王 強，藍志鋒，劉天政，韓其華，吳先敏

(1.山東省水利勘測設計院，濟南 250013； 2.西藏自治區(qū)水利電力規(guī)劃勘測設計研究院，拉薩 850000)

1 工程概述及總體布置

湘河水利樞紐及配套灌區(qū)工程是國務院確定的172項重大水利工程之一，也是《全國大型水庫建設規(guī)劃》項目之一，并列入國家發(fā)展改革委、水利部、住房城鄉(xiāng)建設部聯(lián)合印發(fā)的《水利改革發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，是2017年已開工的重大節(jié)水供水工程之一。

項目工程地點位于西藏自治區(qū)日喀則市，樞紐壩址位于南木林縣達那鄉(xiāng)甲措臧布和拉布臧布干流交匯處下游約1.1 km，灌區(qū)范圍為樞紐下游至雅江匯合口湘河中下游的河谷地帶。工程規(guī)模為大(Ⅱ)型[1-2]，總庫容1.16×108m3，設計灌溉面積0.83×104hm2，電站裝機4×104kW，工程概算投資27.01億元。

湘河水利樞紐及配套灌區(qū)工程金屬結構分為湘河水利樞紐金屬結構和灌區(qū)金屬結構。灌區(qū)金屬結構主要由分級取水口閘門和啟閉設備，灌區(qū)魚道閘門及啟閉設備，渠道節(jié)制閘、分水閘、泄水閘、退水閘及田間工程閘門及其啟閉設備等組成。樞紐金屬結構設備由泄水系統(tǒng)、發(fā)電引水系統(tǒng)、魚道和生態(tài)系統(tǒng)、施工導流系統(tǒng)組成，共包括各類閘門(含攔污柵)50扇、埋件26套、啟閉設備21臺、檢修門庫3個、閥門2臺及連接鋼管若干。

本文重點介紹水利樞紐金屬結構的布置與設計，其布置圖見圖1。

圖1 湘河水利樞紐金屬結構布置圖

湘河水利樞紐總體布置為：河床布置大壩；左岸從左到右布置溢洪洞、導流泄洪洞、發(fā)電洞；左岸壩后布置湘河電站、發(fā)電洞末端連接壓力鋼管引水發(fā)電；右岸布置魚道。

水庫各特征高程及水位為：上游校核洪水位為4 102.84 m(P=0.05%)，設計洪水位為4 101.47 m(P=1%)，正常蓄水位[3]為4 099.00 m，死水位為4 080.00 m；下游校核洪水位為4 056.26 m(P=0.2%)，設計洪水位為4 055.93 m(P=1%)；壩頂高程為4 104.00 m。

2 泄水系統(tǒng)金屬結構設計

泄水系統(tǒng)設在大壩左岸，采用溢洪洞和泄洪洞結合的泄水方案，從左至右布置有1孔洞式溢洪洞、1孔導流泄洪隧洞。溢洪洞進口設1扇疊梁檢修閘門和1扇弧形工作閘門，導流泄洪洞進口設1扇平面定輪事故閘門和1扇弧形工作閘門。導流泄洪洞前期作為施工導流系統(tǒng)，后期用作泄洪兼放生態(tài)水，參與放生態(tài)水時的流量調節(jié)。

2.1 溢洪洞檢修閘門及啟閉設備設計布置

溢洪洞布置在左岸左側，1孔泄流。在上游側設一道疊梁檢修閘門。檢修閘門尺寸12.0 m×11.7 m(寬×高)，底檻高程4 087.90 m，按正常蓄水位4 099.00 m設計，設計水頭為11.1 m。閘門檢修在壩頂高程4 104.00 m進行操作。

檢修閘門型式采用平面疊梁鋼閘門，門體縱向設6節(jié)，單節(jié)閘門門體尺寸為12.0 m×1.95 m(寬×高)，檢修閘門門體主材選用Q345C，止水設置在閘門的下游側，6節(jié)門體節(jié)間采用柔性止水連接。每節(jié)檢修閘門門葉結構尺寸可整體制造，整體運輸至現(xiàn)場進行安裝。

