張志兵，李世豪

（華電福新周寧抽水蓄能有限公司，福建 寧德 355101）

1 工程概況

福建周寧抽水蓄能電站安裝4 臺(tái)單機(jī)容量300 MW 可逆式水泵水輪機(jī)組[1]，為日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站，年平均發(fā)電量為12 億kW·h，年平均抽水電量16 億kW·h。工程屬一等大（1）型工程，電站樞紐主要由上水庫(kù)、下水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地面開關(guān)站及地下廠房等建筑物組成[2]。主要永久性建筑物按1 級(jí)建筑物設(shè)計(jì)，次要永久性建筑物按3 級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。

電站金屬結(jié)構(gòu)主要分布于輸水系統(tǒng)（包括上水庫(kù)、下水庫(kù)進(jìn)/出水口）、泄水系統(tǒng)（包括下水庫(kù)溢洪道、下水庫(kù)泄洪底孔）、機(jī)組尾水出口和導(dǎo)流洞等部位。金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備主要包括閘門、攔污柵及其啟閉設(shè)備，承擔(dān)泄洪、保護(hù)機(jī)組安全運(yùn)行和控制水位等任務(wù)，總工程量為3 768.6 t。

上水庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容815萬(wàn)m3，正常蓄水位716.00 m，死水位691.00 m，設(shè)計(jì)洪水位（P=0.5%）717.32 m；下水庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容799 m3，正常蓄水位299.00 m，死水位262.00 m，設(shè)計(jì)洪水位（P=0.5%）304.15 m。

電站檢修閘門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)靜水壓力計(jì)算。依照NB 35055-2015《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]第8 條計(jì)算啟閉機(jī)容量，并參考啟閉機(jī)的系列標(biāo)準(zhǔn)選取，所選取的啟閉機(jī)容量不小于計(jì)算值。當(dāng)閘門采用動(dòng)水操作時(shí)，按靜水壓力乘以1.1 的動(dòng)力系數(shù)考慮。本工程地震基本烈度為Ⅵ度，地震動(dòng)加速度峰值為0.045 g，金屬結(jié)構(gòu)按照規(guī)范的荷載組合進(jìn)行復(fù)核。

2 金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備布置與設(shè)計(jì)

2.1 上水庫(kù)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備

上水庫(kù)進(jìn)/出水口金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備：2 扇事故閘門、8 扇攔污柵、2 臺(tái)3 200 kN 固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)及啟閉機(jī)房?jī)?nèi)的2 臺(tái)50 kN 單梁葫蘆。

為避免上水庫(kù)中的污物在發(fā)電時(shí)進(jìn)入機(jī)組而影響機(jī)組正常運(yùn)行[4]，上水庫(kù)進(jìn)/出水口共設(shè)置8 扇攔污柵，每個(gè)進(jìn)/出水口設(shè)4 扇。為便于攔污柵檢修，在高程691.50 m 處設(shè)置了1 個(gè)檢修平臺(tái)。當(dāng)攔污柵需維修時(shí)，將上庫(kù)水位降至死水位以下，通過(guò)臨時(shí)起吊設(shè)備將攔污柵整體起吊，分節(jié)拆吊至檢修平臺(tái)進(jìn)行操作。如攔污柵需大修或需更換時(shí)，用臨時(shí)設(shè)備將攔污柵移至搬運(yùn)軌道處，通過(guò)小車將攔污柵運(yùn)至壩頂，小車采用牽引力為2×100 kN 的卷?yè)P(yáng)機(jī)進(jìn)行操作。

當(dāng)機(jī)組運(yùn)行出現(xiàn)事故或正常檢修時(shí)，且主閥保護(hù)發(fā)生故障，水泵水輪機(jī)導(dǎo)葉不能完全關(guān)閉，在2 條引水隧洞平段上的閘門井內(nèi)均設(shè)置1 道事故閘門，共2 扇，以截?cái)嗌蠋?kù)水流，避免事故擴(kuò)大。閘門由固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)操作，容量為3 200 kN。在735.80 m 高程平臺(tái)上布置啟閉機(jī)，啟閉機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)有1 臺(tái)50 kN單梁檢修電動(dòng)葫蘆。

為確保生態(tài)流量的下泄，在上庫(kù)導(dǎo)流泄放洞底板設(shè)置放水鋼管。鋼管沿底板鋪設(shè)至出口，出口高程609.45 m，管徑為DN150。在出口處設(shè)置球閥控制水流，并設(shè)工作和檢修閥。閥門均為動(dòng)水操作，滿足區(qū)間生態(tài)流量的要求。

