全且可實施的方案，并通過模型試驗進行了充分論證。試驗測得優化修改后放空底孔推薦方案(四閥方案)閘門全開泄流流量試驗值為庫水位1268.00 m(正常運行水位)時，流量為80.20 m3/s，庫水位1331.00 m(正常蓄水位)時，流量為218.60 m3/s，庫水位1305.00 m(死水位)時，流量為199.65 m3/s，滿足設計要求。流態試驗觀測表明：在各運行工況，工作閥前均為壓力管流，洞內水體充盈勻稱，未見不良流態產生；工作閥后則隨著閥門開度的不同呈現不同的泄流流態特征。在庫水位1268.00時，閥門開度大于及等于相對開度0.750e時，閥門后依然為壓力管流，未見不良流態產生；在閥門開度小于及等于相對開度0.625e，且大于相對開度0.375e時，閥后管內為強烈摻氣水流；在閥門開度等于及小于0.375e時，閥后渦奇段前為強烈摻氣水流，渦奇段后為半管明流。在閥門各開度運行時，出口水流擴散正常，挑流形態亦未發生不良現象，底空腔和側空腔亦均完整，未形成封閉或水翅沖頂現象。從最終的實施及項目運行上來看，設計方案切實可行。