周 偉，侯慶宏，丁正忠，謝騰飛

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

1 工程概況

蘇阿皮蒂水利樞紐位于幾內(nèi)亞孔庫雷流域中游河段，電站壩址距首都科納克里約135 km，總庫容63.17億 m3，安裝4臺立軸混流式水輪機，容量450 MW，規(guī)模為大(1)型，正常蓄水位210 m，設(shè)計洪水位213.11 m。樞紐布置自左至右分別為左岸擋水、發(fā)電引水、導(dǎo)流、泄洪、溢流和右岸擋水壩段，發(fā)電廠房位于發(fā)電引水壩段壩后。

金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備主要布置在電站、泄洪底孔、導(dǎo)流底孔壩段，承擔(dān)電站引水、泄洪和導(dǎo)流的水流控制任務(wù)。包括平面鋼閘門(含攔污柵)29扇、弧形閘門2扇、液壓啟閉機6臺、固定卷揚機4臺、門機2臺，總工程量約5 100 t。

2 電站進口金屬結(jié)構(gòu)布置

電站采用壩坡明管單元引水方式，機組前未安裝保護閥，鋼管為明管，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，當(dāng)機組或鋼管要求閘門做事故保護時，電站進口應(yīng)設(shè)快速閘門和檢修閘門[1]，因此沿流道方向依次布置攔污柵、檢修門、快速門，電站尾水設(shè)尾水檢修門。電站進口金屬結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

圖1 電站進口金屬結(jié)構(gòu)布置(單位：m)

2.1 攔污柵、進口檢修門及啟閉設(shè)備

進水口共布置了12道攔污柵，1洞3柵，聯(lián)通布置，過柵流速約0.8 m/s，在0.6～1.0 m/s范圍內(nèi)[2]。攔污柵槽前設(shè)清污抓斗軌道槽，平時采用回轉(zhuǎn)吊配合清污抓斗清污，卡阻嚴(yán)重時提柵清污。攔污柵尺寸為4.2 m×12.0 m(寬×高，下同)，設(shè)計水頭差為3 m。為降低門機軌上揚程，柵體分為2節(jié)，節(jié)間采用可拆卸的銷軸連接?？紤]到攔污柵數(shù)量較多，如其中一套攔污柵因故檢修，對應(yīng)機組就需要停機，發(fā)電效益下降，故設(shè)置一套攔污柵以作備用，備用柵平時存放在壩頂柵庫內(nèi)[3]。

進口檢修門布置在攔污柵后、快速門前，平時存放于壩頂門庫中，當(dāng)機組或快速門進行常規(guī)檢修時閉門擋水，孔口尺寸為4.5 m×7.0 m，設(shè)計水頭55 m，為平面滑動鋼閘門，門葉材料Q345B，頂、側(cè)止水均布置在下游側(cè)，面板位于上游側(cè)。閘門操作條件為靜水閉門，門頂柱塞式充水閥充水平壓后靜水啟門，采用壩頂雙向門機配合液壓自動抓梁操作。

壩頂雙向門機主起升容量1 600 kN，揚程65 m，軌距14.5 m。由于壩面設(shè)備較多，門機布置時考慮過設(shè)2套起升(1主1副)和1套起升方案，鑒于門機跨度較大，傾覆問題小，布置要求經(jīng)濟合理，最終采用1套主起升方案，主起升可向上游移至攔污柵槽中心位置，如此以來，攔污柵庫、檢修門庫、檢修門均在主起升工作范圍之內(nèi)，快速門及液壓機檢修也采用門機起吊，做到一機多用。為便于壩段兩端清污及吊裝柵體，門機上游兩腿外側(cè)各設(shè)一套容量為320 kN的回轉(zhuǎn)吊。由于攔污柵和檢修門門槽尺寸不同，設(shè)2套液壓抓梁。攔污柵需檢修時，先用主起升提出孔口，然后用回轉(zhuǎn)吊分節(jié)吊裝至檢修位置，攔污柵前需清污時，采用回轉(zhuǎn)吊配合清污抓斗清污。