門槽埋件主材選用Q235B，考慮該檢修閘門平時的存放，在溢流堰左側設置1孔儲存門庫，門庫尺寸為12.0 m×9.5 m(最多可存放5節(jié)閘門)，即有1節(jié)閘門鎖定在檢修門槽頂部，門庫埋件主材選用Q235B。

檢修閘門的運行方式為靜水啟閉，選用單向門機配自動抓梁操作啟閉，雙吊點啟閉，門機啟門容量為2×160 kN，軌下?lián)P程16 m，軌上揚程4 m，功率為30 kW。門機安裝在壩頂高程4 104.00 m。

2.2 溢洪洞工作閘門及啟閉設備設計布置

在檢修閘門下游，設工作閘門。溢洪洞工作閘門的孔口尺寸為12.0 m×12.0 m(寬×高)，底檻高程4 084.50 m，按正常蓄水位4 099.00 m設計，設計水頭為11.5 m?；￠T半徑為15 m,支鉸中心高程為4 095.00 m，閘門檢修平臺高程為4 100.00 m。工作閘門平時處于關閉狀態(tài)，僅在水庫需要泄洪時開啟，即當水庫水位超過正常蓄水位4 099.00 m時即開啟泄洪。

主梁布置采用雙主橫梁式，主框架形式采用與Π型統(tǒng)一，其支臂為斜支臂；工作閘門門體主材選用Q345C低合金結構鋼，埋件主材選用Q235B。

該閘門的運行方式為動水啟閉。工作閘門選用液壓式啟閉機操作控制，規(guī)格型號為QHLY2×1 000 kN-7.0 m，雙吊點啟閉，啟門容量為2×1 000 kN，工作行程為6.2 m，最大行程為7.0 m。液壓啟閉機油缸的支承鉸安裝在閘墩側墻上，液壓啟閉機為電動控制，現(xiàn)地及遠程集中操作，額定功率為80 kW。啟閉機油缸的維護檢修可在壩頂高程4 104.00 m上進行。

2.3 導流泄洪洞進口事故閘門及啟閉設備設計布置

導流泄洪隧洞在左岸溢洪道和發(fā)電洞中間布置，該隧道前期用作施工導流，后期改造成泄洪洞，和洞式溢洪道同時參與泄洪。在導流泄洪洞進口處設1扇事故閘門和1扇弧形工作閘門。當水庫泄洪時，先開啟溢洪道弧形工作閘門進行泄洪，再開啟泄洪洞弧形工作閘門泄洪。導流泄洪洞還兼有放生態(tài)流量的功能，下放生態(tài)流量要求至少滿足10 m3/s，其中一部分從生態(tài)基流管下放，其他部分從導流泄洪洞走，參與放生態(tài)流量時工作閘門局部開啟調節(jié)流量。

導流泄洪洞進口處設置1扇事故閘門，閘門孔口尺寸為6.0 m×8.0 m(寬×高)，事故閘門底檻高程為4 058.00 m，按正常蓄水位4 099.00 m設計，設計水頭為41 m。閘門型式為潛孔式平面定輪鋼閘門。閘門的運行方式為動閉靜啟，采用水柱力加門體自重動水閉門，采用門頂充水平壓閥充水平壓后靜水啟門，即待上下游水位差不大于3 m時啟門。閘門的維護檢修可在大壩壩頂進行操作，高程為4 104.00 m。

該事故閘門門體主材選用Q345C低合金結構鋼，主橫梁為焊接組合工字梁，縱隔板為實腹T型焊接結構，邊梁采用雙腹板式。由于該閘門尺寸較大，門葉結構應分節(jié)制造、分節(jié)運輸至現(xiàn)場進行拼裝焊接。

門槽埋件主軌工作段主材選用ZG310-570鍛造碳鋼，埋件其他部分主材為Q235B。

事故閘門啟閉機選用1臺規(guī)格型號為QPG2×1 000 kN-48 m的高揚程卷揚式啟閉機，雙吊點啟閉，啟門容量為2 000 kN，揚程48 m，功率為70 kW。啟閉機安裝在高程為4 116.00 m的啟閉機室內，啟閉機的維護檢修可在啟閉室內進行操作。啟閉機為電動控制，現(xiàn)地操作。

