易 偉 尹 航

喀麥隆曼維萊水電站金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計概述

易 偉 尹 航

喀麥隆曼維萊水電站是渠道引水式電站，主要包括引水發(fā)電系統(tǒng)和泄洪排沙系統(tǒng)，介紹了金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的布置及設(shè)計特點。

曼維萊水電站 引水式電站 金屬結(jié)構(gòu) 設(shè)計 閘門 布置

1 工程概況

曼維萊水電站位于喀麥隆共和國南部大區(qū)恩特姆省境內(nèi)，攔河壩位于恩特姆河上，電站為引水式，工程的主要任務(wù)是發(fā)電，最大引水流量450 m3/s，電站總裝機(jī)容量為211 MW。

根據(jù)水工總體布置，金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備分布于引水發(fā)電系統(tǒng)和首部樞紐系統(tǒng)的建筑物中。共有攔污柵18套，平板閘門27套，弧形閘門6套，門(柵)槽63套，液壓啟閉機(jī)12臺，固定卷揚式啟閉機(jī)7臺，門機(jī)3臺，清污機(jī)4臺。

2 引水發(fā)電系統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)布置設(shè)計

本工程通過渠道進(jìn)水口引入的水流，從渠道進(jìn)入電站進(jìn)水口，再通過4根鋼管進(jìn)入機(jī)組發(fā)電。

2.1 渠道進(jìn)水口金屬結(jié)構(gòu)

渠道進(jìn)水口位于大壩左側(cè)，設(shè)有10孔攔污柵、5孔進(jìn)水閘和1條沖沙洞。

渠道進(jìn)水口攔污柵用于攔截可能進(jìn)入引水渠道的污物，共10孔，其孔口參數(shù)為9.0 m×9.0 m-4 m(孔口寬度×孔口高度-設(shè)計水頭)，連通式布置。攔污柵為傾斜式表孔攔污柵，傾斜角度為80°，采用2套安裝于同一高架軌道上的抓斗移動式自動格柵清污機(jī)進(jìn)行清污。2套清污機(jī)可各自對一半的攔污柵進(jìn)行清理，也可以在另1套清污機(jī)故障時對全部攔污柵進(jìn)行清理。清污機(jī)的清污容量為20 kN。設(shè)有測量裝置用來監(jiān)視攔污柵上游和下游側(cè)的水壓差，當(dāng)水壓差超過0.5 m，進(jìn)行報警，并由清污機(jī)進(jìn)行清污。清除的污物分別存放在軌道兩端的污物箱內(nèi)，可通過拖車運走。

進(jìn)水閘位于攔污柵下游側(cè)，共5孔，每孔設(shè)置1套上游止水的平面定輪工作閘門，孔口參數(shù)為9.0 m×6.5 m-6 m，閘后為連通布置，后接1條引水渠道。閘門操作方式為動水啟閉。此工作閘門面板及止水裝置設(shè)置在上游側(cè)，底止水為條形橡皮水封，側(cè)止水為表面帶聚四氟乙烯復(fù)合層的P形橡皮水封。主支承為定輪支承，采用自潤滑復(fù)合軸套。閘門的定輪支承軌道采用鑄鋼材料，止水座板采用不銹鋼材料。閘門與固定卷揚式啟閉機(jī)直接相連。閘門為常開狀態(tài)，在檢修渠道時，關(guān)閉所有閘門進(jìn)行檢修。每套閘門通過1套2×400 kN固定卷揚式啟閉機(jī)操作，啟閉機(jī)安裝于閘頂部的啟閉機(jī)房內(nèi)。

在工作閘門上游側(cè)設(shè)1道檢修閘門門槽，5孔共用1套上游止水疊梁檢修閘門，其孔口參數(shù)為9.0 m×6.3 m-6 m，分為3節(jié)，操作方式為靜水閉門，頂節(jié)門小開度提門充水平壓后啟門。疊梁檢修閘門由2×100 kN電動葫蘆通過機(jī)械自動抓梁進(jìn)行操作，平時分別鎖定于孔口上。

2.2 電站進(jìn)水口金屬結(jié)構(gòu)

順著水流方向，電站進(jìn)水口的4個流道依次布置有攔污柵，檢修閘門，快速事故閘門；同時，在電站進(jìn)水口的底部設(shè)置有2條排沙放空管，依次布置有事故閘門和工作閘門圖1。

