蒲石河抽水蓄能电站工程金属结构设计

李大伟，刁彦斌，马会全，葛光录

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021）

1 电站概况

蒲石河抽水蓄能电站位于辽宁省宽甸满族自治县境内，距丹东市约60 km，是我国东北地区在建的第一座大型纯抽水蓄能电站。电站总装机容量为1 200 MW，单机容量为300 MW，共4台机组。

蒲石河抽水蓄能电站金属结构设计包括上、下水库及尾闸室3大部分，金属结构设备布置在上、下水库进／出水口、尾闸室、上、下水库导流系统、下水库泄洪排沙闸、下水库引水坝段进水口等部位。共设有闸门23扇，拦污栅12扇，埋设件37孔、各种启闭设备18台/套。

2 上水库进／出水口

上水库设有两条引水隧洞，为拦截污物，在其进、出口处分别设2孔2扇直立固定式拦污栅。在拦污栅后 （发电方向）设有2孔2扇平面定轮事故闸门，供闸后隧洞和压力钢管出现事故时使用，各采用1台1×2 500 kN液压启闭机操作。

2.1 上水库进／出水口拦污栅

拦污栅为半固定式，潜孔式，孔口尺寸为7.5 m×16 m，底坎高程为341.50 m，考虑到抽水蓄能电站拦污栅双向过水的特殊性，设计水头差采用5 m，栅条净距为160 mm，采用弹性滑块支撑。拦污栅静水启闭，清污方式为人工清污，利用临时起吊设备安装及操作。拦污栅与栅槽之间采用楔型配合，栅槽主轨为铅垂布置，反轨为斜度1∶100的斜面布置，栅体反向滑块工作面为1∶100的斜面，主滑块工作面为铅垂面。

鉴于拦污栅处于抽水和发电两种工况，其水流方向交替变化，水流条件复杂，因此拦污栅进行了整体水弹性模型试验及有限元分析，静力和动力分析成果表明拦污栅设计满足工程运行要求。

2.2 上水库进／出水口事故闸门及启闭机

事故闸门孔口尺寸为7.5 m×8.1 m，闸门底坎高程为341.50 m，按正常蓄水位392.00 m设计，挡水水头为52 m，闸门操作方式为动水闭门、静水启门，节间充水平压，启门时水头差不大于5 m，每扇事故闸门各由1台1×2 500 kN液压启闭机配拉杆操作，每台液压启闭机设置一个泵站，泵站布置在高程418.80 m的平台上。液压启闭机电气控制具备现地、远方 “手动”和 “自动”控制功能，并能全时显示闸门开度。活塞杆每次运行至上、下限极限位置时，行程控制装置能够发出停机报警信号并自动停机。

闸门沿高度方向分3节制造、运输，下两节闸门在工地焊成整体，上、下两节之间采用带椭圆孔的活动连接板、销轴连接。闸门主要材料为Q345B，门叶结构为主横梁、面板、小梁焊接结构。闸门止水布置在上游面板侧，顶、侧止水为 “P”形橡塑止水，底止水为 “Ⅰ”形橡皮。

3 下水库

下水库进/出水口位于蒲石河左岸黄草沟沟口右侧。为拦截污物，在隧洞前沿设置4孔4扇直立式活动拦污栅，采用2×400 kN单向门机操作。在拦污栅上游 （按发电水流方向）设有2孔2扇平面检修闸门，供隧洞、尾水事故阀门及其门槽埋件检修时使用，采用2台1 250 kN固定卷扬式启闭机操作。

下水库大坝4～11号坝段为泄洪排沙闸坝段，上设有7孔泄洪排沙闸，每孔设1扇弧形工作闸门，采用2×2 000 kN液压启闭机操作，为满足冰冻期水库放流要求，7孔弧形闸门埋件中1孔设为加热埋件。在泄洪排沙闸弧形工作闸门的上游设1孔平面滑动检修闸门，7孔共用1扇闸门，用于弧门及其埋件的检修和维护，检修闸门采用2×1 600 kN单向门机配自动抓梁操作。

下水库大坝16、17号坝段为引水坝段，每个坝段布置2个进水口，为拦截污物，在每个进水口前沿设1扇固定式拦污栅，共4扇。在拦污栅下游设有1道检修闸门槽，4孔设4扇平面检修闸门，供机组检修及施工期挡水时使用。拦污栅、检修闸门均采用临时启吊设备操作。

