王仕民，王常義，常萬軍

（1.廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責(zé)任公司，530200，南寧；2.中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，130021，長春）

一、研究背景

大藤峽水利樞紐是國務(wù)院批準(zhǔn)的珠江流域防洪控制性工程, 也是打造珠江—西江經(jīng)濟(jì)帶和“西江億噸黃金水道” 基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的標(biāo)志性工程， 屬紅水河水電開發(fā)的第十個梯級，承擔(dān)電網(wǎng)的發(fā)電和調(diào)峰任務(wù)。 工程具有防洪、航運、發(fā)電、補(bǔ)水壓咸等巨大的綜合效益。

大藤峽工程位于西江水系黔江干流，地屬廣西自治區(qū)桂平市，水庫正常蓄水位61.00 m，汛期限制水位及死水位47.60 m，水庫總庫容34.79 億m3，防洪庫容15 億m3。 船閘規(guī)模為3 000 t 級， 年過閘貨運量5189 萬t。電站裝機(jī)容量1 600 MW，8 臺機(jī)組，多年平均發(fā)電量60.62 億kWh。

大藤峽水利樞紐工程規(guī)模和技術(shù)指標(biāo)均處于國內(nèi)外類似工程前列。 其調(diào)度受流域洪水特性及上下游控制性工程影響， 調(diào)度方式極為復(fù)雜； 船閘是世界上目前水頭最高的單級大型船閘；泄水高、低孔弧門總推力在國內(nèi)同類工程中已達(dá)到領(lǐng)先水平； 低水頭大容量軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組的設(shè)計制造難度已經(jīng)突破了現(xiàn)有國內(nèi)外同類機(jī)組水平；二期截流流量大同時利用深水拋填圍堰擋水發(fā)電， 施工方案需要通過試驗予以確認(rèn)。

大藤峽工程前期針對可行性和項目立項進(jìn)行了大量研究，考慮到項目多項指標(biāo)達(dá)到國內(nèi)外領(lǐng)先，為解決深層次的技術(shù)問題，2015 年完成的初設(shè)報告提出多項重大特殊專項科學(xué)研究試驗。經(jīng)水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院（以下簡稱“水規(guī)總院”）審查、國家發(fā)改委核定，最終確定包括超高水頭船閘輸水系統(tǒng)運行模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)、 船閘超大金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)、樞紐綜合調(diào)度及流域水庫群聯(lián)合調(diào)度運用、大型軸流發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)及性能優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)、泄水閘弧門超大推力閘墩結(jié)構(gòu)及安全關(guān)鍵技術(shù)、工程施工關(guān)鍵技術(shù)共6 大項進(jìn)行專項研究。

二、關(guān)鍵技術(shù)研究的組織與管理

2015 年工程初步設(shè)計批復(fù)后，馬上進(jìn)入實施階段，隨之而來的相關(guān)科研項目攻關(guān)全面展開。 結(jié)合工程進(jìn)展情況， 對科研項目進(jìn)行細(xì)化分解，充分考慮科研的復(fù)雜性和不確定性，合理安排科研周期。 為保證重大專項科研的有效實施，大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責(zé)任公司（以下簡稱“大藤峽公司”） 及時制訂了科學(xué)研究試驗管理辦法，完善了管理體系。

建設(shè)中的大藤峽水利樞紐

1.統(tǒng)籌規(guī)劃分批實施

大藤峽水利樞紐工程規(guī)模宏大，技術(shù)問題復(fù)雜， 前期工作時間短，施工準(zhǔn)備工期不足，為滿足工程建設(shè)的需要,結(jié)合工程技術(shù)難點，按“突出重點、先急后緩、統(tǒng)籌安排”的原則，重大特殊專項科學(xué)研究試驗項目分批開展實施。

首批重大專項科研試驗包括超高水頭船閘輸水系統(tǒng)、船閘超大金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備、 大型軸流水輪發(fā)電機(jī)組、泄水閘弧門超大推力閘墩結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)研究共四大項。

