黃登水電站1號導流洞封堵閘門關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)

易 春，丁 波，王處軍

(中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

1 工程概況

黃登水電站采用全年導流，導流隧洞共兩條，均布置于右岸。1號導流隧洞進口高程為1 473.0 m，洞身長1 121.959 m，洞身為方圓形斷面，斷面尺寸為16 m×20 m；2號導流隧洞進口高程為1 477.0 m，洞身長1 298.138 m，洞身為方圓形斷面，斷面尺寸為8 m×11 m，隧洞底坡i=0.30%，出口7 m×9 m的弧門控制，壓坡段長25 m，出口底板高程1 473.0 m。

黃登水電站1號導流洞進口設(shè)置了兩孔兩扇封堵閘門，閘門形式為潛孔式平面焊接鋼閘門，孔口尺寸為8 m×20.5 m(凈寬×凈高)，設(shè)計下閘后擋水水頭高達146 m，承受的總水壓力高達226 580 kN，且要求閘門能夠在27 m水頭下動水下閘關(guān)閉孔口，封堵1號導流隧洞，實現(xiàn)黃登水電站下閘蓄水的目標。對比目前擬建和已建成投產(chǎn)的若干超大型水電站的導流封堵閘門技術(shù)參數(shù)，得出黃登水電站1號導流洞封堵閘門技術(shù)參數(shù)要求相當高，居于目前國內(nèi)國際超大型水電站同類金屬結(jié)構(gòu)閘門的最高水平。是否能按期實現(xiàn)1號導流洞安全下閘封堵關(guān)系著整個工程是否能夠按照施工進度計劃實現(xiàn)水庫蓄水發(fā)電及保證庫區(qū)下游安全的目標。因此，對于設(shè)計者來說，1號導流洞封堵閘門的設(shè)計具有巨大的風險性和挑戰(zhàn)性，必須進行精心的設(shè)計與研究。閘門具體參數(shù)見表1。

表1 黃登水電站1號導流洞進口封堵閘門參數(shù)

注：孔口形式為潛孔式；支承形式為主輪+滑塊；操作條件為小于設(shè)計下閘水頭動水下門，小于設(shè)計啟門水頭動水啟門；啟閉機采用2×3 200 kN固定卷揚式啟閉機。

2 導流洞封堵閘門關(guān)鍵設(shè)計

2.1 閘門設(shè)計

根據(jù)專業(yè)下達的設(shè)計任務(wù)書的相關(guān)功能要求及輸入的設(shè)計參數(shù)，黃登水電站1號導流洞封堵閘門考慮采用平面焊接鋼閘門，下游止水。為了便于制造、運輸和現(xiàn)場安裝，閘門分為7節(jié)制造、運輸，各節(jié)在現(xiàn)場均采用左右兩個銷軸連接，把7節(jié)閘門串接成為一個整體。

閘門主要結(jié)構(gòu)采用Q345板材焊接，節(jié)間連接銷軸和與啟閉機連接的吊軸采用40Cr合金結(jié)構(gòu)鋼鍛造，軸徑Φ250 mm。閘門除最頂節(jié)高為2 750 mm外，其余6節(jié)高度相同，均為3 100 mm。閘門總高21 350 mm，總寬10 000 mm，總厚2 100 mm；閘門的止水寬(8 120±2)mm，高(20 560±2)mm。主支承和反向支承間距均為(9 000±2)mm，側(cè)輪間距為(7 720±3)mm。除底節(jié)閘門因布置底止水及底緣傾角要求以及頂節(jié)閘門布置頂止水和閘門吊耳的需要而不同外，其他5節(jié)閘門為了簡化設(shè)計、制造、安裝工藝，均采用了相同的結(jié)構(gòu)形式。

