(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都，610072)

1 工程概況

塔貝拉水電站位于巴基斯坦印度河干流上，具有灌溉、發(fā)電、防洪等效益，是巴基斯坦最大的水電站。經(jīng)過(guò)對(duì)1至3號(hào)隧洞的三期擴(kuò)建，目前電站總裝機(jī)3478MW。塔貝拉壩系斜心墻土石壩，最大壩高143m，主壩長(zhǎng)2743m。是世界上已建填筑量最大的土石壩。河流控制流域面積17萬(wàn)km2，總庫(kù)容137億m3。

四期擴(kuò)建工程將4號(hào)灌溉隧洞改為引水發(fā)電隧洞。因塔貝拉水庫(kù)泥沙含量重，原4號(hào)隧洞進(jìn)口易被泥沙淤積，故在原4號(hào)隧洞進(jìn)口下游側(cè)、壓力鋼管上游側(cè)，新建4#取水塔，塔下通過(guò)新建直徑φ13.72m的豎井與4號(hào)隧洞連通，形成第二取水通道，原進(jìn)口未被泥沙淤積完前兩通道可同時(shí)取水。豎井后設(shè)直徑為φ13m的壓力鋼管，壓力鋼管分為五岔管，其中三根φ7.5m岔管連接3臺(tái)單機(jī)容量為470MW的混流式機(jī)組，擴(kuò)容1410MW，使電站裝機(jī)容量增大到4888MW，另兩根φ8m岔管為低位泄水管，緊急情況放空水庫(kù)用。

本電站金屬結(jié)構(gòu)包括4#取水塔檢修門(mén)、攔污柵及啟閉機(jī)；4#取水豎井堵頭；引水隧洞的第二道封堵閘門(mén)；低位泄水孔出口事故閘門(mén)、工作閘門(mén)及啟閉機(jī)(機(jī)組尾水閘門(mén)屬另一標(biāo)段，在此不做介紹)。金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按DIN標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

2 取水系統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)布置及設(shè)計(jì)

2.1 4#取水塔檢修閘門(mén)與啟閉機(jī)

在新建的4#豎井頂部建圓形取水塔，塔頂為混凝土蓋板，繞塔一周共設(shè)10孔門(mén)槽。施工期間及運(yùn)行維護(hù)時(shí)利用布置在塔體的檢修閘門(mén)擋水；運(yùn)行期間，提出檢修閘門(mén)，用布置在塔體的攔污柵攔污。檢修閘門(mén)與攔污柵門(mén)槽共用。

檢修閘門(mén)為平面滑動(dòng)疊梁閘門(mén)，孔口尺寸為8.3m×20.5m-57m(寬×高-設(shè)計(jì)水頭，下同)。下游止水，滑道支承，分6節(jié)制造，每節(jié)單獨(dú)起吊，并具有互換性。因尺寸限制，門(mén)槽無(wú)反軌，設(shè)計(jì)時(shí)利用側(cè)導(dǎo)向使閘門(mén)入槽并阻止閘門(mén)過(guò)量?jī)A斜。側(cè)導(dǎo)向裝置由兩部分構(gòu)成，一是由設(shè)在門(mén)槽側(cè)軌上厚度為40mm的導(dǎo)向板；二是由設(shè)在閘門(mén)門(mén)葉上的導(dǎo)向槽。為方便現(xiàn)場(chǎng)安裝，同時(shí)又方便閘門(mén)順利入槽，導(dǎo)向槽由兩塊角鋼背對(duì)焊接在鋼板上，導(dǎo)向槽寬度70mm，其下方設(shè)計(jì)成喇叭口。

檢修閘門(mén)的操作方式為靜水啟閉。啟門(mén)時(shí)先提起充水閥進(jìn)行充水，待閘門(mén)前后平壓后依次提出各節(jié)門(mén)葉。考慮制造和現(xiàn)場(chǎng)操作，10扇閘門(mén)中僅2扇閘門(mén)設(shè)有充水閥。根據(jù)庫(kù)水位變化情況，設(shè)充水閥閘門(mén)的每節(jié)門(mén)葉均設(shè)有充水閥，以確保不同水位下對(duì)閘門(mén)的可靠操作。由于常規(guī)充水閥體型大，本閘門(mén)使用了一種新型彈簧平蓋式充水閥裝置，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、封水可靠、閥體體型小的特點(diǎn)。根據(jù)已運(yùn)行工程看，運(yùn)行效果良好。

運(yùn)行后，取水塔被庫(kù)水淹沒(méi)，因此采用容量為500kN的船舶起吊(該設(shè)備為專(zhuān)門(mén)定制)，并通過(guò)容量為2×250kN機(jī)械抓梁操作。為保證閘門(mén)及攔污柵從船舶起吊后能順利進(jìn)入水下門(mén)槽，須設(shè)置從水面至門(mén)槽頂部的專(zhuān)門(mén)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。

