刁 楠

(上?？睖y設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200335)

1 概述

伊辛巴水電站位于烏干達(dá)共和國南部的維多利亞尼羅河上，電站總裝機(jī)容量為183.2 MW，總庫容為1.7億m3。伊辛巴水電站為徑流式水電站，其樞紐主要建筑物由如下部分構(gòu)成：左右岸粘土心墻堆石壩、溢洪道及河床式發(fā)電廠房，三者在位置上處于同一壩軸線，共同承擔(dān)擋水的任務(wù)，樞紐布置如圖1所示 。工程于2015年開工，2019年4臺(tái)機(jī)組全部投產(chǎn)發(fā)電。本工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備由引水發(fā)電系統(tǒng)和泄洪系統(tǒng)兩部分組成。整個(gè)工程的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備包含各類閘門及攔污柵共9種34扇，門槽埋件45孔，啟閉機(jī)15套。

本工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要依據(jù)美國陸軍工程兵團(tuán)(USACE)編制的《Design Of Hydraulic Steel Structures》[1]、美國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)編制的《Specification For Structural Steel Buildings》[2]以及《Design of Hydraulic Gate》[3]。

圖1 伊辛巴水電站樞紐建筑物布置示意

2 引水發(fā)電系統(tǒng)閘門及啟閉設(shè)備設(shè)計(jì)

引水發(fā)電系統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備由進(jìn)水口檢修閘門及雙向門機(jī)、攔污柵及清污設(shè)備、事故閘門及液壓啟閉機(jī)、廠房尾水檢修閘門及單向門機(jī)等組成。電站裝機(jī)4臺(tái)，設(shè)有4條引水道，每條引水道進(jìn)口處利用隔墩分成2孔，4條引水道共8孔。在引水道進(jìn)口處依次設(shè)有1道檢修閘門(8孔共2扇)[4]，1道攔污柵(8孔共8扇)，1道事故閘門(8孔共8扇)。在廠房尾水管出口處設(shè)有1道尾水檢修閘門，4臺(tái)機(jī)組共設(shè)有8孔4扇尾水檢修閘門，可用于兩臺(tái)機(jī)組檢修時(shí)擋水[4]；另配置4扇尾水臨時(shí)擋水閘門，用于施工期機(jī)組安裝。引水系統(tǒng)閘門及啟閉機(jī)縱剖面布置與平面布置詳見圖2。

圖2 引水系統(tǒng)閘門及啟閉設(shè)備縱剖面及平面布置示意

2.1 進(jìn)水口檢修閘門及啟閉設(shè)備

進(jìn)水口前沿布置1道平面檢修閘門，在機(jī)組、引水道以及事故閘門檢修的情況下關(guān)閉檢修閘門擋上游來水。檢修閘門孔口尺寸(寬×高)為8.35 m×25.60 m，底檻高程為1 029.90 m，按最高洪水位1 055.00 m設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)水頭為25.10 m。

檢修閘門為平面定輪疊梁鋼閘門，共4節(jié)，可互換。每節(jié)門葉分2個(gè)制造運(yùn)輸單元，節(jié)間通過銷軸相連。檢修閘門采用下游面板、下游止水的布置形式。門葉主體為焊接結(jié)構(gòu)，門體的梁系為實(shí)腹式同層布置。側(cè)水封選用P型，底水封選用I型，水封采用表面為聚四氟乙烯涂層的橡塑復(fù)合材料，以降低摩擦因數(shù)[5-6]。主支承采用φ800 mm簡支輪，反向限位裝置采用滑塊，門背側(cè)設(shè)置槽外φ300 mm懸臂式側(cè)輪。檢修閘門采用Ⅰ型門槽，埋件主要由主軌、反軌、底檻3部分構(gòu)成，其中主軌采用鑄鋼軌頭與焊接副軌組合的復(fù)合截面，反軌采用焊接組合截面。

