西藏湘河水利樞紐發(fā)電洞金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

摘要：為了合理選擇湘河水利樞紐發(fā)電引水系統(tǒng)進(jìn)水塔金屬結(jié)構(gòu)型式，開展了兩種布置方案設(shè)計(jì)，并對(duì)兩種方案進(jìn)行了比選。經(jīng)綜合比較，選擇了方案二為最終方案，能夠充分發(fā)揮設(shè)備功能、提高運(yùn)行效率，增加發(fā)電效益。該研究可為今后類似的水電站金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì); 發(fā)電洞; 閘門; 啟閉設(shè)備; 湘河水利樞紐

中圖法分類號(hào)：TV34 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.S1.006

文章編號(hào)：1006 - 0081（2022）S1 - 0018 - 04

1 工程概述

湘河水利樞紐及配套灌區(qū)工程是國務(wù)院確定的172項(xiàng)重大水利工程及西藏自治區(qū)水利改革“十三五”規(guī)劃的重大項(xiàng)目之一，位于西藏日喀則市南木林縣境內(nèi)，其開發(fā)任務(wù)以灌溉、供水和改善保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境為主，兼顧發(fā)電;工程規(guī)模為大（2）型，總庫容1.16億m³，設(shè)計(jì)灌溉面積0.83萬hm²，電站裝機(jī)容量4萬kW，工程概算投資27.01億元[1-2]。

湘河水利樞紐總體布置為：河床布置大壩，從左到右依次布置溢洪洞、導(dǎo)流泄洪洞、發(fā)電洞，左岸壩后布置電站、發(fā)電洞末端連接壓力鋼管引水發(fā)電，右岸布置魚道，如圖1所示。

水庫各特征高程及水位[3-4]為：上游校核洪水位4 102.84 m（洪水頻率P=0.05%），設(shè)計(jì)洪水位4 101.47 m（P=1%），正常蓄水位4 099.00 m，死水位4 080.00 m;下游校核洪水位為4 056.26 m（P=0.2%），設(shè)計(jì)洪水位為4 055.93 m（P=1%）;壩頂高程為4 104.00 m。

2 發(fā)電洞總體布置

發(fā)電洞置于左岸山體，由鋪蓋段、進(jìn)水口、引水隧洞、鋼管段、岔管段5部分組成。鋪蓋段為C30混凝土鋪蓋，呈喇叭口形。進(jìn)水口采用分層取水的疊梁式閘門、攔污柵與事故檢修閘門聯(lián)結(jié)成整體的岸塔式進(jìn)口。引水隧洞為有壓隧洞，由上平洞段、龍?zhí)ь^段、下平洞段、岔管段組成，為直徑7 m的圓形斷面結(jié)構(gòu);全洞采用0.6 m厚鋼筋混凝土襯砌。隧洞段后接鋼管岔管，岔管為卜形分岔，分岔角60°，分岔后從安裝間到機(jī)組段方向分別引出4條壓力鋼管，接主廠房水輪機(jī)4臺(tái)混流式發(fā)電機(jī)組;總裝機(jī)容量4×10 MW，每臺(tái)機(jī)組尾水出口各1孔，共設(shè)4個(gè)尾水出口，在每個(gè)出口處設(shè)一道檢修閘門。

發(fā)電引水隧洞進(jìn)水塔閘室底板高程為4 066.0 m，墩頂高程4 104.0 m，門庫底高程4 084.0 m。水庫在正常蓄水位4 099.0 m以下時(shí)，發(fā)電站工作。攔污柵在門槽內(nèi)，根據(jù)水位情況放至疊梁閘門以確保取表層水，事故檢修閘門開啟，引水至電站。當(dāng)水庫水位超過4 099.0 m的正常蓄水位時(shí)，電站停止發(fā)電。電站機(jī)組發(fā)生事故時(shí)，事故檢修閘門動(dòng)水閉門;故障修復(fù)后，事故檢修閘門沖水閥充水平壓后，靜水啟門。當(dāng)攔污柵污物較多時(shí)，清污機(jī)工作。電站不工作時(shí)，將事故檢修閘門鎖定在檢修平臺(tái)上，以便檢修維護(hù)。

壓力鋼管接在隧洞后且深入隧洞10.0 m，壓力鋼管主管末端設(shè)漸變并卜形連接4條管徑3 m的支管。采用一洞四機(jī)引水方案，共裝4臺(tái)機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組尾水出口各1孔，共設(shè)4個(gè)尾水出口，在每個(gè)出口處設(shè)一道檢修閘門。