圍繞高水頭船閘輸水系統(tǒng)進(jìn)行了第一、第二分流口常壓及減壓試驗研究，充、泄水閥門段減壓模型試驗研究， 充水閥門段體型優(yōu)化研究，泄水閥門及旁側(cè)泄水箱涵水力學(xué)問題研究，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了整體輸水系統(tǒng)布置及體型優(yōu)化試驗。

針對船閘金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備進(jìn)行了輸水閥門流激振動及啟閉特性研究， 輸水閥門門楣體型與摻氣布置切片試驗， 下閘首人字閘門結(jié)構(gòu)及水動力及啟閉特性研究， 下閘首人字閘門背拉桿專題研究， 下閘首人字閘門抗疲勞技術(shù)研究， 人字閘門液壓啟閉機(jī)撓度與穩(wěn)定性試驗研究， 船閘輸水系統(tǒng)反弧門止水結(jié)構(gòu)研究， 下閘首人字門底樞及潤滑結(jié)構(gòu)研究， 下閘首人字閘門底樞結(jié)構(gòu)智能監(jiān)測等子課題研究。

結(jié)合大型軸流式水輪機(jī)模型參數(shù)研究及大型軸流式水輪發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)型式研究成果，開展了大跨度廠房結(jié)構(gòu)優(yōu)化及大尺度預(yù)應(yīng)力混凝土蝸殼試驗研究。

根據(jù)泄水閘的運行條件，進(jìn)行了泄水閘高、低孔弧形工作閘門流激振動試驗及數(shù)值模擬研究，泄水低孔門槽及胸墻空化空蝕特性模型試驗研究，泄水閘高、低孔預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)

分析研究。

第二批課題圍繞泄水閘低孔開展了閘門支撐鋼梁及預(yù)應(yīng)力錨索施工工藝研究及泄水閘基礎(chǔ)處理研究， 船閘人字門制造安裝調(diào)試技術(shù)研究浮箱檢修閘門研究及人字門漂移特性研究。

第三批課題結(jié)合二期截流及圍堰長期擋水發(fā)電進(jìn)行專項研究。

2.科研設(shè)計有機(jī)結(jié)合

依托設(shè)計單位編制《專項科學(xué)研究試驗項目立項建議書》， 充分發(fā)揮建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組專家咨詢組作用，同時聘請技術(shù)咨詢機(jī)構(gòu)及國內(nèi)知名專家對立項建議書進(jìn)行咨詢，以此完善立項建議書。

協(xié)調(diào)設(shè)計單位全程參與，研究過程中強(qiáng)化科研單位與設(shè)計單位之間的溝通聯(lián)系管理，與設(shè)計單位一起共同加強(qiáng)對科研試驗中間過程密切跟蹤， 根據(jù)試驗成果提出專題設(shè)計報告，確保科研成果轉(zhuǎn)化為精品設(shè)計。

3.完善驗收制度

大藤峽公司及時制定了《廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責(zé)任公司科學(xué)研究試驗管理辦法（暫行）》，辦法中明確了部門職責(zé)，提出了科研試驗的立項、委托、招標(biāo)、合同簽訂，科研試驗項目驗收、歸檔管理細(xì)則。 重大科研專項試驗嚴(yán)格按照此辦法進(jìn)行管理。

在科研試驗進(jìn)行過程中， 注重對科研試驗過程的中間檢查， 針對船閘第二分流口對比試驗過程中兩家科研單位成果不一致的問題，及時安排中間成果討論會， 依托水規(guī)總院，并邀請相關(guān)專家進(jìn)行把關(guān)。 所有成果均依托水規(guī)總院進(jìn)行驗收把關(guān)， 同時根據(jù)成果的重要性聘請相關(guān)專家進(jìn)行技術(shù)咨詢， 確保重大專項科研成果達(dá)到了國內(nèi)領(lǐng)先水平，為大藤峽工程設(shè)計、 設(shè)備制造安裝及施工工藝提供技術(shù)支撐， 滿足工程質(zhì)量需求， 為后續(xù)類似工程提供了可借鑒的寶貴經(jīng)驗。

三、關(guān)鍵技術(shù)研究成果

1.高水頭船閘輸水系統(tǒng)

