烏東德水電站導流洞進口一槽雙門設計研究

錢軍祥　胡劍杰

摘要：為解決大型水電站導流洞運行期檢修難題，優化導流洞進口布置，以烏東德水電站導流洞工程為例，從導流洞檢修通道設置、檢修門及其埋件布置方式等方面進行分析研究，提出了導流洞進口檢修門和封堵閘門共用門槽的“一槽雙門”設計方案，詳細闡述了“一槽雙門”的閘門和門槽布置方案、門槽型式選擇和門槽主要結構設計流程。工程實際運行結果表明：“一槽雙門”設計方案在滿足導流洞檢修及封堵的功能的同時，能大大降低施工難度、縮短施工工期、減少工程投資，該方案可供同類工程設計參考。

關鍵詞：導流洞進口; 一槽雙門; 封堵閘門; 檢修閘門; 烏東德水電站

中圖法分類號： TV34

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.016

0引 言

大中型水電站布置的導流隧洞，運行時間短則3～5 a，長則7～8 a。對于泥沙含量高且推移質較多的河流，導流洞運行期間極易因水流沖刷和推移質磨蝕而受損[1-3]。圖1是烏東德水電站3號導流隧洞運行5 a后的情況，可以看出，導流洞底板襯砌混凝土已被沖蝕，面層鋼筋完全裸露，破損嚴重。盡管相關設計規范未對導流洞運行期的檢修和維護提出明確要求，但出于安全考慮，溪洛渡、錦屏一級等工程均定期采用臨時圍堰截斷水流，對導流洞進行了檢查和維修[4]。

在可研設計階段，就明確提出烏東德水電站工程的導流洞在運行期應定期開展隧洞檢修與維護的要求，但考慮到臨時圍堰施工難度和投資較大、占用直線工期較長等因素，初步方案擬定在導流洞進口除設置封堵門外，也設置一道檢修門，如圖2所示。根據相關規范規定和初步布置結果，檢修門槽順水流方向約需4.5 m左右的布置空間。布置檢修門槽后，烏東德導流洞進水塔進口順水流方向總長32.5 m。若取消檢修門槽，相當于節省10%以上的開挖工程量，大型水電站工程導流洞進口一般布置在陡峭河谷地帶，開挖施工難度大且容易產生塌方[5-7]。

另外，導流洞封堵門僅在最后下閘封堵時使用，而檢修門通常是在封堵門下閘前檢修使用，檢修門和封堵門的使用在時空上是錯開的。為優化導流洞進口水工結構布置和降低施工難度，并節約工程投資，本文將從導流洞進口檢修門、封堵門及其門槽埋件布置和設計等方面進行分析，研究檢修門、封堵門共用門槽設計方案，并通過工程實際運行來檢驗“一槽雙門”效果。

1烏東德導流洞工程概況

烏東德水電站是金沙江下游河段四大水電梯級——烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩中最上游梯級，電站正常蓄水位975.00 m，水庫總庫容74.08億m3，總裝機容量10 200 MW，屬Ⅰ等大（1）型工程。樞紐工程主要由混凝土雙曲拱壩、泄洪消能建筑物、左右岸引水發電系統及導流建筑物等組成。

烏東德水電站左、右岸共布置“4低1高，4大1小”共5條導流隧洞（從左到右依次編為1～5號，其中5號導流隧洞為高洞）。1～4號導流隧洞進口高程分別為814.00 m（1、2號）和812.00 m（3、4號），出口高程均為800.00 m。左岸1、2號導流隧洞出口與左岸電站1、2號尾水洞出口相結合;右岸3號、4號導流隧洞出口與右岸電站5、6號尾水洞出口結合。左、右岸電站尾水檢修門兼作導流隧洞的出口封堵門。

烏東德水電站導流隧洞于2012年1月開工，2019年1月開始下閘封堵，歷時近8 a。為方便導流期間對導流洞的檢查和維修，在1～4號導流隧洞進口布置了2扇檢修門。導流洞檢修門在枯水期低水位動水啟閉，最大啟閉水位為821.68 m，相應水頭為9.68 m;隧洞檢查與維修期間最大擋水水位為833.00 m，相應水頭為21.00 m。

2導流洞檢修方案及檢修門布置

大型水電站導流隧洞，由于運行時間長、隧洞底板過流流速大、河流泥沙及推移質含量較高等原因，隧洞底板極易遭受磨損。導流洞運行期間如果不及時進行檢修，隧洞側墻及底板會遭到嚴重沖蝕破壞，甚至會引起隧洞局部坍塌，威脅工程安全。故對于大型水電站長年運行的導流隧洞，一般需考慮創造檢查、維護等條件。

