大藤峽水利樞紐工程關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新及應(yīng)用

鄧勛發(fā)，鄧 森，黃天寶，陳規(guī)劃

（廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責任公司，530200，南寧）

大藤峽水利樞紐工程（以下簡稱大藤峽工程）是國家172 項節(jié)水供水重大水利工程的標志性工程，是珠江流域的關(guān)鍵控制性工程，具有防洪、航運、發(fā)電、水資源配置、灌溉等綜合效益。大藤峽工程規(guī)模和多項技術(shù)指標處于國內(nèi)外同類工程前列，船閘是目前世界上已建水頭最高的單級船閘，泄水閘高、低孔弧形工作閘門總推力位于國內(nèi)同類工程前列，低水頭大容量軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組的設(shè)計制造難度突破國內(nèi)外同類機組水平，南木江生態(tài)魚道為目前國內(nèi)規(guī)模最大的生態(tài)魚道。項目法人廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責任公司（以下簡稱大藤峽公司）組織國內(nèi)知名科研院所開展了超高水頭船閘輸水系統(tǒng)、船閘超大金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備、大型軸流發(fā)電機組結(jié)構(gòu)及性能優(yōu)化、泄水閘弧門超大推力閘墩結(jié)構(gòu)及安全、水庫綜合調(diào)度及流域水庫群聯(lián)合調(diào)度運用研究及工程施工等六大類關(guān)鍵技術(shù)40多項科研項目攻關(guān)，取得系列創(chuàng)新研究成果，解決了工程關(guān)鍵技術(shù)難題，為工程設(shè)計、設(shè)備制造安裝提供了技術(shù)支撐。

一、建設(shè)國內(nèi)外水頭最高、規(guī)模最大的單級船閘

1.創(chuàng)新超高水頭船閘輸水系統(tǒng)

大藤峽船閘設(shè)計通航最大船舶噸級為3000 t，船閘級別為Ⅰ級，閘室有效尺寸為280 m×34 m×5.8 m，船閘最高通航水頭40.25 m，一次充泄水量最大達42萬m3，是三峽船閘的1.8倍，為目前國內(nèi)外已建單級船閘之最。高水頭船閘輸水系統(tǒng)流量大、流速高，輸水廊道閥門段、第一分流口、第二分流口等輸水系統(tǒng)關(guān)鍵部位水力學(xué)問題突出。

大藤峽公司組織中水東北勘測設(shè)計研究有限責任公司（以下簡稱中水東北公司）、長江科學(xué)院、南京水利科學(xué)研究院、武漢大學(xué)等多家科研單位開展超高水頭船閘輸水系統(tǒng)整體及局部水力學(xué)模型等8 個平行試驗研究，對輸水系統(tǒng)第一分流口、第二分流口及充泄水閥門段廊道等關(guān)鍵部位的水流流態(tài)、分流流量、壓力分布、體型及船舶停泊條件等進行平行對比試驗研究，取得系列創(chuàng)新成果。研究成果通過水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院驗收，并應(yīng)用于船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計。船閘進水口采用側(cè)向垂直多支孔分散進水的方式，部分自引航道內(nèi)取水，部分自庫區(qū)取水，出水口采用泄水箱涵將閘室水體泄入右側(cè)尾水渠；第一分流口采用T 形管處設(shè)置不對稱分流脊的立體分流體型；第二分流口采用加設(shè)分流脊的自分流體型，為世界首創(chuàng)；充水閥門段跌坎采用垂直型式，升坎采用五次曲線體型。原型監(jiān)測成果表明，優(yōu)化后的四區(qū)段八分支廊道蓋板消能（自分流）輸水系統(tǒng)水力特性、廊道壓力特性、船舶停泊條件均滿足規(guī)范要求，船閘充、泄水運行時，閘、閥門整體運行狀況良好，閘室水面升降平穩(wěn)，各技術(shù)指標均滿足設(shè)計規(guī)范要求。