圖1 電站進(jìn)水口金屬結(jié)構(gòu)布置圖(鋼管進(jìn)水口)

電站進(jìn)水口攔污柵用于攔截可能進(jìn)入機(jī)組的污物，共8孔，連通式布置。攔污柵為傾斜式表孔攔污柵，傾斜角度為80o，采用2套安裝于同一高架軌道上的抓斗移動式自動格柵清污機(jī)進(jìn)行清污。2套清污機(jī)可各自對一半的攔污柵進(jìn)行清理，也可以在另1套清污機(jī)故障時對全部攔污柵進(jìn)行清理。清污機(jī)的清污容量為20 kN。設(shè)有測量裝置用來監(jiān)視攔污柵上游和下游側(cè)的水壓差，當(dāng)水壓差超過0.5 m，進(jìn)行報警，并由清污機(jī)進(jìn)行清污。清除的污物分別存放在軌道兩端的污物箱內(nèi)，可通過拖車運走。

考慮到鋼管出事故時對廠房的保護(hù)，在鋼管進(jìn)口位置設(shè)置4套定輪快速閘門，每根引水鋼管1套。電站正常發(fā)電時，閘門在孔口以上約1 m處待命，可在緊急情況下動水快速閉門。快速閘門孔口參數(shù)6.0 m×6.0 m-14 m，采用上游止水型式，通過閘門井補氣。閘門的底止水為條形橡皮水封，側(cè)止水為表面帶聚四氟乙烯復(fù)合層的P形橡皮水封。主支承為定輪支承，采用自潤滑復(fù)合軸套。閘門操作方式為動水快速閉門或檢修常速閉門，小開度提門充水平壓后啟門。每套閘門由1套安裝于壩頂?shù)? 000 kN液壓啟閉機(jī)操作，油缸頂部設(shè)有補油箱，用于在快速閉門時對油缸無桿腔的油液補充。從電站的安全考慮，快速閘門的設(shè)計工況為：在最高洪水位及以下水位，出現(xiàn)全廠失電的情況下、或出現(xiàn)事故需要關(guān)閉快速閘門時，快速閘門可通過可靠的直流電源操作閥組動作泄油壓，實現(xiàn)依靠自重快速閉門，保護(hù)壓力鋼管和廠房。

為滿足進(jìn)水口快速閘門及門槽的檢修，在閘門上游側(cè)設(shè)1道檢修閘門，4孔共用1套滑動檢修閘門。此檢修門是下游止水平面滑動式閘門，面板及止水裝置設(shè)置在下游側(cè)，底止水為條形橡皮水封，側(cè)止水為表面帶聚四氟乙烯復(fù)合層的P形橡皮水封。主支承為自潤滑滑塊。閘門操作方式為靜水閉門，充水閥充水平壓后啟門。閘門的門槽埋件采用焊接工字型結(jié)構(gòu)，止水座板采用不銹鋼材料。檢修閘門由電站進(jìn)水口門機(jī)通過液壓抓梁操作，平時鎖定于孔口上。

在進(jìn)水口底部設(shè)置有2條排沙放空管，管徑為Φ900 mm，依水流方向設(shè)有事故閘門和工作閘門。放空管的作用是沖沙和放空前池。工作閘門和事故閘門均為關(guān)閉狀態(tài)，需要運行時，先將事故閘門提出孔口充水，再開啟工作閘門進(jìn)行放空。放空管工作閘門和事故閘門各2套，事故閘門通過拉桿由電站進(jìn)水口門機(jī)操作，工作閘門由液壓啟閉機(jī)操作。事故閘門和工作閘門均為上游止水平面定輪閘門，面板及止水裝置設(shè)置在上游側(cè)，底止水為條形橡皮水封，側(cè)止水為表面帶聚四氟乙烯復(fù)合層的P形橡皮水封。主支承為定輪支承，采用自潤滑復(fù)合軸套。閘門的門槽埋件采用焊接工字型結(jié)構(gòu)，止水座板采用不銹鋼材料。

2.3 電站廠房及尾水金屬結(jié)構(gòu)