3 發(fā)電洞進(jìn)水塔金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

湘河水利樞紐發(fā)電洞部分建筑形式復(fù)雜、金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備多，各設(shè)備運(yùn)行工況、運(yùn)行時(shí)間各不相同。為了湘河水利樞紐金屬結(jié)構(gòu)的正常運(yùn)行和大壩建筑物的安全，金屬結(jié)構(gòu)的合理布置和閘門各部件的合理選型至關(guān)重要。在該工程設(shè)計(jì)中，專門對(duì)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)水塔樞紐布置進(jìn)行了兩種方案的比較。

3.1 布置方案一

發(fā)電引水系統(tǒng)進(jìn)水塔1孔的進(jìn)口孔口寬度為7.0 m，從上游依次設(shè)置清污機(jī)、攔污柵、疊梁閘門、事故檢修閘門各1道。攔污柵布置在0+005.05處，疊梁閘門布置在0+009.05處，事故檢修閘門布置在0+013.40處。為便于疊梁閘門的存放，在0+015.85和0+017.85處共設(shè)置兩道門庫。進(jìn)水塔總長度21.50 m。該方案布置如圖2所示。

在樁號(hào)0+005.05處依次設(shè)置清污機(jī)和攔污柵。攔污柵的孔口寬度7.0 m，底檻高程4 066.00 m，采用活動(dòng)式、疊梁攔污柵，靜水啟閉，設(shè)計(jì)水頭差4 m。柵體主材為Q355C，埋件主材為Q235B。12節(jié)攔污柵單體尺寸為7.0 m×3.1 m（寬×高），每節(jié)高度3.1 m，每兩節(jié)攔污柵之間由螺栓連接。攔污柵上下游設(shè)置有水位差儀，以監(jiān)測攔污柵攔截污物的情況，避免攔污柵前后水位差超過設(shè)計(jì)值（4 m），并將檢測信號(hào)傳輸至中控室自動(dòng)控制。設(shè)計(jì)采用1套型號(hào)規(guī)格為GD2×50 kN的液壓抓斗移動(dòng)式清污機(jī)進(jìn)行清污，清污抓斗行程為清污平臺(tái)以下38.0 m、清污平臺(tái)以上5.5 m，液壓抓斗提升設(shè)備安裝在移動(dòng)門機(jī)的懸臂梁上，并配有液壓抓梁。攔污柵采用設(shè)置在壩頂上的單向門機(jī)進(jìn)行操作控制。

為避免低溫水對(duì)灌區(qū)作物和大壩下游魚類產(chǎn)生不利影響，攔污柵下游取水閘門采用分層取水方式。在0+009.05處設(shè)疊梁閘門，共10節(jié)，每節(jié)高度3.0 m，疊梁閘門底檻高程4 066.0 m，疊梁閘門規(guī)格7.0 m×3.0 m（寬×高）。電站工作時(shí)，門頂過水，取表層水，設(shè)計(jì)水頭差為5.0 m;電站不工作且水庫水位低于4 080.0 m的死水位時(shí)，可利用疊梁閘門檢修。當(dāng)水庫水位下降時(shí)，將提出的疊梁閘門用壩頂單向門機(jī)吊到門庫里存放;當(dāng)需要利用其擋水取表層水時(shí)，門機(jī)（帶自動(dòng)掛脫梁）將閘門逐節(jié)吊運(yùn)到閘孔中，使門體疊加成為一體，動(dòng)水閉門，進(jìn)入擋水狀態(tài)。疊梁閘門下游設(shè)置有水位差儀，與攔污柵下游的水位差儀同時(shí)工作，避免閘門前后水位差超過設(shè)計(jì)值（5m），并將檢測信號(hào)傳輸至中控室，自動(dòng)控制。分水疊梁閘門采用設(shè)置在壩頂上的單向門機(jī)進(jìn)行操作控制。

