库什塔依水电站金属结构的布置与设计

库什塔依水电站金属结构的布置与设计

张广川

【摘 要】库什塔依水电站是库克苏河上第4级的水电站，该电站装机100 MW，为域等大（2）型工程，金属结构主要包括平面闸门、弧形闸门、拦污栅及液压启闭机、固定卷扬式启闭机等设备。这些设备布置在水工建筑物上，分别担任电站的泄洪和发电任务，保证工程的顺利进行。本文主要介绍该电站的工程概况及金属结构的布置和设计。

【期刊名称】《水电站机电技术》

【年(卷),期】2014(000)002

【总页数】3页(P45-46,70)

【关键词】库什塔依水电站;金属结构;闸门;启闭机

【作 者】张广川

【作者单位】新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000

【正文语种】中 文

【中图分类】TV34

库什塔依水电站工程位于新疆维吾尔自治区伊犁州直属（以下简称“伊犁地区”）的特克斯县境内，是新疆伊犁河流域库克苏河水力发电规划“2库5级”中的第4级水电站，为推荐的近期开发工程，开发任务是发电。工程坝址距该河与特克斯河汇合口18.36km，距特克斯县20km，距伊宁市139km，距乌鲁木齐市831km，坝址处地理坐标为东经81°53′，北纬43°07′。工程等别为Ⅱ等大（2）型工程，采用堤坝式开发，由拦河大坝、表孔溢洪洞、导流兼泄洪洞、发电引水洞及电站厂房等组成。最大坝高91.1m，水库总库容1.59亿m3，水库正常蓄水位1305m，死水位1285m，调节库容0.74亿m3，具有季调节性能；电站装机容量100MW，保证出力9.9MW，多年平均年发电量3.50亿kW·h，电站建成后向北疆电网供电。

库什塔依水电站的金属结构主要分布在泄洪系统和引水发电系统上。

泄洪系统由表孔溢洪洞和导流兼泄洪洞组成，表孔溢洪洞和导流兼泄洪洞位于枢纽右岸。表孔溢洪洞控制段堰顶高程1296.50m，闸顶平台高程1307.60m。采用“WES”实用堰型，共1孔，最大下泄流量为846.84m3/s。根据水库运行方式，库水位无足够的连续时间低于底槛，故设一道检修闸门和一道工作闸门。导流兼泄洪洞为有压洞，前期作为导流洞，后期承担泄洪任务，并且保证发电洞进口的“门前清”。进口底板高程1229.00m，闸井内设一道事故闸门，出口底板高程1225.00m，闸井内一道工作闸门。该洞最大下泄流量为599.85m3/s。

2.1.1 表孔溢洪洞闸门及启闭机

检修闸门∶设在溢流堰前沿，孔口尺寸12m×10.5m（宽×门高，下同），设计水头10m。闸底板高程1295.00m。闸门采用下游面板，下游封水，底水封设在下游面板底端，支承在溢流堰前沿底水封座板上。侧向采用轮径为φ300mm的导向侧轮挡动。闸门门叶结构材料采用Q345C，闸门为双吊点，吊点距为7.78m；底侧水封为P60橡皮，橡皮予压3mm。闸门静水闭门，门顶设直径为φ250mm、行程为210mm的充水阀，充水阀与启闭机联动，启门前打开充水阀充水平压后水压差不超过1m时静水启门。该检修闸门采用QP2×400kN-15m的固定卷扬式启闭机操作，启闭机安装在闸顶平台以上1322.00m高程的闸房内。