2.2 下水庫(kù)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備

下水庫(kù)進(jìn)/出水口金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備：2 扇溢洪道弧形工作閘門和2 套2×630 kN 液壓?jiǎn)㈤]機(jī)、8 扇攔污柵、1 扇泄洪底孔事故閘門、2 扇檢修閘門、1 扇溢洪道檢修閘門、1 臺(tái)2×320 kN 雙向門式啟閉機(jī)、1 臺(tái)2 000 kN 壩頂雙向門式啟閉機(jī)、1 臺(tái)1 250 kN臺(tái)車式啟閉機(jī)、1 臺(tái)2 000 kN 壩頂雙向門式啟閉機(jī)（與溢洪道檢修閘門共用）、2 扇泄洪底孔弧形工作閘門和2 套2 500 kN/1 600 kN 液壓?jiǎn)㈤]機(jī)。

為防止下水庫(kù)中的污物在抽水時(shí)進(jìn)入機(jī)組，下水庫(kù)進(jìn)/出水口共設(shè)置8 扇攔污柵，每個(gè)進(jìn)/出水口設(shè)4 扇。攔污柵采用壩頂2×320 kN 雙向門式啟閉機(jī)啟閉。在下水庫(kù)進(jìn)/出水口攔污柵后布置1 道檢修閘門，用于機(jī)組或尾水隧洞檢修時(shí)擋水。兩孔共設(shè)2 扇，采用1 臺(tái)1 250 kN 臺(tái)車式啟閉機(jī)操作。閘門操作方式為靜水啟閉。在高程306.00 m 處設(shè)置了1 個(gè)檢修平臺(tái)，攔污柵清污或檢修時(shí)，通過(guò)自動(dòng)抓梁將攔污柵整體起吊，分節(jié)拆吊至檢修平臺(tái)上進(jìn)行操作。

每扇溢洪道工作閘門前設(shè)有1 道檢修門門槽，兩孔共用1 扇檢修門，用于其下游弧形工作閘門或門槽檢修時(shí)擋水。閘門操作方式為靜水啟閉，檢修閘門平時(shí)鎖定在孔口上方。閘門檢修在306.00 m高程平臺(tái)進(jìn)行，采用2 000 kN 壩頂雙向門機(jī)配專用自動(dòng)抓梁操作。下庫(kù)溢流壩段布置兩孔溢流表孔，設(shè)2 扇弧形工作閘門，主要用于宣泄洪水。溢流表孔工作閘門采用露頂式弧形鋼閘門，閘門操作方式為動(dòng)水啟閉，可局部開啟，采用2×630 kN 雙吊點(diǎn)后拉式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作。

兩孔泄洪底孔工作閘門前各設(shè)有1 道事故閘門門槽，共設(shè)1 扇事故閘門。閘門操作方式為動(dòng)閉靜啟，事故閘門平時(shí)用鎖定梁鎖定在孔口上方的門槽內(nèi)。閘門檢修在306.00 m 高程平臺(tái)進(jìn)行，采用2 000 kN 壩頂雙向門機(jī)（與溢洪道檢修閘門共用）配專用自動(dòng)抓梁操作。下庫(kù)溢流壩段設(shè)有兩孔泄洪底孔，設(shè)2 扇弧形工作閘門。泄洪底孔工作閘門采用潛孔式弧形鋼閘門，閘門操作方式為動(dòng)水啟閉，采用2 500 kN/1 600 kN 液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作。

每套弧形閘門及其對(duì)應(yīng)的液壓?jiǎn)㈤]機(jī)各布置1套在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)在線監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)弧形閘門及液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，并經(jīng)過(guò)信息傳輸與處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)弧形閘門和液壓?jiǎn)㈤]機(jī)結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力、動(dòng)應(yīng)力、振動(dòng)響應(yīng)、運(yùn)行姿態(tài)及軸承運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警、報(bào)警。在決策系統(tǒng)支持下，制訂優(yōu)化調(diào)度并監(jiān)控弧形閘門和液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，以確保其運(yùn)行安全和充分合理利用水資源。

為確保生態(tài)流量的下泄，在下水庫(kù)混凝土重力壩設(shè)置生態(tài)放水管。閥室段管中心高程255.80 m，管徑為DN400。在出口廊道內(nèi)設(shè)置閘閥以控制管路水流，并設(shè)工作和檢修閥，管道鋪設(shè)從壩腳至下游護(hù)坦，以滿足區(qū)間生態(tài)流量的要求。

為滿足施工導(dǎo)流后封堵需要，下庫(kù)左岸導(dǎo)流洞進(jìn)口設(shè)封堵閘門1 道，閘門型式為潛孔式平面滑動(dòng)鋼閘門，底坎高程214.00 m，明洞段平臺(tái)頂高程222.50 m。閘門在枯水期下閘擋水，封堵水位216.00 m。采用臨時(shí)起吊設(shè)備操作。