攔污柵和分層取水疊梁閘門下游設(shè)置1扇事故閘門，為潛孔式平面定輪鋼閘門，閘門孔口尺寸為7.0 m×7.0 m（寬×高），事故閘門底檻高程為4 066.00 m，按正常蓄水位4 099.00 m設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)水頭為33 m。主支承采用定輪，軸承形式為自潤滑滑動(dòng)軸承。閘門的運(yùn)行方式為動(dòng)閉靜啟，采用水柱力加門體自重動(dòng)水閉門，采用門頂充水平壓閥充水平壓后靜水啟門，即待上下游水位差在5 m以下時(shí)啟門。閘門平時(shí)鎖定在墩頂，處于開啟狀態(tài)，可在大壩壩頂進(jìn)行其維護(hù)檢修操作，高程為4 104.00 m。事故閘門通過設(shè)置在壩頂上的單向門機(jī)進(jìn)行操作控制。

在事故門門槽下游樁號(hào)0+015.85和0+017.85處共設(shè)置兩套門庫，用于存放疊梁檢修閘門，門庫底高程4 084.00 m，墩頂高程4 104.00 m，為型鋼、鋼板焊接組合結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為Q235C。

發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)水塔壩頂門機(jī)主要負(fù)責(zé)發(fā)電洞進(jìn)口攔污柵、疊梁閘門、事故閘門的啟閉及進(jìn)水口攔污柵清污裝置的操作運(yùn)行。門機(jī)主要運(yùn)行工況為：① 起升機(jī)構(gòu)雙吊點(diǎn)通過液壓自動(dòng)抓梁啟閉發(fā)電洞進(jìn)口攔污柵;② 起升機(jī)構(gòu)雙吊點(diǎn)通過液壓自動(dòng)抓梁啟閉分層取水疊梁閘門;③ 起升機(jī)構(gòu)雙吊點(diǎn)通過液壓自動(dòng)抓梁啟閉發(fā)電洞進(jìn)口事故閘門;④ 門機(jī)攜帶清污裝置進(jìn)行進(jìn)水口攔污柵污物清理操作;⑤ 2×50 kN電動(dòng)葫蘆用于起吊耙斗式清污機(jī)操作清污。

發(fā)電系統(tǒng)壩頂門機(jī)由2×630 kN小車機(jī)構(gòu)（含起升機(jī)構(gòu)和小車走行機(jī)構(gòu)）、門架結(jié)構(gòu)、打車走行機(jī)構(gòu)、清污裝置、夾軌器、門機(jī)供電裝置、電氣控制與附屬設(shè)備等組成。門機(jī)電動(dòng)控制，現(xiàn)地操作。

3.2 布置方案二

發(fā)電引水系統(tǒng)進(jìn)水塔1孔的進(jìn)口孔口寬度為7.0 m，從上游依次設(shè)置清污機(jī)、通高式攔污柵、疊梁閘門、事故檢修閘門各1道。通高式攔污柵布置在0+006.20處，疊梁閘門布置在0+010.20處，事故檢修閘門布置在0+016.40處。為便于疊梁閘門的存放，在0+021.20和0+024.30處設(shè)置兩道門庫。進(jìn)水塔樁號(hào)總長度28.10 m。該方案布置如圖3所示。

在樁號(hào)0+006.20處依次設(shè)置清污機(jī)和攔污柵。攔污柵及清污機(jī)設(shè)計(jì)同方案一。為便于清污卸污操作，將攔污柵的清污卸污及檢修平臺(tái)設(shè)置在壩頂高程4 104.00 m處，并在檢修平臺(tái)上前部增加污物車（6.95 m×2.50 m×3.15 m）。攔污柵采用設(shè)置在壩頂上的單向門機(jī)進(jìn)行操作控制。

在0+010.20處設(shè)疊梁閘門，設(shè)計(jì)與運(yùn)行工況同方案一。

在樁號(hào)0+016.40處設(shè)置事故檢修閘門，閘門設(shè)計(jì)同方案一。平時(shí)閘門開啟，發(fā)電機(jī)組運(yùn)行，在下游隧洞或發(fā)電機(jī)組需要維護(hù)檢修時(shí)動(dòng)水閉門;閘門非工作期間，采用鎖定設(shè)備將其鎖定在4 100.0 m高程的閘墩上。事故檢修閘門啟閉機(jī)為1臺(tái)規(guī)格型號(hào)為QPZYG2×1000kN-30m的高揚(yáng)程固定卷揚(yáng)啟閉機(jī)，閉式傳動(dòng)。啟閉機(jī)安裝在高程為4 104.00 m的平臺(tái)上，設(shè)整體機(jī)架和移動(dòng)式防護(hù)罩。正常情況下，事故檢修閘門采用該卷揚(yáng)啟閉機(jī)啟閉;當(dāng)閘門或啟閉機(jī)需要大修時(shí)，利用發(fā)電洞2×500 kN移動(dòng)式門機(jī)起吊。