該閘門在下游弧形工作閘門或隧洞需要維護檢修等事故時關閉，在維護檢修處理完畢后，閘門先充水平壓后靜水啟門，平時鎖定在檢修平臺，處于開啟狀態(tài)。

閘門設有水位監(jiān)控(水位儀)及開度監(jiān)控系統(tǒng)各1套，便于監(jiān)控閘門的充水平壓及運行情況等，利于閘門的安全運行與操作。

2.4 導流泄洪洞進口工作閘門及啟閉設備設計布置

依據(jù)《水利水電工程鋼閘門設計規(guī)范》(SL 74-2013)中規(guī)定[4]：泄水系統(tǒng)工作閘門宜選用弧形閘門。本工程中導流泄洪洞有局部開啟下放生態(tài)流量需要，另外該閘門需要頻繁運行且水流條件要求高。故導流泄洪洞工作閘門選定為弧形鋼閘門。

弧形工作閘門布置在事故閘門下游，閘門平時處于關閉狀態(tài)，在水庫需要泄洪時開啟，泄洪工作時全開全閉運行。該工作閘門除承擔泄洪任務外，還需滿足在一定時段局部開啟下放生態(tài)水的要求，該工作閘門開啟放水后，水通過泄洪洞無壓泄流。

工作閘門孔口尺寸為6.0 m×5.5 m(寬×高)，底檻高程為4 058.00 m，按正常蓄水位4 099.00 m設計，設計水頭為41 m。閘門運行方式為動水啟閉，主支承采用直支臂、圓柱鉸支承?；￠T半徑為11 m，支鉸中心高程為4 066.00 m，設置Π型閘門檢修平臺，檢修平臺高程為4 076.00 m。工作閘門需要維護檢修時，關閉上游的事故閘門擋水即可進行。

工作閘門啟閉機選用1套潛孔弧形閘門液壓式啟閉機操作控制，規(guī)格型號為QHSY2×800/2×300 kN-8.8 m，雙吊點啟閉，啟門容量為1 600 kN，閉門容量為600 kN，工作行程為8.8 m，最大行程為9.0 m。本閘門設置1套液壓泵站，液壓啟閉機為電動控制，現(xiàn)地及遠程集中操作，額定功率為60 kW。啟閉機油缸的維護檢修可在壩頂高程4 104.00 m液壓油泵房內進行。

為方便運行管理單位以后的運行及維護管理等，該閘門及液壓啟閉機等設備設置遠程監(jiān)控及自動控制系統(tǒng)，并備用1臺柴油發(fā)電機。

3 發(fā)電引水系統(tǒng)金屬結構設計

發(fā)電引水系統(tǒng)設置在左岸右側，其金屬結構設備主要布置在發(fā)電洞塔式進水口、壓力鋼管及廠房尾水出口處。其中在發(fā)電洞進口處設置有1套攔污柵(配套耙斗式清污機1臺)，在攔污柵下游依次布置有一道分層取水疊梁閘門和一道平面定輪事故閘門。發(fā)電系統(tǒng)共有4臺機組，采用隧洞后接壓力鋼管的一洞四機引水方式，4臺機組設4扇尾水檢修閘門。

3.1 發(fā)電洞進口攔污柵設計布置

在發(fā)電洞塔式進水口處設置1道攔污柵。攔污柵的孔口尺寸為7.0 m×36.0 m(寬×高)，設計水頭差為4 m，攔污柵底檻高程為4 066.00 m。為方便維護檢修，采用露頂平面直立活動式攔污柵，運行方式為靜水啟閉。柵體主材選用Q345C，埋件主材選用Q235B。為便于攔污柵的清污，用1套型號規(guī)格為GD50 kN-38/5 m的液壓抓斗移動式清污機進行清污。攔污柵的清污卸污及檢修平臺設置在壩頂高程4 104.00 m處，攔污柵的維護檢修可在檢修平臺上進行。攔污柵設置有水位差儀與其下游的分層取水疊梁閘門共用，以監(jiān)測攔污柵攔截污物的情況，避免攔污柵前后水位差超過設計值。