工作闸门∶孔口尺寸为12m×9.2m，设计水头8.7m，考虑到弧形闸门无门槽，具有较好的水力学条件，故设1扇弧形钢闸门。闸门设在堰顶下游0.2m处，底槛高程为1296.30m，根据风浪爬高确定门叶超高为0.5m；闸门门叶采用双主横梁斜支臂结构；综合研究闸门结构和启闭设备的布置要求，取弧门面板曲率半径为11m，与闸门高度的比值为1.2，主横梁与支臂的单位刚度比为4.53，根据溢洪道堰顶校核洪水位水面曲线及宣泄校核洪水不冲击支铰的原则，确定支铰设置高程为1302.30m；门叶结构及支臂采用Q345C制造，侧水封采用圆头L形橡皮，橡皮预压8mm，侧向设直径为φ200mm的简支式导向侧轮，铰链、铰座材料为ZG310-570，铰轴直径为φ300mm，材料为40Cr钢，轴承采用自润滑球面滑动轴承；埋件结构材料采用Q235B。由于液压启闭机具有结构紧凑、对闸门的振动能起缓冲作用等优点，又考虑到工程所在地为高地震区，经比较闸门采用一台容量为QY2×630kN-5m的悬挂式液压启闭机操作。液压启闭机设一个液压泵站。液压启闭机的缸体安装在闸墩上，经优化确定上支承中心位置高程为1307.30m，闸门处于全关位置时油缸中心线与铅垂线夹角约32.0711°，闸门处于全开位置时（闸门底缘高出校核水面线约1.2m）油缸中心线与铅垂线夹角约80.7363°。吊耳位于闸门下游下主梁两端附近，吊点距为11.1m。液压启闭机的操作系统安装在与表孔溢洪洞相邻坝段上（高程为1307.60m）的操作室内。

工程所在地冬季最低气温可达-32℃。根据电站运行的基本调度曲线分析，工作闸门在严冬长期挡水，在此期间闸门不进行操作，因此不考虑门槽的防冻问题。为防止闸门承受冰的静压力，采用发热电缆方法加热面板，使附着在面板上的冰融化，与冰层隔开达到防止闸门承受冰的静压力的目的。

2.1.2 导流兼泄洪洞闸门及启闭机

事故闸门∶孔口尺寸5m×7m（宽×高，下同），设计水头76m。共1孔，设1扇滑动支承平板钢闸门。闸门采用上游面板，下游封水。侧向设直径为φ250mm的悬臂式导向侧轮挡动。闸门门叶结构材料采用Q345C；闸门顶侧止水采用P60橡皮，橡皮预压4mm，底水封采用平板橡皮。滑道采用钢基铜塑复合材料；闸门为单吊点；闸门靠自重和水柱压力动水闭门，门顶设直径为φ300mm、行程为280mm的充水阀，充水阀与启闭机联动，启门前打开充水阀充水平压后水压差不超过3m时静水启门。闸门采用QP1×5000kN-80m的固定卷扬式启闭机操作，启闭机安装在闸顶平台以上1319.50m高程的闸房内。为便于启闭机检修，在闸房内设有1台100kN-9m的检修用单梁吊。

门槽处最大流速约为17.1m/s，为避免门槽处发生气蚀破坏和泥沙冲蚀，采用带错距、圆角、斜坡的Ⅱ型门槽。门槽中心线前1.5m、后3m范围内的底板用钢板衬护。

工作闸门∶孔口尺寸4m×5m，设计水头80m。设有1扇双主梁直支臂圆柱铰弧形钢闸门，闸门面板曲率半径为9m，支铰高度7.5m，主横梁与支臂的单位刚度比为7.48；该闸门门叶结构及支臂材料采用Q345C，铰链、铰座材料选用ZG310-570，铰轴直径φ480mm，材料为40Cr钢；闸门顶水封采用一道‘P’形橡皮和一道转铰式水封，其中转铰式水封设在门楣上，另一道设在门叶上，侧水封采用方头形橡皮；侧向设有导向滑块。闸门门叶结构按运输单元分二节制造，运至工地后在现场拼焊成整体。埋件结构材料采用Q235B，门槽底板加钢板衬护。闸门动水启闭，由QY2500/800kN（启门力/下压力）-7.1m液压启闭机操作。液压启闭机的缸体安装在1241.00m高程的平台上，液压启闭机的泵站设两套油泵电动机组，互为备用。启闭机采用现场手动和PLC控制，并通过PLC与闸门控制LCU之间的实时通讯实现远程控制和自动控制。为便于液压启闭机检修，在1254.00m高程设有一台容量为200kN，扬程为18m的检修用单梁吊。