檢修閘門的操作條件為靜水啟閉。啟門時(shí)，提頂節(jié)疊梁小開度充水，充水平壓至前、后水位接近齊平時(shí)再完全開啟閘門。檢修閘門日常放置在壩頂平臺(tái)的門庫中。

進(jìn)水口壩段設(shè)置1臺(tái)雙向門機(jī)，啟閉容量為2×1 600 kN，軌距為15.0 m，軌上揚(yáng)程為15.0 m，總揚(yáng)程為38.0 m。雙向門機(jī)用于檢修閘門的啟閉，以及攔污柵、事故閘門、液壓啟閉機(jī)的檢修啟吊。

2.2 進(jìn)水口攔污柵及清污設(shè)備

在檢修閘門下游側(cè)設(shè)有1道斜立固定式攔污柵，用于攔截流道污物，防止污物進(jìn)入機(jī)組對其造成破壞。攔污柵的孔口尺寸(寬×垂直高)為8.35 m×16.0 m，底檻高程為1 029.9 m，柵葉的設(shè)計(jì)水頭為5.0 m，框架的設(shè)計(jì)水頭為10.0 m。

攔污柵傾角為75°，共分5節(jié)，單節(jié)由柵條、柵條間的間隔環(huán)及支撐框架組成。支承框架為焊接結(jié)構(gòu)，由多主梁、兩邊梁組成。柵條與支撐框架焊接，柵條的凈距為136 mm。柵條為扁鋼的形式，其上游面磨圓以減小水頭損失。攔污柵支撐框架與混凝土結(jié)構(gòu)上的預(yù)埋支承梁通過螺栓連接固定。

攔污柵利用清污機(jī)來進(jìn)行污物的打撈和輸送工作。清污機(jī)為移動(dòng)式，由耙斗及其軌道、翻板機(jī)構(gòu)、門架、集污斗、起升機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)等組成。清污機(jī)安裝平臺(tái)的高程為1 057.50 m，清污機(jī)軌距4.20 m；耙斗寬約3.0 m，單次打撈容量為20 kN，相應(yīng)起升機(jī)構(gòu)容量約2×30 kN，揚(yáng)程32 m；集污斗容量約3 m3。

2.3 進(jìn)水口事故閘門及啟閉設(shè)備

事故閘門布置在攔污柵下游側(cè)，用于事故時(shí)快速關(guān)閉流道、切斷水流。其孔口尺寸(寬×高)為8.35 m×12.45 m，底檻高程為1 023.42 m。閘門按校核洪水位1 055.00 m進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)水頭為31.58 m。

事故閘門為潛孔式平面定輪閘門，單吊點(diǎn)，按運(yùn)輸單元分4節(jié)制造，至現(xiàn)場后通過銷軸連成整扇。事故閘門面板和止水均布置在上游側(cè)，閘門關(guān)閉時(shí)門后無水，可以避免定輪長時(shí)間處于水中[7]。門葉主體為焊接結(jié)構(gòu)，門體的梁系為實(shí)腹式同層布置。頂、側(cè)水封選用P型，底水封選用I型。主支承采用φ800 mm簡支輪，采用偏心距為5 mm的偏心軸，以便安裝時(shí)調(diào)整定輪踏面在同一平面上，從而保證多輪受力均勻[8]；反向限位裝置采用滑塊，門背側(cè)設(shè)置槽外φ300 mm懸臂式側(cè)輪。事故閘門頂節(jié)設(shè)φ250 mm閘閥式充水閥[9]。根據(jù)合同要求，事故閘門需在動(dòng)水中依靠自重閉門，不得利用水柱壓力，因此門體內(nèi)配鑄鐵壓重塊。事故閘門采用Ⅰ型門槽，埋件主要由主軌、反軌、門楣和底檻4部分構(gòu)成，其中主軌采用鑄鋼軌頭與焊接副軌組合的復(fù)合截面，反軌采用焊接組合截面。

