夾巖水利樞紐工程壩后電站取水口金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案比選

楊松 謝濤 黃鵬飛

摘要：貴州省夾巖水利樞紐工程水庫取水范圍較大，為了滿足引水質(zhì)量的要求，實(shí)施分層取水。結(jié)合工程實(shí)際對(duì)設(shè)置多層取水口和疊梁門的兩種分層取水方式進(jìn)行了比選，最終確定采用布置多層取水口的方案。介紹了壩后電站取水口金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的布置、選型及設(shè)計(jì)思路。經(jīng)論證，該工程金屬結(jié)構(gòu)布置緊湊、結(jié)構(gòu)合理、工程量經(jīng)濟(jì)、設(shè)備運(yùn)行維護(hù)良好，可供同類工程設(shè)計(jì)參考。

關(guān)鍵詞：金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);多層取水口;疊梁閘門;夾巖水利樞紐工程;貴州省

中圖法分類號(hào)：TV34文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.09.011

Abstract： The water intake of the power station of Jiayan Hydro-complex Project covers a large range. To meet the water quality requirement， layered water intake was schemed. Two water intaking schemes of multi-layer water intaking and stoplog gate were compared by considering the construction conditions. The multi-layer water intaking scheme was adopted. The layout， type selection and design ideas of the metal structure of the water intake of the hydropower station behind the dam are introduced. The demonstration showed that the metal structure of the project is compact in layout， reasonable in structure， economic in engineering quantity and easy in equipment operation and maintenance. The design can be used as reference for similar projects.

Key words： metal structure design; layered water intake; stoplog gate; Jiayan Hydro-complex Project; Guizhou Province

1 工程概況

貴州省夾巖水利樞紐及黔西北供水工程（以下簡稱“夾巖工程”）以供水和灌溉為主，兼顧發(fā)電，并為區(qū)域生態(tài)環(huán)境的改善創(chuàng)造條件。工程設(shè)計(jì)灌溉面積約為6萬hm2（90.03萬畝），總供水人口267萬人，年平均發(fā)電量2.2億kW·h。夾巖工程大壩壩頂高程1 329.20 m，校核洪水位1 326.01 m，設(shè)計(jì)洪水位1 324.07 m，正常蓄水位1 323 m，死水位1 305 m，電站裝有3臺(tái)機(jī)組，總裝機(jī)容量90 MW。水庫總庫容13.25億m3，擋水大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高154.00 m，大壩建成后，年均供水量6.93億m3，為Ⅰ等大⑴型工程。樞紐工程主要由水源工程、畢大供水工程和灌區(qū)骨干輸水工程3個(gè)部分組成。水源壩址位于烏江流域六沖河中游（七星關(guān)區(qū)與納雍縣界河）河段上。水源工程主要建筑物包括大壩、溢洪道、泄洪兼放空隧洞、低位放空洞、發(fā)電引水隧洞、壩后電站等。本文主要研究壩后電站取水口金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的選型、布置及設(shè)計(jì)思路和方法。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市工業(yè)、生態(tài)、灌溉及生活用水對(duì)原水的質(zhì)量要求越來越高，希望從水庫源頭中取到優(yōu)質(zhì)水，作為大體積水體，庫水的水溫、溶解氧、三氮、總大腸菌群及鐵錳含量等主要水質(zhì)指標(biāo)隨著水位的變化呈規(guī)律分布。夾巖工程水庫取水范圍較大，為了滿足引水的質(zhì)量要求，實(shí)施分層取水[1-2]。夾巖工程壩后電站取水口采用設(shè)置多層取水口的布置方式。

2 金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

2.1 分層取水方案的比選

取水方案的合理性取決于合理的取水方式，結(jié)合國內(nèi)外眾多工程實(shí)際來看，目前較成熟及應(yīng)用較多的分層取水方案有設(shè)置多層取水口方案和采用疊梁門方案。

根據(jù)夾巖工程的功能需要，壩后電站取水口需要取20 m以內(nèi)的表層水體，工程取水口井筒高度為37.20 m，擋水高度34.01 m。若采用疊梁門取水方案，根據(jù)整體布置要求，孔口寬度為6.8 m，考慮閘門的結(jié)構(gòu)，布置單節(jié)閘門高度初定為6.0 m，共6節(jié)，單節(jié)閘門門體估重50 t，共300 t;埋件估重30 t，共計(jì)330 t。此方案可恒定取6 m以內(nèi)的表層水體，滿足取水要求。若采用設(shè)置多層取水口方案，考慮設(shè)置2層即可，孔口寬度為6.8 m，單層閘門高度初定為6.0 m，下層閘門估重50 t，拉桿估重15 t，埋件估重30 t;上層閘門估重40 t，拉桿估重6 t，埋件估重20 t;共計(jì)161 t，滿足取水要求。通過對(duì)比，兩種分層取水方案均能滿足夾巖工程取水要求，但采用布置多層取水口方案，更節(jié)省金屬結(jié)構(gòu)的工程量。

