何源望，呂飛鳴，李莉娟

（1.浙江華東機(jī)電工程有限公司，浙江杭州，311122；2.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州，311122）

0 引言

桃源水電站工程位于湖南省常德市桃源縣縣城附近的沅水干流河段，是沅水干流最末一個(gè)水電開發(fā)梯級(jí)，左、右岸分別為桃源縣漳江垸和潯陽(yáng)垸，上下游兩岸均為人口稠密區(qū)。桃源水電站為大（2）型低水頭徑流式電站，是一個(gè)以發(fā)電為主、兼顧航運(yùn)、旅游等綜合利用的工程。發(fā)電廠房安裝9臺(tái)燈泡貫流式發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量20 MW，總裝機(jī)容量180 MW。電站首臺(tái)機(jī)組于2013年10月投產(chǎn)發(fā)電。

電站樞紐布置特點(diǎn)是江中部有一座雙洲島，小島將河道分成左、右兩邊，整個(gè)樞紐橫跨雙洲島。樞紐從左至右依次布置左岸副壩、左河道14 孔泄洪閘、雙洲船閘、發(fā)電廠房、右河道11孔泄洪閘、右岸副壩等。每孔泄洪閘設(shè)置1扇弧形閘門，每孔弧門由1 套2×2 600 kN 擺動(dòng)式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作?；￠T底檻高程26.0 m，閘前運(yùn)行水位39.50 m，下游最低運(yùn)行水位29.44 m。

水庫(kù)景觀與著名的桃花源遙相輝映，是當(dāng)?shù)匾粭l獨(dú)特的風(fēng)景線，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益十分明顯。然而，由于電廠處于右河槽，受雙洲島的阻隔，緊鄰城區(qū)的左河槽除泄洪期外基本處于死水狀態(tài)。左河槽庫(kù)區(qū)表層的氧化水日積月累，不僅影響左岸桃源縣城居民的生活品質(zhì)，也對(duì)該區(qū)域范圍內(nèi)的閘門表面造成了加速腐蝕的負(fù)面作用。作為已建成電站，如何解決左河槽表層水的有效流動(dòng)問題，在阻斷表層水累積氧化的同時(shí)兼顧放水經(jīng)濟(jì)性和操控安全性，是桃源水電站運(yùn)行以來(lái)面臨的一大難題。

圖1 桃源水電站（上游左河槽視角）Fig.1 Taoyuan hydropower station

1 舌瓣門增設(shè)方案研究

鑒于桃源水電站左河槽改善水質(zhì)、保護(hù)水庫(kù)生態(tài)環(huán)境、提高居民生活幸福指數(shù)的迫切需求，受電站業(yè)主方委托，進(jìn)行了多種阻止氧化水積累的方案研究。在盡可能不影響電廠正常發(fā)電和滿足泄洪要求的前提下，廣泛收集國(guó)內(nèi)外類似的工程資料，本著“滿足小流量泄水，加強(qiáng)水庫(kù)表層水的流動(dòng)性，使氧化水得到改善”的指導(dǎo)思想，結(jié)合樞紐既成布置的特殊情況、上下游運(yùn)行水位變化規(guī)律和現(xiàn)行弧門調(diào)洪操作方式等，初擬了多個(gè)方案進(jìn)行可行性分析和研究，最終選擇了對(duì)部分孔別的泄洪閘弧形閘門增設(shè)舌瓣門的方案。

舌瓣門體量小、操作靈活且溢流面為弧形設(shè)計(jì)，水流平穩(wěn)，能以最小的耗水量安全有效地泄放表層水。當(dāng)舌瓣門正常實(shí)現(xiàn)左河槽的表層水流動(dòng)時(shí)，弧形閘門不需要做任何動(dòng)作，這不僅大大降低了弧形閘門及啟閉機(jī)的操作頻率，減少了棄水損失，還對(duì)能耗、泄洪閘的安全性及壽命都有非常積極的作用。

目前，國(guó)內(nèi)外已有一些電站在泄洪閘弧形閘門安裝舌瓣門的成功經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)原泄洪閘弧形閘門結(jié)構(gòu)特征及多年運(yùn)行的實(shí)際情況，研究改造的范圍和規(guī)模，結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，確定對(duì)以下幾個(gè)方面開展研究：（1）對(duì)水庫(kù)表層靜態(tài)腐化水活化方式進(jìn)行研究；（2）復(fù)核現(xiàn)役啟閉設(shè)備容量，對(duì)改造方案進(jìn)行研究；（3）結(jié)合原弧門結(jié)構(gòu)特征，對(duì)舌瓣門技施方案進(jìn)行研究；（4）分析電站運(yùn)行特點(diǎn)，對(duì)施工方案措施進(jìn)行研究。