事故閘門的操作條件為動(dòng)水閉門、靜水啟門。事故閘門日常懸掛在孔口上方約1.0 m的位置，在接到關(guān)閉指令后，靠閘門自重在3 min內(nèi)關(guān)閉孔口；事故解除后，啟門前利用門頂?shù)某渌y充水平壓至前后水位差不大于3.0 m時(shí)提門。

事故閘門采用快速閘門用液壓啟閉機(jī)進(jìn)行操作，液壓啟閉機(jī)啟閉容量為2 500 kN，揚(yáng)程為14.0 m，布置在1 057.50 m高程。8臺(tái)液壓啟閉機(jī)共用1個(gè)液壓泵站，液壓泵站內(nèi)設(shè)3套油泵電動(dòng)機(jī)組，兩主一備；液壓泵站布置于廠房上游靠安裝間側(cè)的1 053.5 m高程平臺(tái)機(jī)房內(nèi)，油管自機(jī)房接至液壓啟閉機(jī)。

事故閘門可通過鎖定拖車鎖定在高程1 047.80 m檢修平臺(tái)上，進(jìn)行日常的檢修和維護(hù)。當(dāng)事故閘門需提出孔口檢修時(shí)，先將其鎖定在檢修平臺(tái)上，拆除液壓啟閉機(jī)與事故閘門的連接后，利用壩頂雙向門機(jī)將液壓啟閉機(jī)和事故閘門逐一吊出門槽。

2.4 廠房尾水檢修閘門及啟閉設(shè)備

廠房尾水設(shè)1道檢修閘門，尾水閘門孔口尺寸(寬×高)為8.45 m×7.947 m，底檻高程為1 015.357 m，按廠房最高尾水位1 043.43 m設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)水頭為28 m。臨時(shí)性擋水閘門按二期圍堰擋水水位1 040.7 m設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)水頭為26 m。臨時(shí)性擋水閘門在竣工后報(bào)廢，故臨時(shí)性擋水閘門設(shè)計(jì)時(shí)不考慮增加銹蝕裕度，也不進(jìn)行防腐處理。

尾水檢修閘門的型式為平面滑動(dòng)鋼閘門，雙吊點(diǎn)布置。閘門分4個(gè)制造運(yùn)輸單元，通過銷軸連成整扇。尾水檢修閘門面板和止水均布置在廠房側(cè)。門葉主體為焊接結(jié)構(gòu)，門體的梁系為實(shí)腹式同層布置。頂、側(cè)水封選用P型，底水封選用I型。主支承采用滑塊，反向限位裝置采用彈性反輪，門背側(cè)設(shè)置槽外φ300 mm懸臂式側(cè)輪。尾水檢修閘門頂部設(shè)兩只φ300 mm壓蓋式充水閥[9]。尾水檢修閘門采用Ⅰ型門槽，埋件主要由主軌、反軌、門楣和底檻4部分構(gòu)成，其中主、反軌采用焊接組合截面。

尾水檢修閘門的操作條件為靜水啟閉。閘門開啟前需利用門頂?shù)某渌y進(jìn)行充水平壓，待充水平壓至前后水位差不大于1.0 m時(shí)方可提門。

尾水閘門啟閉設(shè)備采用單向門機(jī)配自動(dòng)抓梁操作。尾水門機(jī)設(shè)置在高程1 045.5 m平臺(tái)，啟閉容量為2×630 kN，軌距為4.5 m，軌上揚(yáng)程為10.0 m，總揚(yáng)程為31.0 m。

尾水閘門日常鎖定在孔口上方的平臺(tái)上，尾水檢修閘門的檢修和組裝均在1 045.50 m高程的尾水平臺(tái)上進(jìn)行。

3 泄洪系統(tǒng)閘門及啟閉設(shè)備設(shè)計(jì)