2.國內(nèi)外最大船閘人字閘門制造安裝

船閘下閘首人字閘門高47.5 m、寬20.2 m、厚3.2 m，重1295 t，面積相當于2.5個標準籃球場大，比三峽船閘人字閘門高9 m、重500 t，規(guī)模為目前世界最大，堪稱“天下第一門”。每扇門葉結(jié)構(gòu)分十二節(jié)，制造后運達現(xiàn)場安裝焊接成整體。下閘首人字閘門的制造、安裝以及轉(zhuǎn)軸支撐均屬世界級難題。

大藤峽公司組織中水東北公司聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)、武漢大學(xué)、南京水利科學(xué)研究院等開展人字閘門結(jié)構(gòu)、水動力及啟閉特性，液壓啟閉機撓度和穩(wěn)定性，底樞及潤滑結(jié)構(gòu)等7個試驗項目研究。人字閘門底樞“蘑菇頭”直徑1.2 m，是三峽閘門底樞“蘑菇頭”直徑的1.2 倍，通過多方案試驗對比，選用高碳高鉻不銹軸承鋼鑄鍛、高力黃銅鑲嵌無鉛PTFE類固體潤滑劑，耐磨性能好，為國內(nèi)外首創(chuàng)。人字閘門液壓啟閉機細長液壓缸與活塞桿大比尺（1∶5）模型試驗研究表明，長18.4 m 的液壓缸、直徑0.38 m 的活塞桿滿足強度、剛度及穩(wěn)定性要求，可安全穩(wěn)定地控制巨型人字閘門運行。

“蘑菇頭”為國內(nèi)首次選用高碳高鉻不銹鋼新材質(zhì)鑄鍛，制造難度巨大。為降低風險，大藤峽公司多次組織專家咨詢，委托國內(nèi)兩家高資質(zhì)公司同時鑄鍛，互為備用，提高供貨保證率，有效解決熱處理難度高、材料變形抗力大、鍛造易開裂等多項技術(shù)難題，及時完成制造任務(wù)，確保船閘人字閘門按時完成安裝。

人字閘門門軸柱和斜接柱是兩扇人字閘門形成三角拱支承的直接受力構(gòu)件，除承受自身重量外，還傳遞整扇閘門的巨大水壓力。該部位空間狹小、板材厚、焊縫多，焊后容易產(chǎn)生過大的殘余應(yīng)力，對閘門的受力不利。武昌船舶重工集團有限公司在人字閘門邊單元制造過程中，對小部件進行整體退火消應(yīng)力處理，再分段進行振動消應(yīng)力處理，在制造全周期內(nèi)分階段進行焊接應(yīng)力消除，有效降低焊接殘余應(yīng)力，保證結(jié)構(gòu)安全。

下閘首人字閘門最大板厚100 mm，推力隔板厚50 mm，材質(zhì)為Q390GJDZ25，首次運用在水工閘門上。制造單位制定預(yù)焊接作業(yè)指導(dǎo)書，通過無損檢測、力學(xué)性能驗證焊接試件的焊接工藝和焊縫參數(shù)的可行性；根據(jù)評定確定焊接工藝、焊接參數(shù)，編制焊接工藝規(guī)程；確定門體制造的分段形式、工藝流程，將門體分為部件制造、邊單元制造、中部單元制造和門體總拼裝四個階段實施。

下閘首人字閘門體型巨大、重量巨大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、焊接量大，背拉桿預(yù)應(yīng)力層數(shù)多、受力狀態(tài)復(fù)雜，現(xiàn)場起吊和焊接變形控制難度大，安裝控制要求高，剛性止水要求精度達0.05 mm。葛洲壩公司組織開展人字閘門吊裝、焊接變形質(zhì)量控制、三層背拉桿預(yù)應(yīng)力調(diào)節(jié)等聯(lián)合攻關(guān)，對人字閘門分節(jié)運輸方案、頂樞A和B桿拉架預(yù)應(yīng)力錨桿安裝技術(shù)、背拉桿預(yù)應(yīng)力施加方案、底樞與頂蓋液氮冷卻過盈配合工藝等進行研究，確保安裝關(guān)鍵工序技術(shù)可控、方案可行。

二、自主設(shè)計、制造、安裝國內(nèi)最大軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組