2.2 進口快速門及啟閉設(shè)備

快速門平時靠液壓機懸吊在流道上方0.5 m處，當(dāng)機組飛逸或壓力鋼管發(fā)生事故時，動水快速關(guān)閉閘門以免事故進一步擴大?？焖匍T孔口尺寸4.5 m×6.5 m，設(shè)計水頭58.56 m， 為平面定輪鋼閘門。門葉材料Q345B，最大輪壓接近3 000 kN， 定輪、主軌材料為35CrMo，為降低啟閉容量，軸承采用進口滾動軸承。業(yè)主招標(biāo)文件規(guī)定閘門需靠自重閉門，因此閘門不考慮利用水柱，將頂、側(cè)止水均布置在上游面板側(cè)，根據(jù)計算配置加重塊動水閉門，啟門時采用旁通管充水平壓啟門。門槽為整體式[4]，主軌、反軌、側(cè)軌通過面板、梁肋連為一體，安裝精度易于保證，同時提高門槽抗空蝕能力。側(cè)滑塊與側(cè)軌間隙為5 mm，加上采用上游止水以及門頂液壓桿阻尼作用，有效降低快速閉門過程中由振動產(chǎn)生的危害?？紤]到閘門快速關(guān)閉時流道補氣需要，在快速門后設(shè)直徑1 m的補氣孔，補氣孔亦同時兼顧檢修人孔用，在171.0 m平臺設(shè)有法蘭蓋。

快速門采用雙作用液壓機啟閉，一門一機布置，容量2 500 kN，揚程7.5 m，共設(shè)2套液壓泵站，2臺液壓機共用1套泵站。在布置液壓機時研究過兩種方案，一種是將液壓機布置在壩頂，中間采用拉桿與閘門連接，該方案優(yōu)點是布置方式常規(guī)簡單，但是存在壩頂不美觀，檢修時倒拉桿過程繁瑣、費時費力等缺點，另一種是采用壓蓋式布置，即將液壓機布置在壩內(nèi)，機架與門槽間采用密封連接，液壓桿直接與閘門連接，該方案具有壩面整潔、運行檢修方便的特點，但也存在壩內(nèi)潮濕，對電氣元件不利的缺點。通過綜合比較，最后采用壓蓋式布置方案，并將液壓泵站布置于高于正常蓄水位的210.5 m平臺，以防電氣元件受潮，同時有利于快速閉門時向液壓機無桿腔補油。門槽頂部設(shè)液壓機座預(yù)埋件，按長方形法蘭結(jié)構(gòu)設(shè)計，與液壓機架通過高強度螺栓連接，因為機架平臺位于正常蓄水位以下，為保證密封效果，液壓機架與機座之間設(shè)置兩道密封。

2.3 電站尾水門及啟閉設(shè)備

電站尾水門平時鎖定在壩頂，孔口尺寸5.1 m×4.4 m，為平面滑動鋼閘門，因安裝期有擋水要求，設(shè)8孔8扇，底坎高程93.20 m，設(shè)計水頭25.39 m。門體結(jié)構(gòu)主材為Q345B，采用銅基鑲嵌自潤滑滑道支承，閘門面板布置在迎水面，止水布置在背水面。閘門運用方式為靜水啟閉，采用門頂柱塞式充水閥充水平壓啟門，水頭差按1m設(shè)計。啟閉采用尾水單向門機配合液壓抓梁操作，門機容量為2×250 kN，揚程28 m，軌距5 m，布置在119.70 m尾水平臺，平時停放在尾水壩段左側(cè)檢修場。

3 泄洪底孔金屬結(jié)構(gòu)布置

泄洪底孔共2孔，主要承擔(dān)泄洪、排沙任務(wù)，進口依次設(shè)事故檢修門、弧形工作門。由于泄洪底孔底坎低，流速高達35 m/s，為保證過流斷面的平整度和抗空蝕能力，事故檢修門和弧形工作門之間的流道采用鋼襯襯砌。泄洪底孔金屬結(jié)構(gòu)布置如見圖2所示。