2.1導流洞檢修通道比選

導流洞檢修通道布置一般有3處：導流洞進口、導流洞出口和打開施工支洞。烏東德水電站左、右岸各布置2條低洞（導流洞），左岸和右岸2條低洞均共用施工支洞。根據檢修期流量水位關系及導流洞過流能力計算，枯水期檢修必須保證3條導流洞過流，即單次僅能檢修1條導流洞。左岸2條導流洞平行布置，由于共用施工支洞的原因，如要檢修2號導流洞，則1號導流洞不能過流。同理，如要檢修3號導流洞，則4號導流洞不能過流。顯然，打開施工支洞作為檢修通道不可行。

烏東德水電站導流洞沿順水流方向布置，右岸進口底板高程比出口高程高12.00 m（左岸高出14.00 m）。檢修期導流洞抽干后，考慮閘門漏水、洞身滲水等因素，結合進、出口高程差，洞內必然有大量水及泥沙不間斷自流至導流洞下游出口段。故導流洞出口難以形成檢修通道，即便出口能形成檢修通道，檢修人員和物質從下游通道運輸也不方便，困難較大。

綜合分析，僅能在導流洞進口設置檢修通道。

2.2導流洞進口檢修門布置方式

導流洞進口設置檢修通道有兩種方式：一是單獨增設一道檢修門;二是將封堵門兼做檢修門使用。經分析，烏東德水電站1～4號導流洞封堵閘門孔口尺寸為8.25 m×24.00 m，閘門最大設計擋水水頭108.88 m，總水壓力203 392 kN;固定卷揚式啟閉機容量18 000 kN。閘門及啟閉機規模巨大，根據可研概算，8扇閘門及8臺固定卷揚式啟閉機總投資約8 000萬元。如果工程初期就制造、安裝封堵門和啟閉機，則會導致資金占壓，并且導流洞下閘封堵前運行時間較長，閘門及啟閉機維護保養工作量較大。另外，導流洞封堵閘門制造運輸單元尺寸11.0 m×3.0 m×3.0 m，重量為60.0 t，在專用公路未形成前，大件運輸較困難。

從封堵門結構設計上分析，烏東德水電站導流洞封堵水位為920.88 m，遠高于導流洞進水塔頂高程848.00 m，因此導流洞封堵閘門的止水只能布置在下游側，如圖2中封堵門槽所示。如果采用封堵門兼作檢修門必須完全封住孔口，難以形成檢修通道。故導流洞封堵門兼作檢修閘門的方式不可行，導流洞進口設置檢修通道的方式僅能是增設一道檢修門。

2.3檢修閘門槽布置方式

根據導流洞檢修通道布置比選和進口檢修門布置方式分析結果，導流洞進口設置一道檢修門是最合理可行的方案。考慮到導流洞檢修門和封堵門的使用在時空上是錯開的，為減小資金占壓、降低設備維護費用，在封堵閘門槽澆筑完成后，先期施工可以先不形成導流洞封堵門及其啟閉設備，僅生產制造完成檢修門即可。

為優化導流洞進口水工結構布置和降低施工難度，縮短導流洞進水塔長度并節約工程投資，結合先期施工僅需要形成檢修門及封堵閘門槽的需求，可將檢修閘門槽與封堵閘門槽一體化設計，即形成檢修門和封堵門共用一道門槽的“一門雙槽”設計方案[8]，滿足導流洞檢修和封堵要求。

3“一門雙槽”的門槽初步布置設計

3.1門槽型式初步布置

烏東德水電站導流洞檢修門和封堵門要共用一個門槽，且檢修門后需預留檢修通道，該通道需能保證檢修物質及檢修設備能垂直上下快速吊運至導流洞底板。經研究，創新性提出了“π”形斷面結構的檢修閘門，門葉結構布置在上游側，門后形成檢修通道，具體如圖3～4所示。

“一門雙槽”的門槽型式初步布置研究主要是確定門槽寬度W和門槽深度D。以下說明門槽尺寸確定思路。

3.1.1門槽寬度W

3.1.2門槽深度D

無論是檢修門還是封堵門，閘門承受的水壓力最后都傳至門槽下游側埋件（主軌）。門槽深度D與布置一套主軌還是兩套主軌關系密切，而主軌型式又取決于閘門支承型式，閘門支承型式又影響閘門啟閉機容量及啟閉機型式選擇，應經過研究計算綜合比較后確定。