由于攔污柵尺寸較大，柵體結構應分節(jié)制造，攔污柵共分為10節(jié)，每節(jié)攔污柵柵體尺寸為7.0 m×3.6 m(寬×高)，每節(jié)攔污柵之間由螺栓連接，頂節(jié)至鎖定平臺由鎖定梁連接。

攔污柵和取水疊梁閘門、事故閘門共用設置在壩頂上的單向門機進行操作控制。

3.2 發(fā)電洞進口分層取水閘門設計布置

為避免低溫水對灌區(qū)作物和大壩下游魚類產生不利影響，攔污柵下游取水閘門采用分層取水方式。分層取水疊梁閘門孔口尺寸為7.0 m×36.0 m(寬×高)，底檻高程為4 066.00 m，按正常蓄水位4 099.00 m設計，設計水頭為33 m，運行方式為靜水啟閉。

閘門型式采用平面疊梁鋼閘門，共設置12節(jié)閘門門體，單節(jié)閘門門體尺寸為7.0×3.0 m(寬×高)，門體主材選用Q345C，止水設置在閘門的上游面。12節(jié)門體節(jié)間采用柔性止水連接。

門槽埋件主材選用Q235B，考慮該閘門平時的存放，在發(fā)電洞進口事故門門槽下游側設置兩孔門庫，門庫埋件主材為Q235B。當水庫水位下降時，將提出的疊梁閘門用壩頂單向門機吊到門庫里存放。

3.3 發(fā)電洞進口事故閘門設計布置

發(fā)電洞進口處攔污柵和分層取水疊梁閘門下游設置1扇事故閘門，閘門型式為潛孔式平面定輪鋼閘門，閘門孔口尺寸為7.0 m×7.0 m(寬×高)，事故閘門底檻高程為4 066.00 m，按正常蓄水位4 099.00 m設計，設計水頭為33 m。主支承采用定輪，軸承形式為自潤滑滑動軸承。閘門的運行方式為動閉靜啟，采用水柱力加門體自重動水閉門，采用門頂充水平壓閥充水平壓后靜水啟門，即待上下游水位差不大于5 m時啟門。閘門平時鎖定在檢修平臺，處于開啟狀態(tài)，其維護檢修可在大壩壩頂進行操作，高程為4 104.00 m。

該閘門門葉主材采用Q345C，主橫梁為焊接組合工字梁，縱隔板為實腹T型焊接結構。閘門面板和止水布置在下游側，閘門正向支承采用定輪支承，布置12個定輪。事故閘門按運輸單元分3節(jié)設計、制造、運輸至工地拼裝成整節(jié)。

門槽埋件主軌工作段主材選用ZG310-570鍛造碳鋼，埋件其他部分主材為Q235B。

事故閘門與攔污柵、取水疊梁閘門共用設置在壩頂上的單向門機進行操作控制。

3.4 壩頂門機設計布置

發(fā)電系統(tǒng)壩頂門機主要負責發(fā)電洞進口攔污柵、疊梁閘門、事故閘門的啟閉及進水口攔污柵清污裝置的操作運行。門機主要運行工況如下：①起升機構雙吊點通過液壓自動抓梁啟閉發(fā)電洞進口攔污柵；②起升機構雙吊點通過液壓自動抓梁啟閉分層取水疊梁閘門；③起升機構雙吊點通過液壓自動抓梁啟閉發(fā)電洞進口事故閘門；④門機攜帶清污裝置進行進水口攔污柵污物清理操作；⑤200 kN電動葫蘆用于起吊耙斗式清污機操作清污。

發(fā)電系統(tǒng)壩頂門機由2×630 kN小車機構(含起升機構和小車走行機構)、門架結構、行車走行機構、清污裝置、夾軌器、門機供電裝置、電氣控制與附屬設備等組成。門機小車機構軌上揚程10 m，總揚程48 m。功率為60 kW，電動控制，現(xiàn)地操作。