泄洪系統(tǒng)由表孔溢洪道和底孔溢洪道組成，用來完成水庫的泄洪以及沖砂的任務(wù)，水庫泄洪采用表孔和底孔相結(jié)合的方式進(jìn)行。

表孔溢洪道共2孔，依次布置1道檢修閘門，配置1扇閘門，2孔共用[4]；1道弧形工作閘門，共2孔2扇。表孔溢洪道閘門及啟閉設(shè)備縱剖面布置及平面布置見圖3。

圖3 表孔溢洪道閘門及啟閉設(shè)備縱剖面及平面布置示意

底孔溢洪道共3孔，進(jìn)口喇叭口后設(shè)有1道平面事故檢修閘門，配置1扇閘門，3孔共用；出口處設(shè)有1道弧形工作閘門，3孔3扇；弧形工作閘門的下游設(shè)1道檢修閘門，3孔1扇[4]。底孔溢洪道閘門及啟閉設(shè)備縱剖面布置及平面布置見圖4。

圖4 底孔溢洪道閘門及啟閉設(shè)備縱剖面及平面布置示意

3.1 表孔檢修閘門及啟閉設(shè)備

溢洪道表孔檢修閘門的孔口尺寸(寬×高)為14.0 m×10.50 m，底檻處的高程為1 044.50 mm，按正常蓄水位1 054.50 m設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)水頭約為10.0 m。

檢修閘門為平面定輪疊梁鋼閘門，共3節(jié)，節(jié)間通過銷軸相連。檢修閘門采用下游面板、下游止水的布置形式。門葉主體為焊接結(jié)構(gòu)，門體的梁系為實(shí)腹式同層布置。側(cè)水封選用P型，底水封選用I型。主支承采用φ800 mm簡支輪，反向限位裝置采用滑塊，門背側(cè)設(shè)置槽外φ300 mm懸臂式側(cè)輪。檢修閘門采用Ⅰ型門槽，埋件主要由主軌、反軌、底檻3部分構(gòu)成，其中主軌采用鑄鋼軌頭與焊接副軌組合的復(fù)合截面，反軌采用焊接組合截面。

檢修閘門的操作條件為靜水啟閉。開啟前小開度提頂節(jié)門葉充水，充水平壓至前、后水位接近齊平時(shí)再完全開啟閘門。

檢修閘門的啟閉操作采用設(shè)置于壩頂?shù)碾p向門機(jī)借助于自動(dòng)抓梁進(jìn)行。雙向門機(jī)的主鉤容量2×1 600 kN，副鉤容量100 kN，軌距為15.0 m，軌上揚(yáng)程為15.0 m，總揚(yáng)程38.0 m 。

檢修閘門日常放置在壩頂門庫中，其檢修與維護(hù)可在1 057.50 m高程壩頂進(jìn)行。

3.2 表孔弧形工作閘門及啟閉設(shè)備

表孔弧形工作閘門孔口尺寸(寬×高)為14.0 m×10.50 m，底檻處的高程為1 044.50 m，按正常蓄水位1 054.50 m設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)水頭為10.0 m。本電站的攔污、清污遵循“攔”、“排”、“清”相結(jié)合的方式[10]，在攔污柵阻攔污物、清污抓斗清除污物的基礎(chǔ)上，增設(shè)表孔翻板門來排除部分漂浮物，以減輕攔污柵的攔污壓力、從而保證水輪發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行。另一方面，翻板門的設(shè)置在保證下泄流量的同時(shí)還可減少泄水量，增加發(fā)電效益[11]。因此，在每扇弧形閘門頂部設(shè)有1扇翻板閘門。蓄水時(shí)，翻板門關(guān)閉，與弧門一起作為擋水閘門，而當(dāng)水庫有排漂浮物的需求時(shí)，翻板門朝下游翻倒開啟，水庫表層漂浮物即可排向下游。

