豐滿(mǎn)水電站進(jìn)水口分層取水結構設備布置設計論文
1概 述
豐滿(mǎn)水電站是我國第一個(gè)因病壩，必須采取有效措施進(jìn)行全面治理重建的工程項目。工程位于吉林省境內第二松花江干流上的豐滿(mǎn)峽谷口，距吉林市16 km.新建工程為一等大（Ⅰ）型，開(kāi)發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，兼有防洪、灌溉、城市及工業(yè)供水、養殖和旅游等綜合效益，新建電站共安裝6臺機組，總裝機容量1 200 MW.
2進(jìn)水口分層取水金屬結構
設備布置進(jìn)水口分層取水采用單管單機布置，6臺機共設置6個(gè)引水管道。在每個(gè)進(jìn)水口沿水流方向各設置1道疊梁閘門(mén)、攔污柵、檢修閘門(mén)和快速閘門(mén)。
近年來(lái)，隨著(zhù)對生態(tài)環(huán)境保護的重視，降低下泄低溫水對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利影響，水電站引水發(fā)電系統進(jìn)水口分層取水方式正逐漸被采用。豐滿(mǎn)重建工程是我國北方第1座進(jìn)水口利用疊梁閘門(mén)實(shí)現分層取水措施的大型水電站，進(jìn)水口分層取水設置在大壩右岸。國內已建的分層取水進(jìn)水口布置，通常為沿水流方向由上游至下游依次布置為攔污柵、疊梁閘門(mén)、檢修閘門(mén)及快速閘門(mén)。由于該工程地處東北嚴寒地區，冬季時(shí)間長(cháng)達5個(gè)月之久，并且極端氣溫可達到-42.5 ℃,進(jìn)水口處冬季有冰蓋形成，厚度約1.5 m左右，并且水位變化幅度較大，這樣，攔污柵布置在最前端處于校核洪水位之上，冬季會(huì )由于冰蓋上下位置的變化而被破壞，為保證攔污柵冬季的正常運行，解決冰凍問(wèn)題，進(jìn)行了多方案的比較，但由于攔污柵柵體前后為動(dòng)態(tài)水流，采用除冰方式來(lái)解決冰凍問(wèn)題的方案并不十分可靠，且投資較大。為此，該工程采用攔污柵后置于疊梁閘門(mén)方案，解決了攔污柵冰凍問(wèn)題。
3疊梁閘門(mén)及其啟閉設備
疊梁閘門(mén)為分層取水不可或缺的重要設備之一，運行期間隨庫水位的變化，可通過(guò)增加或減少疊梁門(mén)數量達到控制下泄水溫的目的。在每個(gè)進(jìn)水口前端布置3孔疊梁門(mén)，共設置疊梁閘門(mén)18孔18扇，為避免疊梁閘門(mén)的檢修、維護及損壞對工程正常運行的影響，另設置一扇備用疊梁閘門(mén)。每扇疊梁閘門(mén)分9節，單節高度3 m,共171節疊梁閘門(mén)。疊梁閘門(mén)的功用要求其門(mén)頂過(guò)水，閘門(mén)會(huì )出現振動(dòng)現象，加上機組出現事故，快速閘門(mén)的突然關(guān)閉對閘門(mén)產(chǎn)生反向水錘壓力。因此，其結構設計不同于其他閘門(mén)，通過(guò)多方案比較人工計算及模型試驗，閘門(mén)結構型式門(mén)頂部為流線(xiàn)型的平面滑動(dòng)式。閘門(mén)孔口尺寸為7.0 m×27.0 m（寬×高，下同）。按4 m水頭差設計計算，其下節閘門(mén)作用在220.00 m高程的底檻上，閘門(mén)檢修平臺高程為269.50 m.閘門(mén)為焊接結構，主體結構材料根據其工作環(huán)境溫度、操作條件及設計工況選為Q345B,主橫梁采用工字型實(shí)腹等截面焊接結構，為防止梁格內積累污物，造成閘門(mén)結構破壞，面板布置在上游側，閘門(mén)主支承采用復合滑道支承兼做側止水，具有較低的摩擦系數及較高的耐磨性，可以大大減小啟閉力，降低啟閉機容量，節省了工程投資。