3.5 廠房尾水檢修閘門及啟閉設備設計布置

湘河水利樞紐共裝機4臺機組，每臺機組尾水出口各1孔，共設4個尾水出口，在每個出口處設一道檢修閘門供機組檢修使用。即設4扇尾水檢修閘門作為永久設備用于機組檢修。

尾水檢修閘門依據(jù)施工期要求，按設計水位4 055.93 m(P=1%)設計，校核洪水位4 056.26 m(P=0.2%)復核。4扇尾水閘門共用1臺2×160 kN單向門機操作，門機軌道安裝在4 057.20 m高程的檢修平臺上，閘門的檢修與維護也在此平臺上進行。閘門在非工作時期鎖定在檢修平臺上。

尾水檢修閘門型式為潛孔式平面滑動鋼閘門，按廠房尾水設計洪水位4 055.93 m(P=1%)設計，閘門主支承采用滑道支承形式，廠房側止水，操作方式為整扇閘門靜水啟閉，機組旁通管充水平壓，啟門時允許水頭差不大于1 m，該檢修閘門主體材質采用Q345C。

門槽埋件主軌工作段主材選用ZG310-570鍛造碳鋼，埋件其他部分主材為Q235B。

4扇尾水檢修閘門共用1臺2×160 kN單向門機配液壓自動抓梁進行操作。啟閉機上設有帶數(shù)碼顯示儀表的高度限制器、過負荷裝置等安全設施，啟閉機總揚程20 m，軌上揚程4 m，軌距為4 m。

3.6 壓力鋼管設計布置

在發(fā)電隧洞末端連接直徑7 m壓力鋼管主管，主管長度65 m(伸進隧洞里10 m)，主管后面接3個卜型岔管，分岔后接4條直徑3 m的支管。最后4條支管分別接入廠房4臺發(fā)電機組引水發(fā)電，發(fā)電尾水經尾水池匯集后排入河道。

壓力鋼管選用材質為Q345R，主管直徑為7.0 m，壁厚18 mm，支管管徑為3.0 m，壁厚16 mm，壓力鋼管主管和支管外包厚1 m的混凝土，外包混凝土后再填埋。4條壓力鋼管支管分別引向1#機組、2#機組、3#機組、4#機組。機組安裝高程4 048.00 m。

4 魚道與生態(tài)流量系統(tǒng)金屬結構設計

魚道系統(tǒng)布置在大壩右岸，設2孔進魚口，4孔出魚口，魚道與主壩連接處設有過壩口。每個進魚口、出魚口和過壩口均設有一道檢修閘門和一道工作閘門，均采用一門一機操作。各類閘門根據(jù)不同水位進行調度。

生態(tài)取水口位于發(fā)電引水系統(tǒng)壓力鋼管主管處，外接直徑1.2 m的生態(tài)放水管，生態(tài)流量系統(tǒng)壓力鋼管采用閥門控制，在生態(tài)放水管進口設一道檢修閥和一道工作閥。

4.1 魚道系統(tǒng)金屬結構及啟閉設備設計布置

魚道布置在大壩右岸，魚道進、出口共布置檢修閘門、工作閘門各7扇。水庫上游不同高程分設4個魚道出口(1#，2#，3#，4#)，分別滿足不同水位的過魚要求。

水庫下游設2個魚道進口(1#，2#)，滿足不同高程的過魚要求，魚道與主壩右岸連接處設有過壩口，過壩口底檻高程為4 085.65 m。

每個進魚口和出魚口及過壩口各設有一道檢修閘門和一道工作閘門。各類閘門根據(jù)不同運行水位進行調度，均采用一門一機操作。

4.1.1 出魚口金屬結構設計

魚道出口檢修閘門、工作閘門主要技術參數(shù)見表1。

表1 魚道檢修閘門及工作閘門主要技術參數(shù)