弧形工作閘門為斜支臂弧門，面板的曲率半徑為13.0 m，支鉸布置在1 051.0 m高程。弧形工作閘門整扇閘門分門葉、支臂、支鉸等部分運(yùn)至工地后組裝成整體，其中門葉結(jié)構(gòu)分4個(gè)制造運(yùn)輸單元，于工地焊接成整體。閘門主橫梁及斜支臂均為工字型實(shí)腹截面，所有梁系同層布置。側(cè)水封選用L型，底水封選用I型。支鉸的軸承選用自潤滑球面軸承[12]，兩側(cè)各設(shè)有2只側(cè)導(dǎo)向滑塊。閘門吊耳布置在面板側(cè)對應(yīng)于下主橫梁的位置。

弧形工作閘門的操作方式為動(dòng)水啟閉，可以有條件地局部開啟運(yùn)行?；⌒喂ぷ鏖l門采用2×1 250 kN液壓啟閉機(jī)操作，啟閉行程約為4.97 m，布置在 1 055.7 m 高程。每臺(tái)液壓啟閉機(jī)設(shè)1個(gè)液壓泵站操作和控制該啟閉機(jī)，液壓泵站內(nèi)設(shè)2套油泵電動(dòng)機(jī)組，一主一備；液壓泵站設(shè)置在靠近各弧門的閘墩上的機(jī)房內(nèi)。

翻板閘門開孔尺寸(寬×高)7.5 m×2.5 m，底部設(shè)有2個(gè)支鉸，鉸座安裝在弧門上部橫梁上，鉸鏈設(shè)置在翻板閘門上；翻板門側(cè)面設(shè)有側(cè)向擋板，側(cè)向擋板與弧門的縱梁焊接成整體。用于操作翻板門的液壓啟閉機(jī)，其液壓油缸的支承鉸座安裝在弧門的縱梁上、作用桿與翻板門上的鉸座連接，從而實(shí)現(xiàn)翻板門的旋轉(zhuǎn)開閉。翻板門液壓啟閉機(jī)容量為2×320 kN，揚(yáng)程為2.33 m。

高程1 057.50 m的檢修平臺(tái)上設(shè)有液壓穿銷鎖定裝置對閘門進(jìn)行鎖定。

3.3 底孔事故檢修閘門及啟閉設(shè)備

底孔溢洪道進(jìn)口事故檢修閘門孔口尺寸(寬×高)為9.50 m×11.50 m，底檻高程為1 029.00 m，按最高洪水位1 055.00 m設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)水頭約為26.0 m。

底孔事故檢修閘門為平面定輪鋼閘門，雙吊點(diǎn)，分4個(gè)制造運(yùn)輸單元，至現(xiàn)場后通過螺栓成整扇。事故閘門采用上游面板、下游止水的布置型式。門葉主體為焊接結(jié)構(gòu)，采用橫梁式工字型實(shí)腹等截面焊接主梁，所有梁系同層布置。頂、側(cè)水封選用P型，底水封選用I型。主支承采用φ800 mm簡支輪，反向限位裝置采用滑塊，門背側(cè)設(shè)置槽外φ300 mm懸臂式側(cè)輪。事故閘門頂節(jié)設(shè)φ300 mm壓蓋式充水閥[9]。事故檢修閘門采用Ⅰ型門槽，埋件主要由主軌、反軌、門楣和底檻四部分構(gòu)成，其中主軌采用鑄鋼軌頭與焊接副軌組合的復(fù)合截面，反軌采用焊接組合截面。

事故檢修閘門的操作條件為動(dòng)閉靜啟。當(dāng)出口處的弧形工作閘門發(fā)生事故和檢修時(shí)，事故檢修閘門利用水柱可在動(dòng)水中關(guān)閉擋水[12]。啟門前先打開設(shè)置在門頂?shù)某渌y充水，平壓至前后水位差不大于3.0 m時(shí)再開啟閘門。

事故檢修閘門的啟閉操作采用設(shè)置于壩頂?shù)?×1 600 kN雙向門機(jī)借助于自動(dòng)抓梁進(jìn)行。

事故檢修閘門日常鎖定在孔口上方1 057.50 m高程的平臺(tái)上，并在此平臺(tái)上進(jìn)行閘門的檢修與維護(hù)。

3.4 底孔弧形工作閘門及啟閉設(shè)備

底孔溢洪道弧形工作閘門孔口尺寸(寬×高)為9.50 m×10.50 m，底檻高程為1 029.00 m，按最高洪水位1 055.00 m設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)水頭為26.0 m。