3.1 下水库进／出水口拦污栅及启闭机

下水库进/出水口拦污栅为潜孔式，孔口尺寸为7.5 m×16 m （宽 高，下同），底槛高程为43.5 m，设计水头差为5 m，栅条净距为160 mm。其栅叶结构及埋件结构形式与上水库进/出水口拦污栅均相同。拦污栅利用位于67.00 m检修平台上设置的2×400 kN单向门式启闭机配机械自动抓梁操作。

3.2 下水库进／出水口及启闭机

下水库进出水口检修闸门孔口尺寸为4.9 m×11.5 m，闸门底槛高程为43.50 m，按正常蓄水位66.00 m设计，挡水水头为23 m，闸门操作方式为静水启闭，节间充水平压，启门时水头差不大于5 m。闸门门叶结构为主横梁、面板、小梁焊接结构，单吊点，沿高度方向分4节制造、运输，下3节闸门在工地焊成整体，上、下两节之间采用带椭圆孔的活动连接板、销轴连接。闸门，顶、侧止水为“P”形止水，底止水为 “Ⅰ”形橡皮。闸门主支撑采用为滑道支承。

下水库进出水口检修闸门采用1 250 kN固定卷扬式启闭机操作，起升高度为28 m，工作级别为Q2-轻。

3.3 下水库泄洪排沙闸弧形工作闸门及启闭机

下水库泄洪排沙闸弧形工作闸门为露顶式，孔口尺寸14 m×19 m，闸门底槛高程为47.412 m，按正常蓄水位66.00 m设计，设计水头为18.588 m，闸门为3主横梁斜支腿π型框架结构，面板外缘半径为21 m，支铰中心距离为12.4 m，闸门为双吊点，吊点设在下主横梁悬臂端上，吊点间距13 m，侧导向简支式滚轮。门叶分7个制造运输单元，节间工地焊接，支腿分3个制造运输单元，工地焊接。

泄洪排沙闸弧形工作闸门由2×2 000 kN液压启闭机操作，每台液压启闭机设置一个泵站，泵站布置在高程70.10 m的平台上。电气控制设备具备现地、远方 “手动”和 “自动”控制功能，泵站内设置备用泵，一旦液压系统的工作泵发生故障，备用泵能自动启动，代替工作泵完成其余工作。活塞杆每次运行至上、下限极限位置时，行程控制装置能够发出停机信号和开度显示。设备除具有两吊点不同步偏差超限保护及报警等功能，还具有手动分步操作和一次指令完成启门或闭门操作的功能，并能实现闸门启闭过程中各种工况参数的自动监测、显示以及各种故障状态的声光报警。

为满足冰冻期水库泄洪要求，泄洪排沙闸弧形工作闸门设一套加热泵站及埋件，其中采用了中水东北公司的保障露顶弧门冬季运行的融冰专利技术，保证下水库冬季泄洪安全。当环境温度低于0℃，弧门埋件表面开始结冰且弧门需要运行时加热系统投入工作，先将油箱内的导热油加热至80±5℃并维持此温度，当埋件需要加热时，油泵电机组启动，热油分两路经节流阀通向两侧埋件。

3.4 下水库泄洪排沙闸检修闸门及启闭机

在泄洪排沙闸弧形工作闸门的上游侧设孔口尺寸为14 m×19 m平面滑动检修闸门，7孔共用1扇闸门，用于弧门及其埋件的检修维护，闸门底坎高程为47.621 m，节间充水平压，上节闸门动水启门，整扇闸门静水启闭。

检修闸门按正常蓄水位66.00 m设计，闸门沿高度方向分7节设计制造、运输。下5节工地焊成整体，为下节，上两节工地焊成整体，为上节，上下两节之间采用带椭圆孔的活动连接板、销轴连接。门叶为主横梁、面板、小梁焊接结构。闸门止水布置在下游面板侧，侧止水为 “P”型橡皮，底止水为“Ⅰ”型橡皮。检修闸门由一台2×1 600 kN单向移动式启闭机配自动抓梁操作。启闭机现地操作，起升和运行机构不同时工作。整体启吊检修闸门，但分节运输以降低门机轨上扬程，回转吊用于弧门及其附属设备的检修与维护。启闭机上装有带数码显示仪表的高度限制器、过负荷装置、风速仪等安全措施。配一套液压自动抓梁，用来操作下水库泄洪排沙闸平面滑动检修闸门。