各出魚口及過壩口工作、檢修閘門均采用相同結構布置，型式為潛孔式平面滑動鋼閘門。門葉主橫梁為焊接組合工字型鋼，縱向隔板采用實腹T型焊接結構，閘門正向支承采用滑道支承。每扇閘門按運輸單元整體設計、制造、運輸。

各部位工作閘門平時處于關閉狀態(tài)，根據(jù)水位需要行魚時，先開啟過壩口工作閘門，再操作相應水位條件下的工作閘門過魚。各檢修閘門平時鎖定在門槽，工作閘門檢修或維護時關閉檢修閘門。

魚道出口及過壩口各部位工作閘門均為動水啟閉，檢修閘門為靜閉動啟，均采用一門一機的布置形式，共設10扇固定卷揚啟閉機分別操作。各部位閘門啟閉機參數(shù)表1。

1#、2#、3#、4#出魚口及過壩口各閘門檢修平臺均設在壩頂4 104.00 m高程，各閘門啟閉機均為單吊點，啟閉機均配置相應的電氣控制設備。

4.1.2 進魚口金屬結構設計

魚道進口檢修閘門、工作閘門主要技術參數(shù)見表2。

表2 魚道進口檢修閘門及工作閘門主要技術參數(shù)

1#、2#進魚口工作閘門和檢修閘門采用相同結構布置，各閘門型式為平面鑄鐵閘門，止水為鋼止水，閘門主材為QT400。閘門埋件材質為QT400-10(鑄鐵鑲銅)。

各部位工作閘門平時處于關閉狀態(tài)，根據(jù)水位需要過魚時，對相應水位條件下的工作閘門進行開啟操作。魚道進口各部位均采用一門一機的布置方式，共設4扇手電兩用螺桿啟閉機分別操作。各部位閘門啟閉機參數(shù)表2。

4.2 生態(tài)系統(tǒng)金屬結構及啟閉設備設計布置

為保證環(huán)保要求和生態(tài)用水，采用生態(tài)放水管和導流泄洪洞相結合的方式，保證10 m3/s的最小流量要求。生態(tài)放水管與發(fā)電引水系統(tǒng)壓力鋼管主管卜型連接，生態(tài)放水管直徑采用1.2 m鋼管，鋼管上設置檢修閥門、工作閥門，閥門設置遠程操控裝置。檢修閥門選型為偏心半球閥，工作閥門選型為固定錐形閥，閥門均為電動控制操作。

4.2.1 檢修閥門

生態(tài)放水管進口設置1套檢修閥門，檢修閥門選用全通徑偏心半球閥，閥門安裝高程(中心線高程)為4 048.00 m，運行方式為動水啟閉，操作方式為電動，功率為 5.5 kW。偏心半球閥在下放生態(tài)水的過程中為開啟狀態(tài)，在下游工作閥門出現(xiàn)事故或需要維護檢修時關閉擋水，待維護檢修完畢后開啟。

4.2.2 工作閥門

在生態(tài)放水管進口檢修閥門下游設置1套工作閥門，工作閥門要求能夠自動調流，工作閥門選用的是固定錐形閥，閥門安裝高程(中心線高程)為4 048.00 m，運行方式為動水啟閉，操作方式為電動，功率為 5.5 kW。當水庫下閘蓄水高度達到4 066.00 m時開啟該工作閥門下放生態(tài)水。

檢修閥門和工作閥門設置有遠程操控裝置，在發(fā)電引水洞外能進行遠程操作控制。

5 施工導流系統(tǒng)金屬結構設計

導流泄洪洞在前期用作施工導流系統(tǒng)，施工導流之前事故閘門及啟閉設備需安裝到位，該閘門處于開啟狀態(tài)，下閘蓄水時關閉事故閘門，蓄水完成后進行事故閘門下游側門槽改造并安裝弧形工作閘門。

6 結 語

湘河水利樞紐及配套灌區(qū)工程正在建設中， 希望通過本文的介紹，讀者可以對湘河水利樞紐的結構型式、設備布置以及運行特點有所認識和借鑒，為類似金屬結構設備設計提供有益的經驗。