大藤峽船閘尺度280 m×34 m×5.5 m（有效長度×有效寬度×檻上水深）， 輸 水 時 間15 min， 設(shè) 計 水 頭40.25 m，一次充泄水量達(dá)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。 高水頭船閘輸水閥門段的流量和流速很高， 輸水閥門段廊道、第一分流口、第二分流口等輸水系統(tǒng)關(guān)鍵部位的水力學(xué)問題非常突出。

國內(nèi)已建高水頭船閘第二分流口均采用立體分流 （垂直+水平），如三峽船閘、 葛洲壩船閘； 國外已建高水頭船閘第二分流口均采用平面分流， 如巴西的圖庫魯依船閘、美國的下花崗船閘。 不論是立體分流還是平面分流， 因其占用了分支廊道的長度， 出水支孔的布置受到限制。 大藤峽船閘第二分流口采用自分流體型， 使閘室內(nèi)參與消能的水體大幅度增加， 從而達(dá)到減小和均衡閘室船舶（隊）系纜力的目的，為世界首創(chuàng)。

通過船閘輸水系統(tǒng)體型優(yōu)化模型試驗研究，測定閘室充（泄）水各工況下水力特性曲線，測定輸水廊道關(guān)鍵部位、輸水閥門段廊道的時均壓力及脈動壓力分布， 測定閘室內(nèi)船舶（隊）停泊條件，優(yōu)化輸水系統(tǒng)布置。

充泄水閥門段廊道采用 “頂擴(kuò)+底擴(kuò)”體型，針對頂擴(kuò)、跌坎及升坎多種體型，通過充、泄水閥門常壓、減壓模型試驗研究，得到了廊道頂、廊道底以及跌坎、升坎、鵝頸管、下游檢修門槽等部位非恒定流條件下時均壓力和脈動壓力分布規(guī)律。 最終確定頂擴(kuò)2 m，跌坎深4 m，升坎5 m 高，采用五次曲線。 結(jié)合門楣自然通氣（必備措施）和跌坎強(qiáng)迫通氣（儲備措施）的工程措施，有效解決了充水閥門段空化難題。

通過泄水閥門及旁側(cè)泄水箱涵常壓模型試驗，當(dāng)事故動水關(guān)閉泄水閥門時， 得到箱涵內(nèi)流態(tài)及壓力特性，比較箱涵不同斷面、出口收縮斷面的試驗結(jié)果，最終確定泄水箱涵斷面及出口壓縮斷面型式，控制泄水箱涵內(nèi)負(fù)壓在可以接受范圍內(nèi)。

通過第一分流口常壓模型試驗及減壓模型試驗研究，觀測第一分流口處的水流流態(tài)、測定分流流量及各部位壓力分布情況。 針對T 形管是否設(shè)置導(dǎo)流脊做了大量試驗對比研究。第一分流口T 形管處增設(shè)導(dǎo)流脊后，充泄水工況下流量分配較好，分流均勻；明顯減小第一分流口隔板頭部脈動壓力， 最大值均不超過2.99×9.81 kPa，未產(chǎn)生水流空化。

通過第二分流口常壓、減壓模型試驗研究，觀測各運行工況下，充、泄水時第二分流口水流的流態(tài)與流場特征， 測定分流流量及壓力分布，分析壓力特性對安全運行影響。 對比導(dǎo)流墩頭處有無人工分流脊的壓力特性及脈動壓力特性。 增設(shè)人工分流脊后，第二分流口內(nèi)部漩渦空化氣泡出現(xiàn)頻次明顯減少，分流脊處水流流態(tài)改善明顯，無負(fù)壓產(chǎn)生，無明顯水流空化。

通過以上多項試驗研究，船閘第二分流口首次采用自分流體型，解決了高水頭船閘的水力學(xué)問題，為輸水系統(tǒng)設(shè)計提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，成果已應(yīng)用于技施產(chǎn)品設(shè)計。

2.船閘超大金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備

對制約制造、 安裝的關(guān)鍵節(jié)點，對人字閘門分節(jié)運輸方案、 頂樞AB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(jìn)行研究，確保關(guān)鍵工序技術(shù)可控，方案可行。