閘門(mén)的操作方式為動(dòng)水啟閉。為減小壩面的布置寬度，節約工程投資，選用與攔污柵共用的2×400 kN雙向門(mén)式啟閉機配抓梁來(lái)操作。雙向門(mén)機的容量及軌上揚程由攔污柵確定，總揚程由疊梁閘門(mén)操作要求確定，可分別攜帶2套抓梁1套起重吊具及清污抓斗，用于進(jìn)水口疊梁閘門(mén)的啟閉、攔污柵的啟閉及柵前的清污。啟閉機現地操作，門(mén)機由小車(chē)機構（包括起升機構及小車(chē)行走機構）、機房、清污抓斗、大車(chē)行走機構、門(mén)架、走梯、電纜卷筒、夾軌器、風(fēng)速儀及電氣組成。啟閉機上設有帶數碼顯示儀表的高度限制器、過(guò)負荷裝置、風(fēng)速儀等安全措施。 門(mén)機軌道安裝在269.50 m高程壩面上，疊梁閘門(mén)的檢修與維護也在此壩面上進(jìn)行，疊梁閘門(mén)冬季無(wú)運行要求時(shí)置于門(mén)庫內。
4攔污柵及其啟閉設備
為有效地攔截污物，保證機組有效出力，在疊梁門(mén)的下游側設一道潛孔直立式活動(dòng)攔污柵，每個(gè)進(jìn)水口設3孔3扇，共設置攔污柵18孔18扇。
攔污柵孔口尺寸為8.0 m×11.2 m,設計水頭差為4 m,底檻高程為222.00 m,其檢修維護及清污平臺高程為269.5 m.攔污柵結構設計為框架直立式板梁焊接結構，結構按國家運輸單元劃分標準沿高度方向設計成7節制造運輸，節間采用銷(xiāo)軸配合連接板活動(dòng)連接，在工地組裝。以利于提柵清污時(shí)裝卸方便和檢修維護，攔污柵正反向均設有鑄鋼滑塊，側面設有鋼滑塊導向。
通過(guò)對原豐滿(mǎn)庫區污物情況的調查了解，原電站進(jìn)水口處污物很少，近些年來(lái)未對機組發(fā)電運行產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響。但是考慮2010年洪水時(shí)期庫區存在污物堆積情況，為安全起見(jiàn)，在分層取水口雙向門(mén)機上設置了清污抓斗，以便清除攔污柵前至疊梁門(mén)之間水面上堆積的污物。
選用與疊梁門(mén)共用的啟閉容量為2×400 kN雙向門(mén)機配自動(dòng)抓梁進(jìn)行操作，采用提柵人工及輔以清污抓斗聯(lián)合清污。門(mén)機軌道安裝在269.50m高程壩頂上，攔污柵的清污、檢修與維護也在此壩頂處進(jìn)行。
5檢修閘門(mén)及其啟閉設備
在攔污柵的下游側設一道平面滑動(dòng)檢修閘門(mén)及與其相應的埋件，依據閘門(mén)的使用頻率，6孔可配置1扇檢修閘門(mén)，用于快速閘門(mén)及其埋件檢修時(shí)擋水。檢修閘門(mén)孔口尺寸為8.0 m×11.2 m,其底板高程為222.00 m,按正常蓄水位設計，取系列水頭為45 m.檢修閘門(mén)為焊接結構，主體材料根據其工作環(huán)境溫度、操作條件及荷載工況設計為Q345B,主橫梁采用工字型實(shí)腹等截面焊接結構，為降低啟閉機容量，節約工程投資，主滑道選用摩擦系數低，抗壓強度高的鋼基銅塑復合材料。門(mén)葉結構按國家運輸單元劃分標準沿高度方向設計成4節設計、制造、運輸。在現場(chǎng)焊接連成2節，節間采用銷(xiāo)軸配合連接板活動(dòng)連接。
閘門(mén)的操作條件為靜水啟閉，考慮進(jìn)水口流速較小，采用節間充水平壓方式，進(jìn)行充水平壓，當閘門(mén)前后水位差達到預先設計值時(shí)靜水啟門(mén)，不工作時(shí)存放在門(mén)庫內，結合快速閘門(mén)啟閉設備的安裝與檢修選用2×1 250 kN雙向門(mén)式啟閉機配液壓抓梁來(lái)操作。門(mén)機軌道安裝在269.50 m高程壩面上，閘門(mén)的'檢修與維護也在此壩面上進(jìn)行。