大藤峽左右岸電站共安裝8臺自主設(shè)計、制造、安裝的國內(nèi)最大軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組，單機容量20萬kW，水輪機轉(zhuǎn)輪直徑10.4 m，發(fā)電機定子鐵芯外徑17.2 m，轉(zhuǎn)子最大直徑16.4 m，起吊總重量940 t。機組尺寸巨大，技術(shù)復(fù)雜，設(shè)計、制造、運輸、安裝調(diào)試難度極高。

大藤峽公司組織中水東北公司、浙江富春江水電設(shè)備有限公司進行攻關(guān)，研發(fā)出性能優(yōu)秀、適合大藤峽水力特性和實際特點的模型轉(zhuǎn)輪，并在真機運行中得到了檢驗。水輪機重要的零部件均采用三維設(shè)計、三維實體仿真有限元計算，均在數(shù)控機床上加工、廠內(nèi)預(yù)裝和試驗，確保了水輪機整體質(zhì)量。創(chuàng)新設(shè)計活塞位于轉(zhuǎn)輪葉片樞軸下方的新型結(jié)構(gòu)及一系列專用安裝工具，直接采用立式裝配并吊裝的解決方案，成功解決了缸動式結(jié)構(gòu)和常規(guī)活塞式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)輪在裝配后需要翻身再進行吊裝的技術(shù)難題，為轉(zhuǎn)輪安裝和檢修帶來便利，保證安裝人員人身安全及轉(zhuǎn)輪內(nèi)零部件在翻身過程中免受損傷，提高了安裝效率，縮短了安裝時間，保證了施工安全。水輪機座環(huán)使用座環(huán)專用車床，加工精度和效率更高，提高了制造精度，縮短了制造時間。

針對水輪發(fā)電機低轉(zhuǎn)速、大推力負荷的特點，大藤峽公司組織中水東北公司、哈爾濱電機廠進行技術(shù)攻關(guān)，采用在巨型機組廣泛應(yīng)用的小支柱推力軸承和斜支臂轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，確保各推力瓦受力均勻，縮小各推力瓦的溫差。以斜支臂推力結(jié)構(gòu)改善轉(zhuǎn)子支架的受力，確保轉(zhuǎn)子支架和磁軛的分離轉(zhuǎn)速不低于額定轉(zhuǎn)速的1.4倍，保證了機組的長期安全穩(wěn)定運行。針對大藤峽水輪發(fā)電機直徑大、高度低的結(jié)構(gòu)特點，持續(xù)開展設(shè)計優(yōu)化與工藝改進，通過剛強度計算和有效增加結(jié)構(gòu)部件重量，解決了機組上機架、下機架、轉(zhuǎn)子支架和定子機座等重要部件剛度性能提升難題，成功攻克轉(zhuǎn)子支架加工、推力軸承瓦裝配、推力擋油管加工易變形等一系列生產(chǎn)制造難點。機組定子鐵芯重187.8 t，由20萬張硅鋼片疊裝而成，制造單位在行業(yè)規(guī)定的3 次預(yù)壓基礎(chǔ)上，增加1 次預(yù)壓，使疊壓系數(shù)達到0.97 以上，超過國標要求的0.96，并高標準控制定子圓度在0.46 mm以內(nèi)，偏差控制在2%以內(nèi)，遠高于國標要求的4%。大藤峽發(fā)電機鏡板直徑為5.2 m，與三峽發(fā)電機鏡板同一尺寸，是哈爾濱電機廠制造的最大尺寸鏡板，其形位公差要求嚴格，加工難度大，通過不斷優(yōu)化工步、工序和加工工具，確保鏡板質(zhì)量。

三、建設(shè)大流量、大推力弧形工作閘門泄水閘

大藤峽泄水閘5000 年一遇校核洪水最大下泄流量為70 700 m3/s，最大單寬流量達到176 m3/s，弗勞德數(shù)（3.1～4.3）較低，屬大泄量低弗勞德數(shù)泄洪建筑物，消能工復(fù)雜。泄水閘布置24孔低孔弧形工作閘門和2孔高孔弧形工作閘門，低孔弧形工作閘門孔口尺寸為9 m×18 m，設(shè)計水頭為39 m，單扇弧門最大推力達6820 t，弧形閘門鉸座鋼梁支撐結(jié)構(gòu)、弧門推力等在國內(nèi)同類工程中位居前列。