1.1 舌瓣門設(shè)置原則

（1）增設(shè)舌瓣門前，需在原弧形閘門上切割掉一定尺寸的門體。因此，舌瓣門開口尺寸和切割位置應(yīng)有利于弧形閘門保持結(jié)構(gòu)的剛度。

（2）舌瓣門尺寸除考慮弧形閘門主縱梁的布置情況外，還要控制自身重量，避免改造后的弧形閘門啟閉力超出原啟閉機(jī)容量。

（3）設(shè)置舌瓣門主要用于活化河道閘前表層水質(zhì)，開口高度應(yīng)滿足表層水的充分流動(dòng)。

結(jié)合上述因素，比較分析后得出舌瓣門高度設(shè)定為2 m可以滿足要求。

1.2 舌瓣門設(shè)置方案研究

1.2.1 弧門啟閉力復(fù)核及舌瓣門寬度研究

根據(jù)現(xiàn)役弧形閘門縱隔板布置間距（2.2 m）和弧門支臂內(nèi)間距（10 m），初步擬定舌瓣門的寬度為5 m、6 m和7.5 m三種方案。

現(xiàn)役弧門啟閉力復(fù)核計(jì)算按照現(xiàn)行NB/T 35055-2015《水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行，主要參數(shù)按照原設(shè)計(jì)圖紙復(fù)核如下：

（1）總水壓力復(fù)核：弧形閘門總水壓力P=21 008 kN，與原設(shè)計(jì)相同。

（2）影響啟閉力的閘門重量復(fù)核：閘門重心到支鉸中心的力臂r2按照0.84R計(jì)算，即r2=0.84×20 000=16 800 mm；啟閉力到支鉸中心的力臂R2為8 100 mm；支鉸軸半徑ro=250 mm；圖紙中球面軸承為黃銅合金鑲嵌固體潤(rùn)滑材料，故摩擦系數(shù)采用鋼基銅塑鍍鉻（不銹）鋼f1=0.14；原弧門總重量為226.94 t，扣除固定鉸11.2 t、固定軸及配件4.34 t后，閘門重量為211.4 t。

按照上述復(fù)核參數(shù)，三個(gè)方案的啟閉力復(fù)核結(jié)果見表1。

表1 啟閉力復(fù)核結(jié)果Table 1 Review results of open and close force

自電站投運(yùn)以來(lái)，桃源公司對(duì)弧門啟閉機(jī)進(jìn)行了跟蹤監(jiān)測(cè)。從監(jiān)測(cè)信息看，弧形工作閘門安裝運(yùn)行至今，啟門時(shí)（39.5 m蓄水位）液壓缸有桿腔最大壓力約為17 MPa（16～18 MPa），實(shí)際啟門力約為4 600 kN。由此說(shuō)明啟門力的理論復(fù)核計(jì)算值和實(shí)際值基本吻合，可以用理論計(jì)算值作為啟閉機(jī)容量是否滿足改造要求的標(biāo)準(zhǔn)。

綜上所述，從弧門啟閉力安全裕度、舌瓣門的安裝工作量、后期維保成本、表層水流動(dòng)效率等方面綜合比選，確定最優(yōu)方案為方案二。

1.2.2 舌瓣門設(shè)置位置及數(shù)量研究

左河道共有14 扇弧形閘門，根據(jù)實(shí)際水流狀態(tài)，靠近兩岸的水流流動(dòng)性相對(duì)差，中間稍好。因此，舌瓣門的位置設(shè)置以左河槽泄洪閘兩邊孔對(duì)稱設(shè)置為主、中間孔適當(dāng)考慮。

根據(jù)樞紐布置，左河槽寬度約400 m，中洲島在水庫(kù)中從閘前至上游末端的長(zhǎng)度約500 m，假設(shè)該片水域表層2 m的水體需要流動(dòng)交換，則該部分水體體積大約為40萬(wàn)m3，6 m寬舌瓣門的平均單寬流量Q=18.6 m3/s。舌瓣門的設(shè)置位置和數(shù)量及換水所需時(shí)間比較見表2。兩邊各2孔+中間1孔的方案換水所需時(shí)間最短，相對(duì)最優(yōu)。

表2 舌瓣門不同設(shè)置位置、數(shù)量及換水所需時(shí)間比較Table 2 Comparison of water exchange time with different posi?tions and numbers of flap gates