3.大型軸流發(fā)電機(jī)組

電站裝設(shè)8 臺單機(jī)容量為200 MW 的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，機(jī)組額定轉(zhuǎn)速68.2 r/min，為低水頭大容量軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組。 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑達(dá)10.4 m, 發(fā)電機(jī)定子機(jī)座外徑約20.21 m， 推力負(fù)荷在4 000 t以上。 水輪機(jī)制造難度系數(shù)超過了同類型機(jī)組；機(jī)組推力負(fù)荷也是軸流機(jī)組中最大的，與混流式巨型機(jī)組的推力負(fù)荷處于同一水平。 電站運行水頭變幅較大，國內(nèi)設(shè)計、制造和運行的實踐經(jīng)驗相對較少，所以其參數(shù)選擇是否合理、匹配尤其重要。

水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速是表征水輪機(jī)技術(shù)發(fā)展水平的重要指標(biāo)，單位流量和單位轉(zhuǎn)速的不同匹配將直接影響電站的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。 根據(jù)國內(nèi)外多家制造廠提供的水輪機(jī)方案的比轉(zhuǎn)速及比速系數(shù)，統(tǒng)計分析已建工程的機(jī)組運行數(shù)據(jù)，充分考慮水位變幅對氣蝕的影響，優(yōu)選機(jī)組參數(shù)。

在此基礎(chǔ)上綜合考慮制造安裝等因素，對機(jī)組總體結(jié)構(gòu)、水輪機(jī)發(fā)電機(jī)主要部件結(jié)構(gòu)及推力軸承進(jìn)行研究，推薦采用半傘式結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子的上方設(shè)有上導(dǎo)軸承，下方設(shè)有下導(dǎo)軸承和推力軸承，推力軸承設(shè)置在下機(jī)架；水輪機(jī)座環(huán)，選擇雙平板結(jié)構(gòu)型式； 發(fā)電機(jī)定子機(jī)座采用盒形筋結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)子采用三段軸結(jié)構(gòu)；發(fā)電機(jī)上機(jī)架采用井字梁結(jié)構(gòu)，下機(jī)架為負(fù)荷機(jī)架， 由中心體和12 個工字形支臂組成。

目前， 左岸第一臺機(jī)組的轉(zhuǎn)輪、座環(huán)、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、主軸等主要部件均已制造完成。 對比設(shè)計推薦的水輪機(jī)參數(shù)和招標(biāo)定廠后通過水輪機(jī)模型驗收試驗后核定的真機(jī)參數(shù)，二者基本一致，表明大藤峽的大型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)參數(shù)選擇是合適可行的，同時具備技術(shù)先進(jìn)性。

4.泄水閘預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)

泄水低孔弧形工作閘門孔口尺寸9 m×18 m， 工作閘門采用主縱梁三支臂結(jié)構(gòu)、設(shè)計水頭39 m，面板半徑33m；泄水表孔弧形工作閘門孔口尺寸14 m×25 m，工作閘門采用主橫梁三斜支臂結(jié)構(gòu)弧形閘門、面板半徑32 m。 設(shè)計指標(biāo)居國內(nèi)前列，同時閘門的設(shè)計泄水流量較大，有局部開啟控泄要求， 且下游水位變幅較大，閘門在水流作用下的振動問題突出。

通過建立弧門靜動力有限元模型和水工模型、弧門水力相似模型及流激振動水彈性相似模型，從弧門結(jié)構(gòu)靜力響應(yīng)分析、水流流態(tài)、弧門門體及門槽段壓力特性、 門體主縱橫梁及支臂部位的動力響應(yīng)和加速度響應(yīng)等對低孔及表孔進(jìn)行系統(tǒng)研究，對閘門結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，降低了結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值， 改善了結(jié)構(gòu)的受力特性。 根據(jù)閘門局部開啟工況下游水流條件及閘門振動形態(tài)， 提出閘門在相對開度為0.6 以下時進(jìn)行局部開啟運行。