弧形工作閘門為斜支臂弧門，面板曲率半徑為17.5 m，支鉸布置于1 044.00 m高程?；⌒喂ぷ鏖l門整扇閘門分門葉、支臂、支鉸幾部分運(yùn)至工地后組裝成整體，門葉結(jié)構(gòu)分4個(gè)制造運(yùn)輸單元，于工地焊接成整體。閘門主橫梁及斜支臂均為工字型實(shí)腹截面，所有梁系同層布置。頂、側(cè)水封選用P型，底水封選用I型。支鉸的軸承選用自潤滑球面軸承[12]，兩側(cè)各設(shè)有2只側(cè)導(dǎo)向滑塊。閘門吊耳設(shè)在門葉的下橫梁上。

弧形工作閘門的操作方式為動(dòng)水啟閉，但不作局部開啟運(yùn)行。弧形工作閘門采用2×1 600 kN液壓啟閉機(jī)操作，啟閉行程為14.3 m，布置在1 044.0 m高程的平臺(tái)上；每臺(tái)液壓啟閉機(jī)設(shè)1個(gè)液壓泵站操作和控制該啟閉機(jī)，液壓泵站內(nèi)設(shè)2套油泵電動(dòng)機(jī)組，1主1備；液壓泵站設(shè)置在靠近各弧門的閘墩上的機(jī)房內(nèi)。

在底孔出口門楣上部1 041.70 m高程處設(shè)有檢修平臺(tái)，可供閘門和液壓啟閉機(jī)進(jìn)行檢修，在檢修平臺(tái)上設(shè)液壓鎖定裝置對閘門進(jìn)行鎖定。

3.5 底孔下游檢修閘門及啟閉設(shè)備

底孔溢洪道下游檢修閘門用于底孔弧形閘門檢修時(shí)擋水，孔口尺寸(寬×高)為9.50 m×14.4 m，底檻高程為1 025.00 m，按正常尾水位1 039.08 m設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)水頭為14.08 m。

檢修閘門為平面滑動(dòng)疊梁鋼閘門，共4節(jié)，可互換使用。節(jié)間通過銷軸相連。檢修閘門采用面板和水封設(shè)置在底孔的上游側(cè)。門葉主體為焊接結(jié)構(gòu)，門體的梁系為實(shí)腹式同層布置。側(cè)水封選用P型，底水封選用I型。主支承采用滑塊，反向限位裝置采用彈性反輪，門背側(cè)設(shè)置槽外φ300 mm懸臂式側(cè)輪。檢修閘門采用Ⅰ型門槽，埋件主要由主軌、反軌、底檻三部分構(gòu)成，其中主反軌采用焊接組合截面。

檢修閘門的操作條件為靜水啟閉。啟門前提頂節(jié)疊梁門葉小開度充水，充水平壓至前、后水位接近齊平時(shí)再完全開啟閘門。

檢修閘門的啟閉利用設(shè)置于壩頂高程1 045.5 m的單向門機(jī)借助于自動(dòng)抓梁進(jìn)行操作。單向門機(jī)的主鉤容量2×630 kN，副鉤容量50 kN，軌距為4.50 m，軌上揚(yáng)程為10.0 m，總揚(yáng)程31.0 m。

檢修閘門日常放置在靠廠房側(cè)的儲(chǔ)門庫中，檢修閘門的檢修維護(hù)在1 045.50 m高程平臺(tái)上進(jìn)行。

4 結(jié)語

烏干達(dá)伊辛巴水電站電站4臺(tái)機(jī)組已于2019年投產(chǎn)發(fā)電，目前正常運(yùn)行近2 a，證明金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的布置、選型是合理的。