3.5 下水库引水坝段闸门及拦污栅

引水坝段设2台2 000 kW大机组及2台600 kW小机组，为拦截污物，在每一引水坝段进口处各设1扇固定式拦污栅。在拦污栅下游侧，各设有1孔平面检修闸门，供机组检修及施工期、挡水时使用。拦污栅、检修闸门均采用临时启吊设备。

大机组检修闸门孔口尺寸为2.4 m×2.4 m，小机组检修闸门孔口尺寸为1.4 m×1.4 m，闸门底坎高程均为53.80 m，均按正常蓄水位66.00 m设计，挡水水头均为13 m，闸门操作方式为静水启闭，大机组检修闸门采用节间充水平压，小机组检修闸门小开度充水平压，均采用临时起吊设备配拉杆操作。大机组检修闸门分两节制造、运输，上、下两节之间采用带椭圆孔的活动连接板、销轴连接。小机组检修闸门整扇制造、运输。

拦污栅为潜孔式，孔口尺寸分别为2.3 m×2.0 m及3.4 m×4.4 m，底坎高程分别为53.8 m和52.8 m，设计水头差均为4 m，栅条净距均为50 mm。大机组拦污栅沿高度方向分2节制造，运输，工地焊成整体。小机组拦污栅整体制作运输。

4 尾闸室事故闸门及启闭机

尾闸室位于厂房下游侧，尾闸室内布置尾水高压闸阀，距机组中心线82.8 m，4条尾水支洞在其下部通过，每条支洞分设一扇高压闸阀及全封闭门槽，以保护机组安全运行及机组检修时防止尾水倒灌厂房。

尾水高压闸阀采用630 kN/800 kN液压机操作，动水闭门，设置旁通阀管路系统充水平压。静水启门，启门时闸门上下游水头差不大于5 m，设置自动充、排气阀管路以保障机组充水及运行时对尾水管内气体进行处理，液压机布置在高压闸阀全封闭门槽的顶盖上。在尾闸室顶拱处设一台800 kN/200 kN桥式起重机，用于高压闸阀及其操作设备的安装及检修。

高压闸阀及其全封闭门槽设计工况比较复杂，闸门设计荷载考虑运行工况组合及涌浪的影响，最终按其最不利荷载组合进行设计及设备选型。

高压闸阀为平面定轮闸门，门叶为焊接结构，单吊点，门叶分2个制造运输单元。主支承采用简支式定轮，为保证工地的安装精度，主轮轴采用偏心轴。反向支承结合泄压装置一并考虑，使用弹簧钢板作为反向支承，一旦机组前球阀发生意外渗漏事故，高压闸阀能在上水库高水压作用下，弹簧钢板产生变形，使门叶下游推移20～30 mm，从而使闸门止水脱开，避免承受上水库过高的水压力，同时闸门吊耳轴水沿水流方向布置，并能少量移动，以避免闸门在水压作用下的变形及位移对液压机活塞杆的不利的弯折破坏。

高压闸阀为全封闭门槽，底板高程为－14 m，总高度为13 m，门槽由中心向上库侧布置长度为5.05 m，向下库侧布置长度为7.45 m。门槽埋件有较高的强度、刚度和密封要求。主要由底坎、前后门槽铠装、腰箱、腰箱顶盖等构件组成。各件在工地使用螺栓拼接就位后，拼接缝封水焊接。高压阀门门槽全部用钢板镶护，并与一期预埋件焊成一体，以防止门槽内混凝土渗水。

每扇尾闸事故闸门由单缸液压启闭机操作启闭。油缸布置在尾闸室事故闸门液压启闭机平台上，通过液压启闭机支架垂直安装固定在液压启闭机平台上。液压启闭机上端通过油缸上的法兰固定在液压启闭机支架的底座上，液压启闭机下吊头与事故闸门连接。

5 结语

蒲石河抽水蓄能电站原设计上水库进/出水口的4扇活动拦污栅共用1台单向门机，作为拦污栅检修维护的永久启吊设备。后在施工设计时，根据已建和在建抽水蓄能电站的运行情况，取消了拦污栅永久启闭设备，同时降低了拦污栅墩和埋件高度，节省了部分投资。

在解决了工程存在的设计难题的同时，也存在许多不足，如下库进/出水口检修闸门采用了节间充水的方式，尽管能满足工程的运行要求，但在尾水洞充水试验工况情况下，上节门叶不能够动水关闭、充水过程可控性较差，且充水量不易控制。在设计过程中还有许多需要改进的地方。