2 舌瓣門技施設(shè)計(jì)方案研究

2.1 舌瓣門結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

弧形舌瓣門是水利水電工程中的一種復(fù)式弧形組合閘門，弧形組合閘門由上部開口的弧形閘門與鉸接在弧形閘門開口內(nèi)的弧形舌瓣門組成。弧形舌瓣門的側(cè)邊和底邊與弧形閘門止水配合，背面與液壓?jiǎn)㈤]機(jī)構(gòu)鉸接，液壓?jiǎn)㈤]機(jī)構(gòu)裝在弧形閘門下游面，在弧形閘門關(guān)閉的情況下，可通過(guò)控制液壓缸的伸縮進(jìn)行弧形舌瓣門的開和關(guān)。

2.2 舌瓣門技施方案

舌瓣門增設(shè)在原總體布置、孔口尺寸與設(shè)計(jì)水位不變的條件下進(jìn)行。舌瓣門按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)NB/T 35055-2015《水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》設(shè)計(jì)，動(dòng)力系數(shù)取1.1，容許應(yīng)力調(diào)整系數(shù)取0.9。通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外弧形舌瓣門的相關(guān)資料，結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，確定弧形舌瓣門技術(shù)方案如下。

（1）弧形舌瓣門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。在現(xiàn)役弧形工作閘門的上部中間位置開口，孔口尺寸為6.0 m×2.26 m（寬×高），以安裝舌瓣門。在開口處加設(shè)筋板和肋板，以保證閘門的局部剛度和強(qiáng)度。在開口的兩邊分別安裝兩塊側(cè)板，作為側(cè)止水板。舌瓣門為焊接結(jié)構(gòu)，弧門半徑為4.6 m，門葉板材選用與弧門相同的Q345B，型鋼選用Q235B，布置兩根實(shí)腹板主梁。舌瓣門底部支鉸用底軸與弧形工作閘門連接，采用偏心可調(diào)式支鉸座，以保證左右支鉸的同心度，支鉸軸套采用自潤(rùn)滑材料。舌瓣門底止水為P型橡皮，在舌瓣門啟閉過(guò)程中，P頭始終緊貼弧形面板，保證密封。側(cè)止水為L(zhǎng) 型橡皮，在舌瓣門啟閉過(guò)程中，L 型橡皮緊貼側(cè)止水板滑動(dòng)，保證密封。每扇弧形舌瓣門上還設(shè)有自動(dòng)機(jī)械鎖定裝置，鎖定塊設(shè)于弧形閘門側(cè)擋板上，左右對(duì)稱各一套，保證在弧形工作閘門擋水和運(yùn)行操作時(shí)，舌瓣門的液壓?jiǎn)㈤]機(jī)活塞桿不受力，由機(jī)械鎖定裝置使舌瓣門始終處于關(guān)閉狀態(tài)。

圖2 弧形舌瓣門（單位：mm）Fig.2 The tainter flap gate

（2）舌瓣門防腐方案。防腐方案直接影響閘門的使用壽命和維護(hù)成本，舌瓣門工作環(huán)境為水位變動(dòng)的干濕交替狀態(tài)，因此防腐材料應(yīng)選用耐水性好、層間附著力強(qiáng)、耐干濕交替等綜合性能較優(yōu)的涂料。涂料的選購(gòu)、涂裝前的金屬表面處理、施工方法、保護(hù)涂層的質(zhì)量檢查、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等均按DL/T 5358-2006《水電水利工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備防腐蝕技術(shù)規(guī)程》執(zhí)行。舌瓣門涂料類型、漆膜厚度的選擇見表3。

表3 舌瓣門涂料類型和漆膜厚度Table 3 The type and thickness of the paint for flap gate

2.3 舌瓣門驅(qū)動(dòng)及控制關(guān)鍵技術(shù)要求

（1）舌瓣門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的布置方案。舌瓣門的啟閉操作采用500 kN 液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，根據(jù)舌瓣門的操作方式，油缸需布置在舌瓣門下游中部，并將弧門作為舌瓣門油缸的支撐點(diǎn)，油缸上部吊頭與舌瓣門吊耳相連，油缸下部支座與弧形工作閘門相連，支撐處均設(shè)筋板對(duì)弧門進(jìn)行局部加強(qiáng)。油缸的進(jìn)/出油管沿弧門門葉后翼緣→弧門支臂→弧門支鉸牛腿→閘墻→油管溝→機(jī)房油箱。