2.2 分層取水方案的具體布置

根據(jù)方案對(duì)比，夾巖工程壩后電站取水口采用多層取水口的分層取水布置方式，考慮庫水位的變幅及取水范圍要求，于不同高程上下布置2層取水口，每層取水口均設(shè)置一道隔水閘門，根據(jù)水庫水位變化及取水深度要求，開啟或關(guān)閉相應(yīng)高程的閘門，達(dá)到取得表層水體的目的[3]。為防止污物進(jìn)入取水隧洞，在隔水閘門前設(shè)置攔污柵，減小過柵流速，設(shè)兩孔并排攔污柵。一般運(yùn)行情況下，每層隔水閘門均由1套液壓啟閉機(jī)啟閉，壩頂設(shè)置1臺(tái)門機(jī)，當(dāng)隔水閘門需要吊出檢修時(shí)，由門機(jī)吊至壩頂，同時(shí)，門機(jī)也作為兩孔攔污柵的啟閉設(shè)備。

夾巖工程壩后電站取水口進(jìn)口處金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備共設(shè)置有閘門2扇，門槽埋件2孔，攔污柵2扇，柵槽埋件2孔，液壓啟閉機(jī)2套，門機(jī)1臺(tái)（配備清污機(jī)），具體布置如圖1所示。

2.2.1 壩后電站取水口進(jìn)口攔污柵

夾巖工程在壩后電站取水口進(jìn)口處設(shè)置有2套攔污柵，并排布置，攔污柵孔口尺寸均為5.4m×37m（寬×高），設(shè)計(jì)水位差均為4 m，運(yùn)行方式為靜水啟閉，攔污柵的底檻高程均為1 292.00 m，取水塔頂高程為1 329.00 m（壩頂高程）。為方便提柵維護(hù)檢修，采用露頂平面直立活動(dòng)式攔污柵，檢修平臺(tái)均設(shè)置在壩頂高程上。

壩后電站取水口進(jìn)口攔污柵柵體主材及柵槽埋件主材均為Q345B碳素結(jié)構(gòu)鋼。由于攔污柵孔口高度較高，柵體共分12節(jié)，節(jié)間使用連接板連接，單節(jié)攔污柵柵體重8 t，單孔共12節(jié)，2孔攔污柵柵體合計(jì)重192 t，單孔攔污柵埋件重22.5 t，2孔埋件合計(jì)重45 t。

壩后電站取水口進(jìn)口2孔攔污柵共用1臺(tái)型號(hào)規(guī)格為QPM 2×800kN-11/17m的雙向門式移動(dòng)啟閉機(jī)，雙吊點(diǎn)，吊點(diǎn)間距5.6 m，啟柵容量為2×800 kN，揚(yáng)程共17 m，軌上揚(yáng)高11 m。攔污柵的清污方式設(shè)置為機(jī)械清污，2套攔污柵共用1套型號(hào)規(guī)格為GD50kN-54m的液壓懸掛式清污機(jī)抓斗進(jìn)行清污，清污機(jī)抓斗1次清污容量為50 kN，清污機(jī)設(shè)置在門機(jī)上。

為確保攔污柵安全運(yùn)行，2孔攔污柵前后設(shè)置有1套水位差計(jì)（每套水位差計(jì)包含2套水位儀、1套帶防雷及報(bào)警裝置的顯示器、電纜長度分別約60 m），水位差信號(hào)需接入啟閉機(jī)控制系統(tǒng)，以監(jiān)測(cè)攔污柵攔截污物情況，當(dāng)水位差大于2 m時(shí)應(yīng)及時(shí)清污并報(bào)警。

2.2.2 壩后電站取水口進(jìn)口隔水閘門

夾巖工程在壩后電站取水口進(jìn)口攔污柵的下游處設(shè)置有上、下2層取水口，在每層取水口進(jìn)口處均設(shè)置有1扇隔水閘門，設(shè)置有上、下2層隔水閘門。

上層隔水閘門的底檻高程為1 303.00 m，孔口尺寸為6.8 m×6.8 m（寬×高），設(shè)計(jì)水頭為24 m。上層隔水閘門為潛孔式平面定輪鋼閘門，主支承為簡支輪。采用上游止水，設(shè)置了刀型底止水和頂、側(cè)P型止水。門體和埋件主材均選用Q345B碳素結(jié)構(gòu)鋼，門體重42.6 t（含吊桿），主軌、反軌、底檻和門楣埋件共重22.5 t。閘門利用自重加水柱閉門，動(dòng)閉靜啟。為確保閘門的安全運(yùn)行與操作，上層隔水閘門設(shè)置1套水位差計(jì)，水位差信號(hào)需接入啟閉機(jī)控制系統(tǒng)，便于監(jiān)控閘門的充水平壓，當(dāng)水位差大于 3 m時(shí)不能進(jìn)行啟門操作。