6快速閘門(mén)及其啟閉設備
在檢修閘門(mén)的下游側設一道平面快速閘門(mén)及與其相應的埋件，共設6孔6扇快速閘門(mén)，在機組和引水隧洞發(fā)生事故時(shí)可起到快速保護作用�？焖匍l門(mén)門(mén)型選擇：經(jīng)比較，快速閘門(mén)采用上游止水，定輪支承時(shí)，閘門(mén)不僅自重較重，而且還要另需加配重，采用下游止水，滑道支承時(shí)，閘門(mén)自重較輕，可利用水柱下門(mén)，而且不需另加配重，且對水工結構有利。經(jīng)綜合比較，快速閘門(mén)采用滑動(dòng)式支承較經(jīng)濟合理，水工布置結構緊湊。閘門(mén)平時(shí)停在喇叭口上游孔口以上約1.0 m左右�？焖匍l門(mén)按正常蓄水位263.50 m設計，其底板高程為222.00 m,閘門(mén)孔口尺寸為8.0 m×9.6 m,設計水頭為45 m,閘門(mén)為焊接結構，主體材料根據其操作條件荷載工況及其工作環(huán)境溫度設計為Q345B.門(mén)葉主橫梁為焊接組合工字梁，縱隔板為實(shí)腹T型焊接結構，主橫梁采用工字型實(shí)腹等截面焊接結構，為降低啟閉機容量，節約工程投資，主滑道選用抗壓強度高、減摩系數低的鋼基銅塑復合材料。門(mén)葉結構和吊耳結構按國家運輸單元劃分標準沿高度方向設計成4節設計、制造、運輸，在現場(chǎng)采用連接板焊接成整節，閘門(mén)的檢修與維護設置在241.36 m高程的平臺上。
閘門(mén)的操作方式為利用水柱動(dòng)水閉門(mén)，充水閥充水平壓靜水啟門(mén)。經(jīng)布置和計算，為保證閘門(mén)能快速閉門(mén)，啟閉設備采用液壓?jiǎn)㈤]機配拉桿操作安全可靠，并便于遠程控制。每扇快速閘門(mén)各由1臺5 000 kN/3 200 kN（持住力/啟門(mén)力）液壓?jiǎn)㈤]機配拉桿操作，采用一機一泵站布置，為了使壩面整潔、美觀(guān)，臨時(shí)交通方便，將泵站布置在壩面269.50 m高程以下的266.00 m高程的平臺上。啟閉機能在中控室遠控或機旁盤(pán)及現地手動(dòng)操作。
每扇快速工作閘門(mén)的控制不僅具備現地、遠方"手動(dòng)"和"自動(dòng)"控制功能，還具備對快速工作閘門(mén)的啟閉控制、液壓泵站的自動(dòng)啟停、工作泵與備用泵切換等的控制，并能夠對啟閉過(guò)程中各種工況參數自動(dòng)監測、顯示以及對各種故障狀態(tài)進(jìn)行聲光報警，"自動(dòng)"工作模式下的控制系統還能對故障實(shí)施必要的處理。泵站內設有足夠的照明設備。液壓?jiǎn)㈤]機吊點(diǎn)型式為單吊點(diǎn)，工作行程10.3 m,最大行程10.5 m,液壓?jiǎn)㈤]機的安裝與檢修利用QMS-2×1 250 kN雙向門(mén)機來(lái)操作。
7結 語(yǔ)
豐滿(mǎn)重建工程進(jìn)水口分層取水金屬結構設備布置設計，成功解決了寒冷地區攔污柵冬季運行防冰凍問(wèn)題，節省了大量資金。各閘門(mén)及其啟閉設備選型合理，滿(mǎn)足現行規范要求。疊梁閘門(mén)操作運行靈活可靠，滿(mǎn)足了下泄水溫的要求，保證了下游生態(tài)平衡，成果具有創(chuàng )新性，可在同類(lèi)工程項目中進(jìn)行廣泛的推廣和應用。
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