近年，我國水電建設(shè)中隨著泄水建筑物孔口尺寸的不斷加大，工作水頭的提高，泄洪弧形閘門所承受的水推力也隨之增大。例如水口水電站溢洪道弧門推力為43 200 kN， 巖灘電站溢洪道弧門推力為45 394 kN，五強(qiáng)溪電站表孔弧門推力為60 200 kN， 紫蘭壩電站泄水閘弧門推力為60 960 kN。 實踐證明，在大型弧門支承結(jié)構(gòu)中采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)，是改善閘墩的應(yīng)力狀態(tài)、限制閘墩變形最為合理的技術(shù)措施。

安裝發(fā)電機(jī)組水輪機(jī)導(dǎo)軸承

大藤峽低孔弧門推力68 100 kN，表孔弧門推力60 000 kN，弧門推力巨大。 隨著弧門推力的增加選擇合適的錨索布置形式、 張拉噸位控制值和大推力錨塊型式是預(yù)應(yīng)力混凝土閘墩結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵。 通過對比分析泄水低孔采用預(yù)應(yīng)力閘墩和鋼梁結(jié)構(gòu)組合，邊墩厚4.0 m，布置錨索4 排×5 層=20束， 中墩厚5.3 m， 布置錨索6 排×5層=30 束。泄水表孔采用預(yù)應(yīng)力閘墩和混凝土錨塊組合，左右邊墩厚4.0 m， 對稱布 置 主錨索3 排×5 層=15束， 外層布置平衡索1 排×3 層=3束。 結(jié)果表明泄水閘整體體型合理，泄水閘結(jié)構(gòu)位移小，具有足夠的剛度。 選定的錨索布置與閘墩混凝土能形成較好的預(yù)應(yīng)力體系結(jié)構(gòu)。

5.二期截流與圍堰

大藤峽工程二期截流安排在11月下旬，相應(yīng)設(shè)計流量2 380 m3/s。 由于主河槽深切， 龍口分流條件差，水下拋填深度約26 m，截流拋填工程量大。 二期導(dǎo)流期間利用上游圍堰擋水，機(jī)組發(fā)電和船閘通航，最大擋水高度48.8 m，攔蓄庫容16 億m3。 圍堰水下填料無法碾壓密實，對圍堰安全運行造成不利影響。

根據(jù)二期截流特點，通過整體和局部水工模型， 對龍口位置及寬度、戧堤布置、截流拋填料粒徑及截流對通航的影響進(jìn)行研究。 推薦龍口布置在左岸灘地、戧堤直線布置寬度不小于20 m、龍口寬度100 m，并分區(qū)確定拋投料粒徑。 同時圍繞一期圍堰不同拆除方案對截流的影響進(jìn)行敏感性分析，一期上游橫向圍堰全部拆除方案相對合理。

根據(jù)二期圍堰拋填施工、 長期擋水運行特點， 通過離心模型試驗、大型三軸試驗、滲透變形試驗及三維有限元分析， 對堰體拋填料的工程特性、塑性混凝土防滲墻材料、圍堰斷面布置、 滲透穩(wěn)定性等方面進(jìn)行研究，為二期圍堰設(shè)計提供技術(shù)支撐。

四、結(jié) 語

大藤峽水利樞紐多項指標(biāo)處于國內(nèi)外領(lǐng)先水平，技術(shù)復(fù)雜。 圍繞重大關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了科研攻關(guān)，取得了一系列技術(shù)成果，實現(xiàn)了科技創(chuàng)新保質(zhì)量、促進(jìn)度，并有效地控制了投資。重大專項科研試驗項目通過編制立項建議書明確目標(biāo)，研究過程中加強(qiáng)科研單位與設(shè)計單位之間的溝通對接，確?？蒲谐晒苯愚D(zhuǎn)化為設(shè)計產(chǎn)品。 注重中間檢查發(fā)現(xiàn)問題及時協(xié)調(diào)處理，依托水規(guī)總院并邀請國內(nèi)知名專家對科研試驗成果進(jìn)行咨詢和分階段驗收。 通過重大專項科學(xué)研究，解決了工程關(guān)鍵技術(shù)難題，為工程設(shè)計、設(shè)備制造安裝及施工提供了技術(shù)支撐，也為后續(xù)類似工程提供了可借鑒的寶貴經(jīng)驗。