（2）舌瓣門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的操作方式。開啟時(shí)，液壓缸先將舌瓣門往上游方向推動(dòng)，使鎖定塊脫離舌瓣門，從而解除舌瓣門的鎖定，在門重及水壓力的作用下，舌瓣門開啟；關(guān)閉時(shí)，由液壓缸將舌瓣門頂起，當(dāng)鎖定塊卡進(jìn)位于閘門頂部的擋塊后，舌瓣門關(guān)閉。為保證舌瓣門及同孔弧形閘門的安全運(yùn)行，兩者之間的操作應(yīng)存在閉鎖關(guān)系，即當(dāng)同孔弧形閘門處于全關(guān)位置時(shí)舌瓣門才能開啟，當(dāng)舌瓣門關(guān)閉到位并鎖定后同孔弧形閘門才能開啟。

（3）結(jié)合現(xiàn)有泵站房情況，舌瓣門驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)改造方案要求為：舌瓣門的液壓及電氣控制系統(tǒng)與原閘門相互獨(dú)立，設(shè)置一套獨(dú)立泵站，泵站包括控制閥組、油泵電動(dòng)機(jī)組、油箱和電氣控制柜。舌瓣門電氣控制柜需接入動(dòng)力電源和控制電纜，與集控進(jìn)行通訊，接受遠(yuǎn)方控制，并將舌瓣門位置信號(hào)接入泄洪閘弧門電氣控制系統(tǒng)，形成操作互鎖。

3 舌瓣門增設(shè)施工方案措施

3.1 交通和環(huán)保要求

因電站壩面公路作為市政交通道路開放使用，施工方案必須考慮施工過(guò)程對(duì)交通和環(huán)境的影響，這也是改造能否實(shí)施的必要條件之一。通過(guò)詳細(xì)分解改造工作內(nèi)容，可以將工程以內(nèi)業(yè)與外業(yè)相結(jié)合的方式進(jìn)行，內(nèi)業(yè)為工廠內(nèi)作業(yè)，對(duì)交通和環(huán)境沒有影響，而部分外業(yè)工作如弧門的切除件吊裝、舌瓣門門體及附件吊裝就位、泵站及電控柜吊裝就位等，道路需做階段性的短暫封閉，施工過(guò)程中采取相應(yīng)措施可避免對(duì)現(xiàn)場(chǎng)交通和環(huán)境產(chǎn)生大的影響。

3.2 施工工期研究

（1）根據(jù)多年水情，一般非汛期為每年10月到第二年的3 月，現(xiàn)場(chǎng)施工只能利用非汛期進(jìn)行，需盡量縮短時(shí)間。

（2）舌瓣門增設(shè)工作分項(xiàng)工期如表4。

表4 舌瓣門增設(shè)工作分項(xiàng)工期Table 4 Periods of sub-projects of flap gate installation

第1 項(xiàng)工作在工廠內(nèi)完成，后面4 項(xiàng)工作需要現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。按照表4 中的時(shí)間估算，1 孔舌瓣門改造現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)大約需要5周時(shí)間，由于左河槽閘門現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)只能利用唯一的1 孔浮式檢修門作封堵使用，5 孔舌瓣門改造共計(jì)需要25 周直線工期時(shí)間?？紤]施工期間國(guó)定假日、雨雪大風(fēng)等因素的影響，施工期還會(huì)加長(zhǎng)。但是，通常從第二孔開始，受益于施工經(jīng)驗(yàn)的累積，以及第4、第5項(xiàng)部分工作的同時(shí)施工，整體的實(shí)際工期會(huì)逐漸縮短。因此，在一個(gè)非汛期即6 個(gè)月內(nèi)完成現(xiàn)場(chǎng)改造施工是可以實(shí)現(xiàn)的。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)湖南沅水桃源水電站泄洪閘弧門增設(shè)舌瓣門的研究，以最小的棄水損失安全有效地解決了左河槽庫(kù)區(qū)表層水的流動(dòng)與交換問題，在阻斷表層水累積氧化的同時(shí)兼顧放水經(jīng)濟(jì)性和操控安全性，為改善水質(zhì)、保護(hù)水庫(kù)生態(tài)環(huán)境、提高居民生活幸福指數(shù)提供了很好的解決方案?；￠T一般為電站的主要泄洪設(shè)施，其改造方案往往涉及電站發(fā)電運(yùn)行、度汛安全，以及對(duì)原鋼結(jié)構(gòu)、土建結(jié)構(gòu)、環(huán)境、交通的影響等，與新建電站相比，考慮和牽涉的面更廣、更復(fù)雜。桃源水電站泄洪閘弧門增設(shè)舌瓣門的改造方案研究值得類似電站借鑒使用?！?/p>