圖2 泄洪底孔金屬結(jié)構(gòu)布置(單位：m)

3.1 事故檢修門及啟閉設(shè)備

事故檢修門平時鎖定在孔口上方，工作門發(fā)生事故時動水閉門，孔口尺寸5.0 m×7.0 m，為平面定輪閘門，2孔2扇，底坎高程130.0 m，設(shè)計水頭83.56 m，由于底孔流速較大，水流空化數(shù)低，采用規(guī)范推薦的抗空化能力強的Ⅱ形門槽，斜坡比1∶10，門槽采用鋼板襯砌。閘門側(cè)、頂止水布置在上游側(cè)，均采用實心P形橡塑復(fù)合材料，為防止橡皮啟閉過程發(fā)生翻卷，橡皮頭外側(cè)設(shè)防卷板，內(nèi)側(cè)壓板邊緣加工成圓弧狀[5]。門葉材料Q345B，最大輪壓接近3 200 kN， 定輪、主軌材料為35CrMo，軸承采用進口滾動軸承以降低定輪摩阻力。閘門采用門重及加重塊動水閉門，通過門頂閘閥式充水閥平壓啟門，啟門水頭差5 m設(shè)計。

事故檢修門采用壩頂固定卷揚機，由3號導(dǎo)流洞2×3 200固定卷揚機拆除后改建而來，2孔2臺，容量為3 200 kN，揚程87 m，均布置在塔頂229.8 m高程啟閉機房內(nèi)，機房內(nèi)連通，兩臺機關(guān)于兩底孔中心呈軸對稱布置，機房內(nèi)設(shè)置1臺容量30 kN、揚程25 m的電動葫蘆，用于啟閉機的日常檢修及維護，配件可通過機房中間的吊物孔吊至壩頂平臺。

3.2 底孔工作門及啟閉設(shè)備

泄洪底孔工作閘門孔口尺寸5.0 m×6.0 m，設(shè)計水頭83.56 m，弧面半徑為11 m，門葉結(jié)構(gòu)采用主縱梁直支臂結(jié)構(gòu)，兩榀支臂間設(shè)橫向聯(lián)結(jié)系，門葉分為左右兩半，中間采用高強螺栓連接。門葉材料Q345B，支鉸材料ZG310-570，鉸軸材料40Cr，支鉸軸承采用圓柱鉸滑動軸承。閘門頂部主止水采用Ω形止水，Ω形止水上下均設(shè)壓板，有效防止橡皮頭翻卷，側(cè)止水采用方頭P形止水，在門楣設(shè)置彈性轉(zhuǎn)鉸止水防止閘門啟閉過程中門楣處射水。為保證水流摻氣充分，底坎采用跌坎型式，側(cè)墻開有通氣孔與跌坎補氣孔相連，同時門槽向兩側(cè)各突擴500 mm。

由于該門為深孔超高水頭弧門，為確保閘門在各種工況下安全可靠運行，特委托南京水利科學(xué)研究院(以下簡稱“南科院”)進行了泄洪底孔工作門水力學(xué)及流激振動模型試驗[6]，南科院采用數(shù)學(xué)模型和物理模型相結(jié)合的方法，按照幾何相似和時間相似原則制作了比尺1∶18的水力學(xué)模型和水彈性模型，對底孔水力學(xué)、水動力荷載特性以及結(jié)構(gòu)流激振動特性等問題進行系統(tǒng)研究，主要研究結(jié)論如下：①原設(shè)計方案在局開時水翅濺擊到洞頂，全開泄流時表層摻氣水流沖擊支鉸大梁底部，后期優(yōu)化時將支鉸高度加高0.9 m左右，上述現(xiàn)象未再出現(xiàn)；②原方案側(cè)墻門后突擴700 mm，下游底板及側(cè)墻時均壓力較小，負壓較大，優(yōu)化修改為500 mm后，負壓值大為降低；③門體中部測點徑向、切向及橫向振動加速度均方根值最大值分別為0.74、0.51、0.73 m/ s2；下支臂測點三向振動加速度均方根值隨開度增大也呈先增大后減小的變化趨勢，最大值分別為0.51、0.52、0.79 m/ s2。