4臺機(jī)組設(shè)8個尾水出口，為了機(jī)組檢修，且為保護(hù)廠房，防止下游洪水進(jìn)入，同時也考慮在首臺機(jī)組發(fā)電時，其他幾臺機(jī)組尚在安裝，因此，每個尾水出口設(shè)1套尾水檢修閘門，共8套。尾水閘門由門機(jī)通過抓梁操作。閘門平時為常開狀態(tài)，鎖定于尾水平臺上，當(dāng)下游洪水或機(jī)組檢修時靜水關(guān)閉閘門。此檢修門為上游止水平面滑動式閘門(擋水時水壓在下游側(cè))，面板及止水裝置設(shè)置在上游側(cè)，底止水為條形橡皮水封，側(cè)止水為表面帶聚四氟乙烯復(fù)合層的P形橡皮水封。主支承為自潤滑滑塊。閘門操作方式為靜水閉門，充水閥充水平壓后啟門。閘門的門槽埋件采用焊接工字型結(jié)構(gòu)，止水座板采用不銹鋼材料。

廠房內(nèi)設(shè)1扇密封閘門，用于滲漏檢修排水廊道的檢修。閘門在無水條件下靠人工開閉。

3 首部樞紐系統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)布置設(shè)計

3.1 主溢洪道金屬結(jié)構(gòu)

首部樞紐的主溢洪道設(shè)有5孔泄洪閘和1孔沖沙閘。

每孔泄洪閘設(shè)1套表孔弧形閘門，孔口寬度為11 m，閘門高度11.8 m，5孔5扇，在洪水期用來控制堰的水位和通過堰的流量。1孔沖沙閘設(shè)置1套表孔弧形閘門，孔口寬度為11 m，閘門高度13.8 m，其底檻高程略低于泄洪閘弧門，用于沖沙和排除堰后的雜物。6孔弧形閘門均為常閉狀態(tài)。每套弧門通過1套液壓啟閉機(jī)操作，每套液壓啟閉機(jī)設(shè)1套獨立的液壓油泵站，6孔6套，布置在閘墩上?；⌒伍l門門槽頂部設(shè)有鎖定裝置，用于弧門檢修及液壓啟閉機(jī)維修更換時臨時鎖定。

弧形閘門均采用雙主梁斜支臂露頂式布置。閘門面板曲率半徑為16 500 mm，支鉸軸承采用自潤滑球面軸承，支鉸將支承于閘墩牛腿上。閘門底止水采用條形橡皮水封，側(cè)止水采用表面帶聚四氟乙烯復(fù)合層的L形橡皮水封。為便于閘門檢修，在閘門上及閘門支鉸處設(shè)置檢修平臺。閘門的門槽埋件采用焊接結(jié)構(gòu)，止水座板采用不銹鋼材料。

在泄洪閘弧門和沖沙閘弧門的布置和設(shè)計過程中，按照DIN19704，分別增加了對單缸持住工況的分析和計算，一是持住力的計算，二是框架和應(yīng)力計算。液壓啟閉機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計也考慮其中一個油缸泄壓時，另一個油缸壓力保持，并且在此極端工況時，允許油缸和系統(tǒng)壓力上升1.2倍。根據(jù)計算，采用閘門剛脫離底檻時的狀態(tài)進(jìn)行框架和應(yīng)力校核，此時弧門框架收到液壓啟閉機(jī)單邊的集中荷載和水壓力的共同作用，采用分別計算并合成的方法?；￠T框架單缸荷載的計算簡圖如圖2。

圖2 弧門框架單缸荷載計算簡圖

泄洪閘弧形閘門主要計算結(jié)果對比如表1。

由計算結(jié)果可以看出，在極端的單缸持住工況下，對支臂的穩(wěn)定有較大的影響。

表1 泄洪閘弧形閘門之變計算結(jié)果對比

為滿足泄洪閘閘門及沖沙閘閘門的檢修和維護(hù)，在其上游側(cè)設(shè)置1道疊梁檢修門槽，設(shè)1套疊梁檢修閘門，分別由壩頂門機(jī)通過抓梁進(jìn)行操作。泄洪閘弧形閘門與沖沙閘弧形閘門共用檢修門。此疊梁檢修門下游止水平面滑動式疊梁閘門，面板及止水裝置設(shè)置在下游側(cè)，底止水為條形橡皮水封，側(cè)止水為表面帶聚四氟乙烯復(fù)合層的P形橡皮水封。主支承為自潤滑滑塊。閘門操作方式為靜水閉門，頂節(jié)門小開度提門充水平壓后啟門。閘門的門槽埋件采用焊接工字型結(jié)構(gòu)，止水座板采用不銹鋼材料。疊梁檢修閘門存放于門庫中。