在事故門門槽下游樁號(hào)0+021.2和0+024.3處共設(shè)置兩套門庫，用于存放疊梁檢修閘門，門庫底高程4 084.00 m，墩頂高程4 104.00 m，為型鋼、鋼板焊接組合結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為Q235C。

發(fā)電系統(tǒng)壩頂門機(jī)主要負(fù)責(zé)發(fā)電洞進(jìn)口攔污柵、疊梁閘門的啟閉及進(jìn)水口攔污柵清污裝置的操作運(yùn)行。門機(jī)主要運(yùn)行工況為：① 起升機(jī)構(gòu)雙吊點(diǎn)通過液壓自動(dòng)抓梁啟閉發(fā)電洞進(jìn)口攔污柵;② 起升機(jī)構(gòu)雙吊點(diǎn)通過液壓自動(dòng)抓梁啟閉分層取水疊梁閘門;③ 門機(jī)攜帶清污裝置進(jìn)行進(jìn)水口攔污柵污物清理操作;④ 2×50 kN電動(dòng)葫蘆用于起吊耙斗式清污機(jī)操作清污。

發(fā)電系統(tǒng)壩頂門機(jī)由2×500 kN小車機(jī)構(gòu)（含起升機(jī)構(gòu)和小車走行機(jī)構(gòu)）、門架結(jié)構(gòu)、打車走行機(jī)構(gòu)、清污裝置、夾軌器、門機(jī)供電裝置、電氣控制與附屬設(shè)備等組成。門機(jī)電動(dòng)控制，現(xiàn)地操作。

4 方案比選分析

兩個(gè)方案孔口尺寸、閘門型式基本一致，僅在啟閉設(shè)備和門槽的樁號(hào)布置上有所差異（表1）。

方案一的優(yōu)點(diǎn)：① 設(shè)備布置緊湊，土建投資少;② 門機(jī)為3套設(shè)備共用，在下游水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組設(shè)有閥保護(hù)的情況下，事故檢修閘門不必快速閉門，可正常閉門，因此選用門機(jī)起吊事故檢修門是合理的，可減少設(shè)備的投資，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用的功能，符合環(huán)保、節(jié)能的理念;③ 與方案二相比，方案一簡化了安裝調(diào)整工作，有效壓縮了現(xiàn)場施工工期。

方案二的優(yōu)點(diǎn)：① 增設(shè)了清污自卸車，解決了清污機(jī)前無清污橋、污物不方便外運(yùn)的問題;② 根據(jù)SL 74-2019《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》，該方案中事故閘門應(yīng)設(shè)專用啟閉設(shè)備，事故檢修閘門啟閉由方案一的2×630 kN門機(jī)更換為2×1 000 kN閉式卷揚(yáng)啟閉機(jī)，門機(jī)由原方案一的3套設(shè)備共用改為只負(fù)責(zé)起吊攔污柵和疊梁取水閘門，門機(jī)容量由2×630 kN減小為2×500 kN;③ 根據(jù)運(yùn)行工況，將液壓抓梁由方案一的3套改為2套，取消了事故閘門液壓抓梁;④ 進(jìn)水塔門機(jī)軌道延長至28.1 m，延長了門機(jī)運(yùn)行距離，增加了檢修空間。

綜合比較兩個(gè)方案，因進(jìn)水塔土建部分是總價(jià)合同，方案二雖然在設(shè)備方面多增加了1臺(tái)閉式固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)和清污自卸車，但門機(jī)容量由2×630 kN減小為2×500 kN，取消了事故閘門液壓抓梁，金結(jié)設(shè)備投資方面增加較小;方案二完善了事故檢修閘門的運(yùn)行功能，更能保證供水發(fā)電安全和便于后期維護(hù)管理。因此，綜合比選后取方案二作為工程方案。

5 結(jié) 語

湘河水利樞紐及配套灌區(qū)工程正在建設(shè)中，所選取的發(fā)電洞進(jìn)水塔最終的布置方案已是多種制約因素下的最佳選擇。該研究中所提出的一些意見和建議可供同行討論、參考。

參考文獻(xiàn)：

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[4] 王強(qiáng)，藍(lán)志鋒，劉天政，等.西藏湘河水利樞紐工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)，2020，26（3）：1-6.

（編輯：高小雲(yún)）