大藤峽公司組織中水東北公司聯(lián)合中國水利科學(xué)研究院、南京水利科學(xué)研究院、武漢大學(xué)、吉林大學(xué)、四川大學(xué)等單位，通過采用數(shù)學(xué)模型和物理模型相結(jié)合的方法，對泄水高孔（低孔）閘門水力學(xué)、水動力作用荷載特性、結(jié)構(gòu)靜力和動力特性以及結(jié)構(gòu)流激振動特性等問題進行系統(tǒng)研究，揭示了泄水工作閘門水力結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的問題，提出改善措施和閘門安全運行操作規(guī)程；通過數(shù)值模擬對泄水高孔、低孔壩段閘室預(yù)應(yīng)力閘墩及支撐型式進行了三維有限元計算分析研究，得到關(guān)鍵技術(shù)指標參數(shù)，并提出了泄水低孔采用預(yù)應(yīng)力閘墩和鋼梁結(jié)構(gòu)組合的優(yōu)化方案，確保泄水閘室閘墩安全運行；通過物理模型試驗對泄水低孔門槽及胸墻常壓、減壓條件下空化空蝕特性進行深入分析研究，得到相關(guān)特性關(guān)鍵指標參數(shù)并提出了預(yù)防措施建議；通過調(diào)查對比、資料分析、數(shù)值模擬計算等多種方法，對泄水低孔弧形閘門支承鋼梁及閘墩預(yù)應(yīng)力錨索施工工藝關(guān)鍵技術(shù)進行了系統(tǒng)深入研究，提出適合大藤峽工程施工條件的方案；通過基礎(chǔ)資料分析、數(shù)值模擬計算、物理模型試驗等多種方法，對超大推力泄水閘及其相鄰構(gòu)筑物基礎(chǔ)處理關(guān)鍵技術(shù)進行系統(tǒng)深入研究，提出泄水閘室與巖體的變形破壞模式，為大藤峽泄水閘及其相鄰構(gòu)筑物基礎(chǔ)處理提供了強有力的技術(shù)支撐；通過多方案水工模型試驗對比研究，確定合理的樞紐布置方案和消能方案，消能采用二級消力池底流消能方案，消力池分為左、中、右3個分區(qū)，較好地解決了樞紐合理布置及大流量泄洪消能問題。研究成果通過水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院驗收并應(yīng)用于泄水閘設(shè)計及安裝。

泄水閘低孔弧形工作閘門重715 t；弧形工作閘門支承鋼梁長15.1 m、重230 t，由35束鋼錨索錨固于閘墩上。泄水閘弧形工作閘門安裝工序多，安裝過程復(fù)雜，施工難度大，安全風險系數(shù)極高。中國水利水電第八工程局有限公司建立專門的弧門安裝組織機構(gòu)，對安裝技術(shù)方案進行多次論證，確保技術(shù)質(zhì)量標準落實。在施工工法上，依據(jù)弧形閘門主要構(gòu)件的重量及尺寸情況，結(jié)合安裝場地工況，采取750 t履帶吊車安裝支鉸座、增設(shè)兩臺16 t單臂橋機穿插安裝花架等措施，保障了作業(yè)安全和施工進度。

四、建設(shè)獨特的雙魚道、國內(nèi)最大的生態(tài)魚道

大藤峽工程建設(shè)會對黔江魚類洄游造成阻隔，影響區(qū)分布有在海洋至江河間洄游的魚類如花鰻鱺、鰻鱺和江湖洄游魚類如四大家魚等。為保護受工程影響的魚類，恢復(fù)河流生物多樣性，大藤峽工程建設(shè)了黔江魚道和南木江魚道雙魚道。