頂節(jié)閘門受水壓力最小，為了節(jié)約工程量，簡化制造加工難度，采用了2根焊接工字型斷面主梁。中間5節(jié)均采用了3根焊接工字型斷面主梁，主梁等間距布置，簡化加工制造工藝，降低成本。各節(jié)在頂、底部設(shè)置了相同的槽鋼36a作為頂、底次梁。主梁間為了簡化閘門結(jié)構(gòu)未考慮設(shè)置次梁。各節(jié)閘門均由主梁上翼緣與閘門面板焊接，由面板、主梁、縱隔板、頂、底次梁共同組成閘門門葉主承力框架結(jié)構(gòu)，并將承擔的水壓力通過閘門邊梁傳遞給主輪及支承滑塊，最終傳遞到門槽主軌和門槽混凝土閘礅上。閘門結(jié)構(gòu)以受力最大及接觸水流流態(tài)最復雜的底節(jié)閘門作為控制計算對象。一般動水關(guān)閉的閘門底主梁到底止水的傾角要求應(yīng)大于30°，以便于底緣水流的充分補氣。而黃登水電站1號導流洞封堵閘門如果考慮滿足底傾角大于30°，由于承受的總水壓力非常大，主梁高度較高，則會造成底主梁距離閘門的底緣距離過遠，閘門底部區(qū)格過寬，以此為控制區(qū)格計算，閘門面板將會過厚，如果閘門面板取為各區(qū)格厚度不一，那么對于一次性使用的導流封堵閘門來說，均會增加成本；同時，底主梁的荷載也會明顯偏大于其余兩根主梁，除不經(jīng)濟外，也給主支承輪的布置帶來了很大的困難。故設(shè)計中經(jīng)綜合比較，考慮了一種最簡單經(jīng)濟的布置設(shè)計方案，即將底主梁與閘門底緣間距適當縮小，在滿足3根主梁等間距布置以便布置主輪及滑塊支承結(jié)構(gòu)和簡化制造加工工藝，降低成本的基礎(chǔ)上，為了滿足閘門底緣充分補氣的要求，在底節(jié)閘門的3根主梁腹板上的每一個橫向區(qū)格均開設(shè)Φ200 mm的通氣孔，在閘門底緣入水流態(tài)比較復雜紊亂時，能通過未入水區(qū)格的通氣孔向閘門底緣補氣。對于各個通氣孔，由于是在閘門主梁的腹板上開設(shè)，客觀上削弱了主梁結(jié)構(gòu)，采用了設(shè)置加勁環(huán)結(jié)構(gòu)進行加強。

2.2 閘門主支承設(shè)計

常規(guī)導流洞封堵閘門由于下閘時均考慮在較安全的枯期，來流量較小，下閘水頭均不高，一般為10 m以下，個別超大型工程采用了其他安全措施手段后，下閘水頭可控制在20 m以下。黃登水電站要求1號導流洞封堵閘門能夠在27 m水頭下動水下閘關(guān)閉孔口，封堵1號導流隧洞,且設(shè)計下閘后擋水水頭高達146 m，承受的總水壓力高達226 580 kN。假如采用常規(guī)導流洞封堵閘門的滑動支承方式，經(jīng)計算即使采用國內(nèi)最高強度、高承載力的復合滑道材料，其滑道線荷載值也無法滿足相關(guān)要求，而且滑動摩擦力巨大，導致閘門在設(shè)計下閘水頭下靠自重下門關(guān)閉困難，要求的配套啟閉機更是容量巨大，不僅實現(xiàn)難度大，工程造價也將很高。故采用常規(guī)滑動支承的閘門方案不成立。如果考慮采用滾輪作為閘門的主支承，雖然滾動摩阻力遠小于滑動摩阻力，可以解決閘門在設(shè)計下閘水頭下的自重下門關(guān)閉問題，也可以大幅降低啟閉機容量，但是經(jīng)計算，每個輪子的承壓力將大于8 000 kN，這對于國內(nèi)目前的材料及加工制造水平是無法做到的。如采用鏈輪閘門方案，通過多個主輪及分散主輪荷載的履帶，可以降低每個輪子的荷載，同時由履帶均勻分布輪子荷載至主軌上，也可改善主軌的荷載受力條件。此種鏈輪閘門已成功運用于國內(nèi)東江、天生橋一級、漫灣、小灣電站的超高水頭大荷載平面閘門上，有豐富的成功實踐經(jīng)驗。但是鏈輪閘門對門槽、門葉的材料、制造、加工、安裝精度要求均非常嚴苛，往往造成成本是普通平面滾輪閘門的數(shù)倍，將其運用于臨時性一次使用的導流封堵閘門上是非常不經(jīng)濟的。