下層隔水閘門的底檻高程為1 292.00 mm，孔口尺寸為6.8 m×6.8 m（寬×高），設(shè)計(jì)水頭為35 m。下層隔水閘門為潛孔式平面定輪鋼閘門，主支承為簡支輪。采用上游止水，共設(shè)置了刀型底止水和頂、側(cè)P型止水。門體和埋件主材均選用Q345B碳素結(jié)構(gòu)鋼，門體重54.5 t（含吊桿），主軌、反軌、底檻和門楣埋件共重31.5 t。閘門利用自重加水柱閉門，動(dòng)閉靜啟。為確保閘門的安全運(yùn)行與操作，下層隔水閘門設(shè)置有1套水位差計(jì)，水位差信號(hào)需接入啟閉機(jī)控制系統(tǒng)，便于監(jiān)控閘門的充水平壓，當(dāng)水位差大于3 m時(shí)不能進(jìn)行啟門操作。

上、下層隔水閘門的運(yùn)行方式均為動(dòng)閉靜啟，在各層閘門開啟前，閘門上、下游的水位差應(yīng)小于3 m。當(dāng)上層隔水閘門的水位差大于3 m時(shí)，利用下層隔水閘門充水閥進(jìn)行充水平壓;當(dāng)下層隔水閘門水位差大于3 m時(shí)，應(yīng)先打開下層隔水閘門充水閥進(jìn)行充水平壓，待閘門上、下游水位差不大于3 m時(shí)，才能開啟閘門。為滿足取表層溫水的取水需要，在水庫取水時(shí)段，當(dāng)水庫庫水位在1 315.00 m以上時(shí)，打開上層隔水閘門取水，此時(shí)下層隔水閘門處于關(guān)閉擋水狀態(tài);當(dāng)水庫庫水位在1 315.00～1 305.00 m時(shí)，打開下層隔水閘門取水，下層隔水閘門開啟取水水位宜在1 315.00 m以下;當(dāng)庫水位上升時(shí)，按以上分層取水水位依次關(guān)閉各層閘門，當(dāng)下游不需要取水、需要維護(hù)檢修或出現(xiàn)事故時(shí)，動(dòng)水關(guān)閉所有的隔水閘門作為事故閘門擋水使用。

2扇隔水閘門的啟閉運(yùn)行各采用1套型號(hào)規(guī)格為QPPYⅡ2×1000kN-7.5m的液壓啟閉機(jī)控制，啟閉機(jī)油缸安裝高程為壩頂高程1 329.00 m。2孔攔污柵的啟閉和2扇隔水閘門的提閘檢修共用1臺(tái)型號(hào)規(guī)格為QPM 2×800kN-11/17m的雙向門式移動(dòng)啟閉機(jī)控制，雙吊點(diǎn)，起吊攔污柵時(shí)吊點(diǎn)間距為5.6 m，起吊閘門時(shí)加平衡梁將吊點(diǎn)間距變?yōu)?.38 m起吊閘門，門機(jī)容量為2×800 kN，揚(yáng)程共17 m，軌上揚(yáng)高11 m，門機(jī)設(shè)置在壩頂高程上，軌道安裝高程為1 329.00 m。

3 結(jié) 論

通過對(duì)夾巖工程壩后電站取水口工程實(shí)際進(jìn)行分析，選定了設(shè)置多層取水口的分層取水方案，并按照此方案進(jìn)行了具體布置，得到以下經(jīng)驗(yàn)。

（1）分層取水可實(shí)現(xiàn)取水庫一定高度的表層水體，維持取水隧道內(nèi)及下游河道中的水溫，若未設(shè)置分層取水設(shè)施，取水管內(nèi)水質(zhì)將直接影響供水質(zhì)量，經(jīng)處理后仍可能不達(dá)標(biāo)。水庫蓄水初期，淹沒的植物腐爛釋放出的有機(jī)物質(zhì)將對(duì)水庫水質(zhì)產(chǎn)生一定影響，雖然庫底清理可解決上述問題，但考慮到庫底清理難度較大，通過對(duì)金屬結(jié)構(gòu)分層取水的合理布置和優(yōu)化選型設(shè)計(jì)，可提高水庫供水水質(zhì)保證率。

（2）分層取水方案的選擇應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際，在滿足取水要求的基礎(chǔ)上，盡可能節(jié)省工程量。若對(duì)取表層水體的要求不高，一次取水的高度范圍較大，可考慮采用設(shè)置多層取水口的取水方式;若對(duì)取表層水體的要求較高，一次取水的高度范圍較小，若設(shè)置多層取水口顯然布置上會(huì)很密集，此時(shí)考慮采用疊梁門的布置方式更為合理。

（3）攔污柵及閘門共用門機(jī)起吊，簡化了壩頂土建結(jié)構(gòu)，壩面簡潔美觀，設(shè)備利用率高，節(jié)約了土建及金屬結(jié)構(gòu)工程量。

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（編輯：李 慧）