2.2 4#取水塔攔污柵與啟閉機(jī)

攔污柵共10扇，柵槽與檢修閘門(mén)門(mén)槽共用。攔污柵采用滑動(dòng)式布置，設(shè)側(cè)導(dǎo)向(型式與檢修門(mén)側(cè)導(dǎo)向一致)，柵條凈距為400mm，按5.5m水壓差設(shè)計(jì)。攔污柵為靜水啟閉，起吊設(shè)備與檢修閘門(mén)共用，不設(shè)清污設(shè)備。

攔污柵的結(jié)構(gòu)形式與水頭損失密切相關(guān)，直接影響水電站的經(jīng)濟(jì)效益，本攔污柵柵條斷面端部采用圓形；取水塔每孔門(mén)槽從下到上設(shè)有4道連系梁，每道連系梁高度1m，梁間凈距為3.3m?？紤]制造、運(yùn)輸、安裝，并結(jié)合塔體設(shè)計(jì)特點(diǎn)，攔污柵共分5節(jié)，上4節(jié)柵葉高度3.74m，底節(jié)柵葉高度3.52m，柵條焊接于柵葉上。下節(jié)柵葉通過(guò)支承座支承上節(jié)柵葉，支承座高度為0.56m，通過(guò)螺栓現(xiàn)場(chǎng)連接于上節(jié)柵葉底部。支承座位于取水塔的連系梁處，避免水頭損失。支承座的設(shè)計(jì)既解決了攔污柵的運(yùn)輸問(wèn)題，又節(jié)省了材料，同時(shí)方便現(xiàn)場(chǎng)安裝。

2.3 4#取水豎井堵頭

取水豎井直徑φ13.72m，豎井混凝土襯砌壁厚1m。由于本堵頭設(shè)計(jì)工況為雙向水壓，不同于普通的閘門(mén)，設(shè)計(jì)時(shí)從安全、運(yùn)輸、安裝等角度全面考慮。

根據(jù)工期安排，新建4#取水豎井頂部須設(shè)堵頭，將豎井封堵，相當(dāng)于蓋板蓋住豎井。該堵頭工況分兩種：①當(dāng)隧洞內(nèi)施工時(shí)，堵頭擋上方的水壓，按最高庫(kù)水位設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)水頭為63.44m；②當(dāng)豎井上方的取水塔施工時(shí)，機(jī)組已發(fā)電，豎井內(nèi)充滿水，此時(shí)堵頭需要擋下方的水壓。堵頭下方設(shè)計(jì)水位與施工圍堰高程一致，如水位超過(guò)圍堰，則堵頭上方為庫(kù)水位，此時(shí)堵頭上下方水位差為0。堵頭下方設(shè)計(jì)水頭47m，同時(shí)考慮機(jī)組水錘壓力10m。

因堵頭直徑大，設(shè)計(jì)水頭高，故堵頭受力大，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)安裝門(mén)機(jī)的最大起吊容量為400kN，因此，堵頭中間部位按0.8m分段，單節(jié)門(mén)葉設(shè)雙主梁，主梁為焊接T型結(jié)構(gòu)，主梁腹板同時(shí)兼做節(jié)間水封座板。門(mén)葉上設(shè)一孔排氣管，其出口高程高于圍堰高程。

堵頭段間采用條形橡膠水封、螺栓連接，為保證水封能壓縮，條形水封中間開(kāi)槽，成“Ⅰ”字型；安裝時(shí)預(yù)壓縮4mm，堵頭與埋件一周采用條形橡膠水封連接；安裝時(shí)預(yù)壓縮5mm，水封設(shè)在埋件上；節(jié)間水封端部與圓周水封設(shè)一橡膠塊現(xiàn)場(chǎng)粘結(jié)。

為方便安裝與拆除，堵頭與埋件采用高強(qiáng)度螺栓連接。中間段門(mén)葉每端設(shè)4排螺栓，每排布置3顆，即一節(jié)門(mén)葉共24顆螺栓。堵頭受力時(shí)結(jié)構(gòu)變形，靠近門(mén)葉中心的一排螺栓先受力，然后逐漸遠(yuǎn)離中心的螺栓受力。螺栓計(jì)算假定：根據(jù)實(shí)際情況，螺栓不能按均布受力計(jì)算，也不能按一排螺栓受力計(jì)算。為保證螺栓安全，先假定僅靠近門(mén)葉中心的第一排螺栓受力，此種假定計(jì)算結(jié)果螺栓應(yīng)力小于螺栓屈服強(qiáng)度，再假定靠近門(mén)葉中心的第二排螺栓參與受力，此種假定計(jì)算結(jié)果螺栓應(yīng)力小于螺栓允許強(qiáng)度，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，螺栓采用8.8級(jí)M64。