在設(shè)計黃登水電站1號導流洞封堵閘門時，設(shè)計者考慮采用了一種不同于以上各方案的非常規(guī)設(shè)計方案：采用定輪加鋼滑塊組合的主支承方式。主輪與主軌的接觸面高于鋼滑塊與主軌的接觸面3 mm，在設(shè)計下閘水頭下由于水壓力作用定輪支承先于鋼滑道與主軌接觸，閘門由滾輪運行下閘，這時下閘水頭僅為27 m，滾輪的荷載不大，輪子材料及制造安裝完全沒有問題，同時由于采用了滾動摩擦，大大降低了摩阻力，實現(xiàn)了閘門可以依靠自重下門關(guān)閉，也大大降低了所配備的啟閉機容量，大大降低了工程投資。但下閘成功后，導流洞封堵關(guān)閉，水庫開始蓄水，水位上升，閘門所承受的水壓力將不斷增加，當閘門擋水水頭超過43 m以后，主輪軸將無法承受增大的水壓力荷載，產(chǎn)生彈性變形，而這時設(shè)置在各節(jié)主輪間的鋼滑塊將與主軌接觸，和變形的主輪一起承擔起傳遞水壓力荷載至主軌和閘墩上的任務(wù)。導流封堵閘門為一次性使用，閘門下閘后將不再啟門，變形的主輪不會對導流封堵閘門的使用功能造成影響。此種設(shè)計已在天生橋一級水電站工程導流洞封堵閘門中有過成功運用的先例。同時，在瑞士COLENCO公司為緬甸瑞麗江三級水電站導流洞進口封堵閘門所作的相關(guān)設(shè)計中也采用了這一方案。

2.3 門槽設(shè)計

1號導流洞封堵閘門根據(jù)水工導流洞進口整體體形布置，設(shè)置為窄高型的的潛孔孔口，下游止水，上游孔口頂部與水工的進口曲線捏合，下游門楣處采用1∶19.8的壓坡過渡與門后導流洞頂部銜接。導流封堵閘門門槽按照常規(guī)布置將選擇為全鋼襯的Ⅱ型門槽過水斷面。因該導流隧洞過流時間長達4年以上，設(shè)計時考慮將門槽過流斷面采用一種門槽保護裝置對過流門槽的兩側(cè)進行保護，如此則傳統(tǒng)的Ⅱ型門槽反而使下游門槽的斜坡與門槽保護裝置的鋼結(jié)構(gòu)存在一個轉(zhuǎn)折過渡的折角，不利于消除水流的邊界突變。故舍棄了常規(guī)的Ⅱ型門槽結(jié)構(gòu)，直接采用Ⅰ型門槽與門槽保護裝置配合組合。即采用一種焊接鋼結(jié)構(gòu)填平兩側(cè)門槽段所固有的凹槽，與門槽的上游反軌和下游主軌的過流面搭接在一起，整體形成一個平順的過流表面，使門槽兩側(cè)與隧洞洞壁基本處于同一平面上，水流在通過門槽段的兩側(cè)時不存在常規(guī)門槽存在的明顯的水流邊界突變，防止門槽段因邊界突變導致的空蝕破壞現(xiàn)象。門槽保護裝置在門槽底檻、門楣、主、反軌等埋件安裝完畢后再放入門槽孔口過流段，門槽保護裝置采用背面設(shè)置抓鉤與門槽埋件上預設(shè)的抓鉤軌道配合，并設(shè)置了攔沙水封結(jié)構(gòu)。如此設(shè)計，一方面可固定住門槽保護裝置使其與主、反軌的過流面構(gòu)成同一個過流平面，保護住設(shè)置在門槽主、反軌內(nèi)側(cè)凹槽里的水封工作面，主支承工作面，側(cè)、反向?qū)蚬ぷ髅娴扰c閘門結(jié)構(gòu)緊密配合的重要工作面，避免其在長期的導流期內(nèi)受到水流沖刷及泥沙磨蝕等的影響，以及可能存在的泥沙、懸移質(zhì)等堆積在門槽凹槽內(nèi)，妨礙封堵閘門下閘；另一方面可以在導流結(jié)束后封堵閘門下閘前的枯水季低水位條件下，方便地采用臨時起吊設(shè)備將門槽保護裝置從門槽孔口內(nèi)移除，進行門槽的探摸檢查及封堵閘門下閘工作。