2.3 機(jī)組尾水事故閘門金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備

閘門采用閘閥式高壓平面滑動(dòng)閘門，安裝在尾水閘門室內(nèi)，主支承采用滑道形式。電站每臺(tái)機(jī)組尾水管設(shè)1 扇尾水事故閘門，共4 扇。閘門操作方式為靜水啟閉，利用自重及部分水柱壓力動(dòng)水下門，由旁通管充水平壓。閘門及充水管上設(shè)置自動(dòng)泄壓裝置。尾水事故閘門啟閉應(yīng)與機(jī)組前的球閥聯(lián)鎖，即在打開尾水事故閘門后，再開啟球閥；先關(guān)閉球閥截?cái)嗌蠋?kù)水流，再關(guān)閉尾水事故閘門[5]， 以防止在全關(guān)狀態(tài)下閘門意外承受來(lái)自上庫(kù)方向水壓而遭破壞[6]。

閘門平時(shí)由液壓?jiǎn)㈤]機(jī)鎖定于孔口上方的腰箱內(nèi)。每扇閘門采用1 250 kN/5 000 kN（啟門力/持住力）液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作，在尾閘平臺(tái)中部啟閉機(jī)房?jī)?nèi)安裝液壓控制泵站。為便于液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的安裝檢修，尾閘洞內(nèi)設(shè)有1 臺(tái)630 kN/100 kN 檢修橋機(jī)。啟閉機(jī)采用現(xiàn)地和遠(yuǎn)方控制相結(jié)合的方式進(jìn)行控制。

周寧抽水蓄能電站的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備主要特性見表1。

3 設(shè)計(jì)工作重點(diǎn)及難點(diǎn)

（1）相較于常規(guī)水電站，抽水蓄能電站攔污柵的布置設(shè)計(jì)要能適應(yīng)在雙向水流的過(guò)流條件[7]。由于雙向過(guò)流的工作條件，上、下庫(kù)進(jìn)/出水口的出流流態(tài)較差，易引起攔污柵振動(dòng)，從而造成攔污柵的損壞。針對(duì)抽蓄電站攔污柵的特點(diǎn)從以下方面進(jìn)行考慮：

1）為了降低水流經(jīng)過(guò)攔污柵所產(chǎn)生的擾動(dòng)頻率，攔污柵的主橫梁、縱梁及柵條的雙向迎水面采用圓弧或錐角。

2）攔污柵采用固定支承。為了增加攔污柵的自振頻率，上、下游每塊支承滑塊下均設(shè)有橡皮墊塊，攔污柵入槽后每塊橡皮壓縮2 mm，使得柵和柵槽間具有適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力。

3）每組柵條另設(shè)置2 根水平支撐條以提高柵條的側(cè)向穩(wěn)定性并增加?xùn)艞l的抗振性能。

4）增強(qiáng)攔污柵的結(jié)構(gòu)剛度。由3 根箱形主橫梁、2 根邊梁和2 根箱形縱梁組成剛度較高的柵架結(jié)構(gòu)。攔污柵由4 節(jié)柵葉組成。

（2）由于周寧抽水蓄能電站機(jī)組尾水事故閘門最高擋水位達(dá)146 m，在超高水頭下的閘門強(qiáng)度及門槽封水設(shè)計(jì)為設(shè)計(jì)難點(diǎn)。針對(duì)尾水事故閘門的設(shè)計(jì)從以下方面進(jìn)行考慮：

1）進(jìn)人孔蓋與腰箱頂蓋、腰箱頂蓋與腰箱之間采用可靠的密封裝置。門槽結(jié)構(gòu)型式采用全封閉箱形。

2）閘門設(shè)置自動(dòng)泄壓裝置，以防止在全關(guān)狀態(tài)下閘門意外承受上庫(kù)方向水壓而造成損壞。

4 結(jié)語(yǔ)

福建周寧抽蓄電站的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)嚴(yán)格依照國(guó)家現(xiàn)行相關(guān)規(guī)程，對(duì)照《工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制性條文》，所有設(shè)計(jì)均符合強(qiáng)制性條文及相關(guān)規(guī)范的要求，設(shè)計(jì)中關(guān)于施工、運(yùn)行的安全性措施均在施工技術(shù)要求及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)交底中予以明確。本文根據(jù)周寧抽蓄電站實(shí)際工程情況，對(duì)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備進(jìn)行了合理設(shè)計(jì)與布置，確保閘門、攔污柵及各類啟閉設(shè)備安全運(yùn)行。福建周寧抽蓄電站自2022 年8 月全容量投產(chǎn)至今，金屬結(jié)構(gòu)部分均正常運(yùn)行。