堵頭埋件沿豎井頂部設(shè)一周，埋件座板用100mm厚板，下方焊接錨桿。埋件既要承受堵頭向下的壓力，又能承受堵頭向上的拉力。當(dāng)埋件承受向下的壓力時(shí)，埋件下方混凝土與錨桿參與受力，當(dāng)埋件承受向上的拉力時(shí)，混凝土不參與受拉計(jì)算，僅靠下方的錨桿受力，錨桿從圓中心向外布置4排，錨桿計(jì)算假定與堵頭和埋件的連接螺栓計(jì)算類(lèi)似，直徑φ60mm，長(zhǎng)度3m，材料Q345B，末端帶彎鉤。

當(dāng)埋件受向上水壓時(shí)，埋件座板與混凝土?xí)撀洌a(chǎn)生縫隙造成漏水，因此，在埋件靠豎井邊緣設(shè)一周膩?zhàn)有陀鏊蛎浿顾畻l。

本堵頭已安裝并經(jīng)過(guò)向上和向下水壓兩種工況的使用，止水效果良好，結(jié)構(gòu)安全。

2.4 引水隧洞第二道封堵閘門(mén)設(shè)計(jì)

在4#隧洞進(jìn)口下游、新建豎井上游側(cè)的隧洞內(nèi)設(shè)第二道封堵閘門(mén)，其作用是當(dāng)原4#隧洞進(jìn)口閘門(mén)止水失去作用時(shí)，對(duì)隧洞擋水，以便對(duì)下游豎井、壓力鋼管、機(jī)組等部位的施工。

隧洞直徑φ13.7m，堵頭外形尺寸與洞徑一致，設(shè)計(jì)水頭122m。由于該封堵閘門(mén)位于隧洞內(nèi)，不同于普通隧洞的閘門(mén)可以做門(mén)槽，該封堵閘門(mén)無(wú)門(mén)槽。設(shè)計(jì)該閘門(mén)須解決封水及支承問(wèn)題。

考慮現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)輸及現(xiàn)場(chǎng)安裝，門(mén)葉分5段，每段設(shè)4根焊接T型主梁，段間采用開(kāi)槽“工”字型條形橡膠水封、螺栓連接，安裝時(shí)預(yù)壓縮4mm；為使閘門(mén)有效止水，在隧洞周壁設(shè)“L”型止水埋件，止水埋件通過(guò)錨桿固定在洞壁上。

支承結(jié)構(gòu)采用“П”型，支承梁及支承腿為焊接“工”字型，通過(guò)錨桿連接在支承腿靠洞壁一側(cè)的翼緣板支承。腿長(zhǎng)18.575m，分三節(jié)，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)螺栓連接。錨桿由土建工程師設(shè)計(jì)。門(mén)葉與支承之間采用螺栓固定。

由于4#隧洞原進(jìn)口閘門(mén)止水效果良好，同時(shí)第二道封堵閘門(mén)的安裝與拆除困難，最后經(jīng)協(xié)調(diào)該閘門(mén)不安裝。

3 泄水系統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)布置及設(shè)計(jì)

低位泄水孔共兩根泄水鋼管，鋼管的末端通過(guò)漸變段由圓變方，在每根鋼管出口設(shè)一扇事故閘門(mén)，事故閘門(mén)后設(shè)工作閘門(mén)。

3.1 事故閘門(mén)與啟閉機(jī)設(shè)計(jì)

事故閘門(mén)為平面閘門(mén)，孔口尺寸為6m×7.6m，最大擋水水頭135.978m，最大操作水頭122.258m。下游止水，面板設(shè)置在上游。由于操作水頭較高，閘門(mén)須靠門(mén)頂水柱動(dòng)水閉門(mén)，門(mén)葉底緣符合《水電工程閘門(mén)設(shè)計(jì)規(guī)范》中圖D.0.2關(guān)于底緣型式的要求。根據(jù)招標(biāo)文件要求，閘門(mén)由定輪支承，軸套選用自潤(rùn)滑球面滑動(dòng)軸承。閘門(mén)分3節(jié)制造，頂節(jié)門(mén)葉布置充水閥，節(jié)間在工地現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)螺栓連接，設(shè)節(jié)間水封。

事故閘門(mén)在正常工況下為靜水閉門(mén)，特殊工況下能動(dòng)水閉門(mén)，啟門(mén)時(shí)先提起門(mén)頂充水閥進(jìn)行充水，待閘門(mén)前后平壓后提起閘門(mén)。閘門(mén)利用液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作，容量為2000kN(啟)/8600kN(持)。閘門(mén)平時(shí)由液壓?jiǎn)㈤]機(jī)懸吊在孔口上方1m處。