啟閉設(shè)備選用雙作用搖擺式液壓啟閉機，容量為3 200 kN/1 000 kN，工作行程7.5 m，液壓泵站1機1套共2套，均布置在高程為147.25 m平臺上，兩啟閉機室連通，考慮到液壓泵站防潮因素，啟閉機室下游墻開2.0 m×2.0 m的通氣廊道。為滿足液壓啟閉機及泵站的檢修，在啟閉機室頂部設(shè)置一臺容量250 kN的雙向橋機，軌距8 m，兩底孔中間設(shè)有直通壩頂平臺的檢修孔用于將待檢設(shè)備吊出。

4 導(dǎo)流底孔金屬結(jié)構(gòu)布置

導(dǎo)流底孔共4條，1、2號為高位導(dǎo)流底孔，3、4號為低位導(dǎo)流底孔，高位導(dǎo)流底孔不設(shè)封堵閘門，低位導(dǎo)流底孔進口各設(shè)置一道封堵閘門。在施工導(dǎo)流期間封堵閘門處于開啟狀態(tài)，施工導(dǎo)流期結(jié)束后動水閉門封堵導(dǎo)流洞，保證無水條件進行堵頭施工。

封堵閘門孔口尺寸8.0 m×10.0 m，底坎高程113.50 m，為平面滑動鋼閘門，最高擋水水頭56.0 m。閘門止水布置在下游面，門葉材料Q345B，銅基鑲嵌自潤滑滑道支承。閘門靠自重加配重動水閉門，啟門力計算時考慮在操作水頭下動水啟門可能。

啟閉機選用固定卷揚機，容量為2×3 200 kN，揚程25 m，啟閉機布置在150.50 m高程的啟閉機平臺上。根據(jù)施工導(dǎo)流要求，3號封堵門下閘水位為129.5 m，4號封堵門下閘水位為132.5m，時間差約1周左右，考慮到單個吊點容量與泄洪底孔事故門啟閉機容量相同，而且泄洪底孔事故門2孔均為單吊點啟閉機，因此3號導(dǎo)流洞啟閉機按與事故門啟閉機永臨結(jié)合設(shè)計，待3號導(dǎo)流洞封堵門下閘后即刻對該啟閉機進行拆除，一分為二，并重新配備滿足87m揚程的鋼絲繩、動滑輪組等配件用于泄洪底孔事故門永久使用，大大節(jié)約成本，4號導(dǎo)流洞啟閉機如具備有條件可拆除回收。

5 結(jié) 語

蘇阿皮蒂水電站本著安全、經(jīng)濟合理、運行便利的原則，對金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備布置進行了優(yōu)化設(shè)計與研究，主要技術(shù)特點體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)3號導(dǎo)流洞封堵門啟閉機采用永臨結(jié)合設(shè)計方法，與泄洪底孔事故門啟閉機共用，做到經(jīng)濟合理。

(2)電站快速門液壓機采用壓蓋式設(shè)計，機架與機座間高強螺栓密封連接，操作運行方便，壩面整潔美觀。

(3)泄洪底孔工作門通過設(shè)計與模型試驗相結(jié)合方法，優(yōu)化調(diào)整了支鉸高度和側(cè)墻突擴尺寸，使洞頂、支鉸避免了水翅和摻氣水流沖擊，下游底板及側(cè)墻負壓減小，并且整體閘門振動加速度基本在1 m/ s2以下，設(shè)計安全合理。目前蘇阿皮蒂水電站正處在施工高峰期，3、4號導(dǎo)流洞封堵門已下閘封堵，導(dǎo)流洞啟閉機均業(yè)已順利拆除，金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備布置、設(shè)計研究的合理性有待實際運行檢驗。