溢洪道壩頂門機(jī)為大跨度雙向門機(jī)，上游側(cè)設(shè)有懸臂吊。雙向門機(jī)覆蓋了溢洪道壩段的所有金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備，主鉤既可以常規(guī)操作疊梁檢修閘門，也可以對工作閘門、液壓啟閉機(jī)、支鉸等進(jìn)行安裝維護(hù)；懸臂吊配合清污抓斗，可用于清理庫區(qū)堆積到主溢洪道門前的較大污物主溢洪道泄閘金屬結(jié)構(gòu)布置見圖3。

圖3 主溢洪道泄洪閘金屬結(jié)構(gòu)布置圖

溢洪道壩頂門機(jī)的主要參數(shù)如下：

啟閉機(jī)名稱：主溢洪道壩頂雙向門機(jī)

啟閉機(jī)型式：雙向移動門機(jī)

主鉤參數(shù)：

額定啟閉容量/kN

2×160

總揚程/m

22

軌上揚程/m

7.5

閘門啟閉速度/(m·min-1)

0.1/ 1

抓梁形式

機(jī)械自動抓梁

回轉(zhuǎn)吊參數(shù)：

起吊容量/kN

100

總揚程/m

14

軌上揚程/m

7.5

起吊速度/(m·min-1)

2

操作對象

清污抓斗

輪距/m

8.5

軌距/m

23

軌道長度/m

100.6

走行速度/(m·min-1)

2 / 20

安裝高程/m

395.0

3.2 沖沙涵洞金屬結(jié)構(gòu)

在渠道進(jìn)水閘右側(cè)設(shè)置有1條沖沙洞，沖沙洞尺寸為2 m×2 m，依水流方向設(shè)有事故閘門和工作閘門。不沖沙時，工作閘門和事故閘門均為關(guān)閉狀態(tài)，需要運行時，先將事故閘門提出孔口充水，再開啟工作閘門進(jìn)行沖沙。沖沙洞工作閘門和事故閘門各1套，為潛孔式平面定輪閘門，每套閘門通過固定卷揚式啟閉機(jī)操作，啟閉機(jī)安裝于閘頂部的啟閉機(jī)房內(nèi)。

4 防腐設(shè)計

閘門及埋件的非不銹鋼外露面采用適合于浸水及飛濺區(qū)域的鋅鋁合金噴涂加封閉涂料防腐方案，其中金屬噴涂層厚度150 μm，環(huán)氧封閉漆厚度80 μm，環(huán)氧面漆厚度80 μm。啟閉機(jī)表面采用涂漆防腐，采用環(huán)氧類油漆，漆膜總厚度約300 μm。埋件與混凝土接觸面涂水泥漿防腐。

5 結(jié) 語

(1)本工程的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，由于設(shè)計文件需要通過業(yè)主咨詢工程師的審查批準(zhǔn)，因此，融合了部分國外設(shè)計理念：主溢洪道弧形工作閘門液壓啟閉機(jī)考慮其中一只油缸出現(xiàn)問題時，另一只油缸能保壓并能持住閘門；門機(jī)實驗荷載采用更苛刻的FEM標(biāo)準(zhǔn)；閘門底檻與底水封接觸的部分均采用不銹鋼。

(2)渠道進(jìn)水口和電站進(jìn)水口的攔污柵均設(shè)置了專門的移動式清污機(jī)，并且考慮到清污機(jī)清污距離比較長，為提高清污效率，采用“兩機(jī)同軌”的清污機(jī)布置方式，根據(jù)運行情況，可分別實現(xiàn)全程清污或半程清污。

(3)本工程由于是總承包項目，在金屬結(jié)構(gòu)布置設(shè)計中，結(jié)合了承包商施工的要求：溢洪道表孔雙向門機(jī)和電站進(jìn)水口的雙向門機(jī)的設(shè)計，均考慮了閘門和啟閉機(jī)設(shè)備的安裝工期；尾水檢修閘門設(shè)置為一孔一門，可滿足電站首臺機(jī)組發(fā)電后，其他機(jī)組繼續(xù)進(jìn)行安裝工作。

(4)曼維萊水電站工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的設(shè)計圖紙經(jīng)過業(yè)主工程師審查通過，所有設(shè)備已完成制造并安裝完成。工程已完成蓄水。

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易 偉 男 高級工程師 中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司 天津 300222

尹 航 男 工程師 中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司 天津 300222

2017-07-05)