烏東德水電站1～4號導流隧洞孔口寬度為8.25 m，最大設計擋水水頭為108.88 m（3號和4號洞）。封堵閘門線壓強大于6 000 kN/m，采用定輪支承已不能滿足要求，應選用滑塊支承。滑塊支承對應的主軌埋件一般為Q355厚鋼板焊接結構。

1～4號導流隧洞檢修門最大擋水水位為833.00 m，相應水頭為21.00 m。檢修門線壓強不到1 500 kN/m，既可采用滑塊支承，也可采用定輪支承。如選用滑塊支承，則兩套閘門可以共用埋件主軌。檢修門選用何種支承應考慮閘門啟閉機容量和型式。

閘門支承型式決定了支承摩擦系數，也就決定了啟閉機容量和啟閉機型式。根據相關規范，啟閉力計算公式如下：

檢修門動水啟閉，啟閉機容量由啟門力控制。對于同一扇閘門，擋水總水壓力P、閘門重量G、止水摩阻力Tzs是相同的。1 000 mm的定輪其摩擦系數一般小于0.01，而滑塊（按工程塑料合金滑塊）摩擦系數實際一般大于0.1。以烏東德水電站導流洞檢修門為例，如采取用定輪支承，計算啟門力FQ=1 350 kN。根據現場場地布置，容量3 000 kN左右汽車吊即可滿足操作要求，且可現場調用。如采取用滑塊支承，計算啟門力FQ=2 080 kN。根據現場場地布置，需要容量4 500 kN汽車吊或履帶吊進行啟閉操作，且需從工區外租用，調用極不方便。

經綜合比選，檢修門采用定輪支承，檢修門埋件主軌選用鑄鋼軌道;封堵閘門采取滑塊支承，埋件主軌選用厚鋼板焊接結構，即門槽下游共布置兩套主軌。進一步考慮門葉結構與門槽之間的位置關系后，可以初步確定門槽深度D。

3.2門槽尺寸確定

導流洞汛期水頭超過30 m，流速超過20 m/s。為保護門槽，避免門槽空蝕空化，門槽型式應選用“Ⅱ”形門槽。根據規范，“Ⅱ”形門槽合宜寬深比W/D為1.5～2.0。如果初步確定的W，D兩者比值不滿足合宜寬深比的要求，還應進一步調整。

4“一門雙槽”的門槽埋件結構及閘門設計與運行

“一槽雙門”設計方案是綜合考慮檢修門和封堵門操作運行條件、導流洞檢修要求及工地現場施工條件等因素后提出的。烏東德水電站1～4號導流隧洞進口封堵門槽埋件初步布置見圖5。以下主要討論“一槽雙門”方案閘門和埋件設計中應特別注意的問題，常規設計不再詳述。

4.1門槽埋件設計

（1） 止水及主軌。

從圖5檢修門和封堵門埋件布置可以看出，檢修門止水布置在上游側，上游埋件（反軌）上應布置止水座板。封堵門止水布置在下游側，下游埋件上也應布置止水座板。一道門槽埋件上應布置兩套分別與兩扇閘門相匹配的止水座板。檢修門和封堵門的主軌均布置在下游側，共布置兩套主軌。兩套主軌在垂直水流方向上的位置可以根據需要調整。

（2） 門槽襯砌。

為解決導流洞運行期間門槽自身的安全問題，應對門槽設計鋼襯進行保護[12-14]：一是門槽采取全斷面鋼襯襯護，確保門槽主體結構安全;二是門槽底板以門槽中心線為基準上、下游3.0～5.0 m范圍內采取鋼襯保護。這樣確保門槽附近的底板不會被掏空，從而保證閘門底止水座板的安全。

（3） 門槽體型。

“Ⅱ”形門槽一般用于高水頭永久水工建筑物設計，導流隧洞封堵門槽設計應參考選用“Ⅱ”形門槽，以改善了門槽水力學條件，防止門槽空蝕空化破壞。

4.2檢修門設計

檢修門的設計特點是擋水水位較低、采取臨時啟閉機設備操作、應能為導流洞檢修時提供人員和設備通道。通過分析這些設計特點和要求，檢修門斷面可設計成“π”形斷面結構。門葉結構兩邊邊柱較高以適應門槽尺寸，便于支撐和受力。中間主梁結構較矮，以便在門后留出空間，形成人員和設備的進出通道。這種結構一方面降低了檢修門重量;另一方面節省了工程量，進而減小了臨時啟閉機設備的容量，便于施工操作和運行。