1.黔江魚道

黔江魚道布置在黔江右岸岸坡上，總長度3698.2 m，其中非汛期魚道長1279.8 m，汛期魚道長2418.4 m。魚道槽身為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，縱坡1∶80，寬5 m，為豎縫式魚道，豎縫寬1 m，魚池室長6 m，每隔15～20個魚池室設(shè)一個平底休息池，休息池長12 m，魚道底板設(shè)置漿砌卵石加糙。

2.南木江魚道

南木江魚道布置在南木江副壩左岸，采用工程魚道和仿生態(tài)魚道相結(jié)合的過魚方式，南木江魚道總長5537 m，其中工程魚道長1067 m，生態(tài)魚道長4470 m，工程魚道槽身為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)漿砌卵石加糙。

在施工圖設(shè)計階段，南木江魚道在滿足原設(shè)計功能的同時，結(jié)合生態(tài)景觀設(shè)計優(yōu)化了魚道治理范圍和設(shè)計。根據(jù)南木江河道地形條件，結(jié)合各種過魚種類，對流速、水深及保育中心、魚類增殖站布置、景觀綠化等進行優(yōu)化，經(jīng)過綜合比較魚道總體布置、縱坡、斷面形式及各控制高程等系列方案，最終確定將南木江魚道布置為彎彎曲曲近似天然河道的形狀，其中#1魚道生態(tài)段起點高程51.6 m，長度1440 m，縱坡1∶150，匯合口高程42.0 m；景觀湖底高程42.5 m，景觀湖雍水堰頂高程44.8 m；#2魚道生態(tài)段長度280 m，縱坡1∶100；下游總生態(tài)魚道長度2750 m，縱坡1∶250，末端高程31.0 m。

大藤峽公司組織中國水利水電科學(xué)研究院、華北水利水電大學(xué)開展數(shù)學(xué)模型及物理模型試驗，驗證魚道是否滿足魚類過魚要求。建立包含生態(tài)魚道與部分工程魚道的數(shù)學(xué)模型，模擬生態(tài)魚道進出口位置、銜接位置及魚道段的水流情況，分析水流流態(tài)和流速特征，初步判斷魚道方案的可行性及優(yōu)化方向，為物理模型提供最優(yōu)模型方案。物理模型試驗采取平面比尺1∶10～1∶12、垂直比尺1∶10～1∶12，模擬#1生態(tài)魚道、#2生態(tài)魚道及部分總生態(tài)魚道，測試各工況下生態(tài)魚道的過流能力及生態(tài)魚道內(nèi)（包括休息室）的流態(tài)、水深、流速分布狀況，檢驗魚道內(nèi)水流結(jié)構(gòu)對過魚水力條件的適應(yīng)性；測試魚道沿程水面線和流速沿程變化，分析魚道內(nèi)水流沿程能量耗散及消能對過魚水力條件的影響；驗證生態(tài)魚道平面布局、縱坡設(shè)計與斷面設(shè)計方案的合理性，并優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，以滿足魚道對水流條件的要求。

通過系列試驗及修正，確定將南木江魚道布置為近似天然河道的形狀，有淺灘、深潭、石窩、水草等，適合水生生物生長及魚類洄游等。

五、結(jié) 語

大藤峽工程多項關(guān)鍵指標處于國內(nèi)外領(lǐng)先水平。工程論證建設(shè)期，水利部成立了由潘家錚院士、鄭守仁院士等組成的大藤峽工程建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組專家咨詢組，把脈、破解工程建設(shè)重大關(guān)鍵技術(shù)難題，水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院開展工程重大科研試驗成果驗收、重大技術(shù)問題咨詢和階段驗收安全鑒定等40余次，解決了大藤峽工程泄水閘消能建筑物布置、泄水閘低孔弧門支承結(jié)構(gòu)、一期基坑巖溶涌水、大體積混凝土溫控、大江截流及船閘人字閘門、“磨菇頭”制造安裝等系列重大關(guān)鍵技術(shù)問題和施工難題，為工程設(shè)計、設(shè)備制造安裝及工程建設(shè)順利推進提供技術(shù)保障，創(chuàng)造了工程提前4個月完工、工程質(zhì)量優(yōu)良、運行安全穩(wěn)定和投資可控的水利工程新標桿。