引水发电系统布置在枢纽的右岸，在导流兼深孔泄洪洞右侧，采用一洞四机的布置形式，主要由进口引渠、进水口、引水隧洞、压力管道、岔管、支管及发电厂房组成。由引水渠引水至发电洞进口，进口底板高程1270.00m，闸顶平台高程1370.60m。为降低过栅流速，发电洞进口为喇叭口体型，分4个进水口联通式布置。每个进水口各设一道清污抓斗导向槽和一道拦污栅，在水道渐变段末端设一道事故闸门。电站共有4台水轮发电机组，2大2小，装机容量分别为35MW和15MW。每台大机组尾水有2个出口，每台小机组尾水有1个出口，共6个出口。考虑前期有1台小机组发电，后3台机组安装时间可能较长，故设6扇检修闸门。

入库污物将有部分随风浪汇集到发电进水口前，为保证栅前清，拦污栅前部约1.5m范围内，利用清污抓斗全跨清污，清污抓斗由发电洞进口闸顶双向门机操作，系统电气元件的控制及声光信号指示均设在门机司机室内。清污抓斗主要由抓斗、液压传动装置和支承框架等组成。抓斗采用全跨多叶形式，由固定叶片和转动叶片组成。液压传动装置是清污抓斗开合的驱动机构，随清污机一起进入水下工作，各主要部件都采用防水密封件。支承框架采用焊接结构，设有正、反、侧向支承导向装置。连接件采用镀锌螺栓，转动件均采取防腐措施。拦污栅槽前的轨道槽，作为清污机的导向和限位装置。

在发电进水口闸顶平台上设一台2×200kN-45m、轨距为7m的双向门机，用该门机借助自动抓梁操作清污抓斗和拦污栅。

拦污栅∶孔口尺寸4m×10.5m，共1孔，设4扇拦污栅，栅体结构按4m水位差设计，为直立式，滑块支承，栅条净距80mm，栅叶结构材料采用Q235C。栅叶结构由栅条和框架组成，栅条焊接在框架主梁的翼缘上，为防止栅条侧向失稳，在相邻栅条间用槽钢联结。栅叶为双吊点，吊点距为4.4m；栅叶结构沿高度方向分四节制造、运输，在闸顶1370.60m高程平台上用连接轴将四节栅叶连成整体。

事故闸门∶孔口尺寸7.2m×7.2m，设计水头35m，共1孔，设1扇事故闸门，采用滑动支承平板钢闸门，上游面板，下游封水，侧向设直径为φ300mm的悬臂式导向侧轮挡动。闸门门叶结构材料采用Q345C。门叶沿高度方向分成三节制造、运输，在1305.50m高程安装检修平台上分节吊装并焊接成整体。闸门靠自重和水柱压力动水下门，门顶设φ300mm充水阀，充水阀与启闭机联动，充水行程为290mm；启门前由充水阀充水平压，待上下游水位差小于3m后静水起门，该闸门采用QP2×1250kN-38m的固定卷扬式启闭机操作，启闭机的安装高程为1319.00m。

大机组尾水检修闸门∶孔口尺寸为3.3825m×3.076m，设计水头16m。共4孔，设4扇平板检修闸门。尾水管出口底板高程1214.27m，闸门采用钢基铜塑滑道支承，上游面板，上游封水，反向设四个弹性反轮。闸门为静水启闭，启门前利用机组排水管充水平压，用一台2×200kN-20m的单向门机借助自动抓梁操作。

小机组尾水检修闸门∶孔口尺寸为5.203m×2.709m，设计水头13.5m。共2孔，设2扇平板检修闸门。尾水管出口底板高程1216.71m，闸门采用钢基铜塑滑道支承，上游面板，上游封水，反向设四个弹性反轮。闸门为静水启闭，启门前利用机组排水管充水平压，共用一台2×200kN-20m的单向门机借助自动抓梁操作。

为使工程建成后，延长整个工程金属结构设施的使用寿命，减少维护工作量，该工程的所有闸门门叶、拦污栅栅叶及埋件外露表面均进行喷锌防腐处理。

库什塔依水电站金属结构设备共设置孔口19个，设置平面钢闸门9扇，弧形钢闸门2扇，拦污栅4扇；启闭设备共10台，其中固定卷扬式启闭机3台，液压式启闭机2台，双向门机1台，单向门机1台，检修用单梁吊3台。

本工程金属结构的布置与设计，吸收了同类工程的设计经验，并充分考虑到本工程的运行要求，设备布置紧凑，保证了闸门、拦污栅及各类启闭设备的安全运行。