事故門(mén)槽頂部高程由門(mén)葉、液壓?jiǎn)㈤]機(jī)及閘門(mén)存放位置確定，閘室總高度20m，采用全鋼襯，主軌采用鑄鋼軌道，頂部采用鋼蓋板，蓋板既能承受門(mén)槽內(nèi)向上的水壓力，又能承受液壓?jiǎn)㈤]機(jī)運(yùn)行時(shí)作用于蓋板向下的壓力。蓋板與門(mén)槽采用螺栓連接，設(shè)兩道“O”型止水。蓋板中間設(shè)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)基座，兩側(cè)分別設(shè)一直徑φ0.73m進(jìn)人口和一直徑φ0.25m通氣孔，通氣孔上方設(shè)補(bǔ)排氣雙向閥門(mén)。根據(jù)計(jì)算、模型試驗(yàn)及國(guó)外工程師要求，在事故門(mén)槽下游側(cè)設(shè)4根直徑φ0.5m通氣孔，通氣孔上方設(shè)補(bǔ)排氣雙向閥門(mén)。

事故閘門(mén)已安裝并投入使用，效果良好。

3.2 工作閘門(mén)與啟閉機(jī)設(shè)計(jì)

招標(biāo)文件中工作閘門(mén)為弧形閘門(mén)，孔口尺寸為6m×7.5m，采用常規(guī)止水，門(mén)槽兩側(cè)突擴(kuò)。該閘門(mén)最大擋水水頭135.94m，最大操作水頭122.36m，并能局部開(kāi)啟控制下泄流量。根據(jù)國(guó)內(nèi)外類(lèi)似工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，高水頭弧形閘門(mén)一般采用偏心鉸弧形閘門(mén)或充壓伸縮式水封閘門(mén)。針對(duì)本工程運(yùn)行工況，采用偏心鉸弧形閘門(mén)，因此須對(duì)標(biāo)書(shū)中的弧門(mén)型式進(jìn)行修改。為此，設(shè)計(jì)人員做了大量準(zhǔn)備工作，并前往小浪底、水布埡進(jìn)行偏心鉸弧門(mén)調(diào)研，將各種高水頭弧形閘門(mén)優(yōu)缺點(diǎn)列出跟國(guó)外工程師溝通，最終一致同意采用偏心鉸弧形閘門(mén)方案。

弧門(mén)方案確定后，須確定閘門(mén)孔口尺寸。在保證下泄流量的前提下，試驗(yàn)單位南京水利科學(xué)研究院通過(guò)模型試驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算，對(duì)弧門(mén)提出優(yōu)化結(jié)果：門(mén)槽頂部采用壓坡、門(mén)槽兩側(cè)收縮、門(mén)槽底檻末端挑起、門(mén)槽兩側(cè)及底部突擴(kuò)，門(mén)后兩側(cè)設(shè)通氣孔，并確定弧門(mén)孔口尺寸為6m×6.3m。

門(mén)葉結(jié)構(gòu)采用雙主橫梁直支臂結(jié)構(gòu)，分3節(jié)，節(jié)間現(xiàn)場(chǎng)焊接，門(mén)葉結(jié)構(gòu)與支臂現(xiàn)場(chǎng)螺栓連接。門(mén)葉每側(cè)設(shè)4套側(cè)輪，每側(cè)設(shè)兩套液壓防振設(shè)備，開(kāi)啟閘門(mén)時(shí)，由布置在閘頂兩側(cè)的液壓桿鎖定閘門(mén)。

支鉸軸為偏心軸，偏心距為50mm，操作時(shí)旋轉(zhuǎn)角度60°。支鉸與偏心軸連接的軸承直徑為φ1.0m，采用球面滑動(dòng)軸承；支鉸座與偏心軸連接的軸承直徑為φ0.85m，采用調(diào)心滾子軸承。拐臂長(zhǎng)度3m，與偏心軸采用銷(xiāo)鍵連接型式。

閘門(mén)采用液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作，主機(jī)(與門(mén)葉連接)容量為4000kN，副機(jī)(與拐臂連接)容量為4000kN(拉)/500kN(壓)，副機(jī)下壓力是考慮安裝時(shí)閘門(mén)不能自動(dòng)后退到位。

4 結(jié)語(yǔ)

本電站金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度很大，閘門(mén)型式新穎，各閘門(mén)的尺寸、設(shè)計(jì)水頭、操作水頭等較大，有的閘門(mén)(如豎井堵頭、隧洞第二道封堵門(mén))為首次設(shè)計(jì)，同時(shí)地處巴基斯坦，須考慮制造、運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)安裝等條件綜合考慮。目前，已安裝并投入使用的豎井堵頭，低位泄水孔出口事故閘門(mén)運(yùn)行良好。