由于門葉斷面采用“π”形結構，中間主梁和兩邊邊柱高度差較大，斷面突變。結構設計時應避免應力集中。“π”形結構為異形結構，設計時應精確計算閘門重心位置，以便于啟閉機操作。

4.3 “一門雙槽”的門槽及閘門運行

烏東德導流洞檢修門為疊梁門，共6節。下面3節聯接成整體后，選擇低水位動水下閘，然后上面3節疊梁無水下閘。待檢修完畢后，選擇低水位時機讓上面3疊梁在無水狀態下依次啟門，下面3節疊梁整體動水提門。下面3節疊梁計算啟門力為1 350 kN，現場實際利用2 600 kN汽車吊操作。圖6（洞內朝向上游拍攝）是檢修門下閘擋水效果圖，從4條導流洞檢修結果來看，物質及檢修設備可從門后直接吊運至導流洞底板，非常方便順暢。抽水檢查表明，門槽埋件基本完好，檢修門止水效果良好（基本不漏水），為導流洞檢修創造了良好的條件[15]。

5結 論

本文以烏東德水電站1～4號導流洞進口檢修門和封堵門共用門槽設計為例，闡述了“一槽雙門”設計方案的研究過程，并指出了設計中應注意的問題，研究成果總結如下。

（1） 河流泥沙及推移質含量高、運行時間較長（如超過3 a）的大型水電站工程導流洞應考慮具備檢修要求，并建議在導流洞進口設置檢修門作為檢修通道。

（2） 為簡化導流洞進口水工結構布置，節省投資和降低施工難度，建議參考“一槽雙門”設計方案。門槽尺寸、門槽埋件止水座板及主軌設計應能同時滿足兩套閘門運行要求，門槽布置可根據實際進行優化。

（3） 導流洞進口檢修門結構建議采用“π”形斷面結構型式，以利于在門后形成檢修通道，同時節省工程量。檢修閘門宜采用定輪支承，以減小啟閉機容量，便于汽車吊等臨時啟閉設備操作運行。

參考文獻：

[1]楊世林.溪洛渡水電站導流洞卵石推移質測驗簡介[J].西南師范大學學報（自然科學版），2014，39（12）：122-128.

[2]王鳳安，郭浩洋.烏弄龍水電站導流洞底板沖蝕破壞原因分析及處理措施[J].西北水電，2019（4）：43-46.

[3]鄭南，蒲寧，鐘偉斌.西藏某水電站2號導流隧洞底板修復[J].大壩與安全，2020（4）：69-72.

[4]金大鑫.錦屏一級水電站運行期導流洞快速檢修[J].四川水力發電.2014，33（6）：1-4.

[5]卞全，苗喆，李學強.某水電站導流洞進口邊坡的垮塌及其處理[J].西北水電，2013（6）：39-43.

[6]李正先，郭奮蘭.騰龍橋一級水電站導流洞進口塌方處理施工技術[J].施工技術，2015，5（16）：39-43.

[7]徐懷聚，姜殿成，其其格.雙溝水電站進口塌方處理方案設計[J].東北水利水電，2012（11）：15-16.

[8]長江勘測規劃設計研究有限責任公司.一種適應不同類型平板閘門的門槽裝置：中國，202021328347.6[P].2021-02-02.

[9]曹平周，朱召泉.鋼結構[M].北京：科學技術文獻出版社，2013.

[10]中華人民共和國水利部.水利水電工程鋼閘門設計規范：SL74-2019[S].北京：中國水利水電出版社.

[11]國家能源局.水電工程鋼閘門設計規范：NB35055-2015[S].北京：中國水利水電出版社，2015.

[12]陳關華，王穎.黃金坪水電站導流洞封堵閘門的設計[J].科技展望.2017（31）：54-55.

[13]蔣德成，崔家仲，賈剛.錦屏一級水電站導流洞封堵閘門的設計[J].水電站設計，2009，25（3）：5-7.

[14]易春，丁波，王楚春.黃登水電站1#導流洞封堵閘門關鍵設計技術[J].水力發電，2019，45（6）：35-37.

[15]楊文清.烏東德水電站導流洞運行期下閘檢修技術分析[J].建筑與裝飾，2019（12）：166.

（編輯：胡旭東）