封堵閘門門槽主軌采用工字形斷面鑄造，材料為ZG35CrMo，具有較高的強度來承受封堵閘門下閘后所承擔的巨大水壓力荷載。主軌的過流邊及水封座板邊、保護門槽導軌邊均采用了Q345鋼板與1Cr18Ni9組焊的結(jié)構(gòu)，組焊結(jié)構(gòu)與鑄鋼件采用螺栓組合連接成為一體化的主軌，既發(fā)揮了各自材料的特點又便于制造施工。門槽設(shè)置了反軌及側(cè)向護板，其上設(shè)置有閘門反、側(cè)向的導向裝置運行工作面，保證封堵閘門門槽的安裝精度以及控制封堵閘門下閘運行時的反向、側(cè)向位置。反軌及側(cè)向護板上還設(shè)置了保護門槽側(cè)向鉤子及滑槽，用來固定及限位保護門槽。反軌、側(cè)向護板、底檻結(jié)構(gòu)、門楣結(jié)構(gòu)、保護門槽全部采用了方便制造、安裝的Q345焊接組合斷面結(jié)構(gòu)。使門槽段所有過流面均在鋼襯結(jié)構(gòu)防護之下，提高了過流面的表面光潔度及抗沖涮磨蝕性能，同時也保證了門槽段施工安裝精度及門槽強度，方便與封堵閘門的運行配合。

3 結(jié)語及建議

目前，黃登水電站1號導流洞封堵閘門已于2017年11月10日按照既定計劃順利下閘封堵。經(jīng)現(xiàn)場檢查，相關(guān)各項指標正常。閘門下閘順利，止水效果良好，達到了預期的設(shè)計目的。通過黃登水電站1號導流洞封堵閘門設(shè)計，總結(jié)了如下結(jié)論和建議：

(1)導流洞封堵閘門雖然是一次性使用的臨時設(shè)備，各方往往對其重視不夠，但其實卻是一個水電站工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備中極其重要的關(guān)鍵設(shè)備，它關(guān)系著一個工程能否順利實現(xiàn)下閘蓄水發(fā)電，還關(guān)乎著下游庫區(qū)人民生命及財產(chǎn)的安全，必須引起高度重視，且應(yīng)從工程的前期及總體導流方案布置就要充分認識到其功能實現(xiàn)和安全的重要性。下閘方案準備、下閘前的檢查探摸及應(yīng)急預案設(shè)置、應(yīng)急設(shè)備、物資材料的準備應(yīng)提前進行，有條件時可提前進行相關(guān)預演。

(2)導流洞封堵閘門門槽往往是一個水電項目中過流時間最長的門槽，在導流期內(nèi)一直承受水流的沖刷、磨蝕等各種不利因素的考驗。因此，從導流洞的土建總體過流體形布置及金屬結(jié)構(gòu)門槽設(shè)計均應(yīng)考慮以上的惡劣使用條件，采取穩(wěn)妥可靠的工程措施確保在整個導流期內(nèi)門槽結(jié)構(gòu)及土建閘墩的完好無損，為成功下閘創(chuàng)造基本條件；還應(yīng)考慮備用的下閘封堵措施，以防止一旦導流洞封堵閘門下閘出現(xiàn)意外，造成損失。門槽保護裝置提出孔口的時間應(yīng)盡量靠近封堵閘門下閘時間，以縮短門槽段無保護過流時間。從國內(nèi)及國際上的一些工程實例來看，已不僅僅是依靠一道封堵閘門來下閘封堵，而是考慮采用兩道封堵閘門的備用措施，以大大提高下閘封堵的安全性。

(3)導流洞弧門動水啟閉的安全性要遠大于平板閘門，而且弧門的門槽水力學條件遠優(yōu)于平板閘門門槽，導流期長期過流水流條件好，弧門局部開啟條件也優(yōu)于平板閘門，在蓄水初期可參與調(diào)蓄下泄流量，控制水位，釋放生態(tài)流量等。雖然表面看來增加了工程投資，但運行的安全性、靈活性大大提高，從工程總體投資風險效益評估來看是非常值得的。