金鸡滩水利枢纽溢流闸坝设计

梁 英 卢剑华

(广西南宁水利电力设计院 南宁 530001)

1 概述

广西隆安金鸡滩水利枢纽是以发电、航运为主,兼有灌溉、养殖和旅游等效益的综合利用工程,是郁江干流综合利用规划中的第六个梯级。坝址位于右江下游的金鸡滩河段,控制流域面积为32506km2,多年平均流量472m3/s,多年平均径流量为149亿m3,水库正常蓄水位为88.6m,相应库容为0.988亿m3,下游正常尾水位76.60m。电站装机容量3×24MW,过坝建筑物为1000t级船闸。

2 溢流闸坝布置

溢流坝段布置在河床偏右岸主河槽中,全长135m,共设溢流闸7孔,每孔净宽16m,闸墩厚3m,边墩厚2.5m。坝顶高程102.7m,最大坝高42.7m。坝顶上游交通桥宽 8.0m(含人行道1.2m)。堰顶高程为75.0m,建基面高程60.0～64.0m;基础均座落在弱风化的基岩之上,最大堰高15.0m。堰面选用流量系数较大的WES曲线,曲线方程为X1.810=1.939H d0.81Y,堰顶上游用二段圆弧连接,然后接1︰0.667直线。闸坝横剖面见图1。

溢流堰顶工作闸门为弧形钢闸门,尺寸为16×14m(宽×高),采用QH LY2×2000液压启闭机启闭。在工作闸门的上游,设有检修门槽,7个闸孔共配备1扇检修闸门,闸门尺寸为16×17.6m(宽×高),采用平面滑动叠梁形式,坝顶设2×1000/2×400kN双向门式起重机操作。

2.1 泄流方式的选择

金鸡滩坝址河床宽度约300m,受到通航建筑物船闸布置的限制,泄流闸坝布置较为困难。为了加大闸坝的过流能力、尽量减少洪水期回水淹没损失;保证上游百色水库建坝后,本工程闸坝在渲泄50年一遇及以下各级洪水时,坝上壅水与相同标准的天然洪水线相比增加值不大于30cm;闸坝采用低堰和高强度钢筋混凝土结构降低堰顶高程和减小闸墩尺寸,有效地增加了过水孔口尺寸。

选用的堰顶高程为75.0m,低于正常尾水位76.6m,闸墩厚3m,边墩厚2.5m,闸墩采用C35混凝土,闸坝孔口净宽 16.0m,工作闸门高14.0m,经水力计算[1]和水工模型试验[2](采用1︰100的正态模型)表明,设计采用低堰开敞式大孔口溢流闸坝能满足控制淹没损失要求,详见表1。

表1 闸门全开Q～Z上～Z下关系曲线

2.2 堰面设计水头的选择

堰面选用流量系数较大的WES曲线,曲线方程为X1.810=1.939Hd0.81Y,堰顶上游用二段圆弧连接,初步设计时采用设计水头 H d=0.75H max=18m。

为了进一步提高闸坝过流能力,施工设计时对闸坝体型结构进一步进行优化,采用堰上正常蓄水位对应水头为设计水头,即 Hd=H正常=13.6m,溢流面曲线方程为:Y=0.06227X1.81,曲线后接1︰1.5陡坡段。

这使得堰体变得更薄,过流能力增大,减少了堰体混凝土工程量。根据水工模型试验布设于溢流坝面闸孔中心线的测压孔测试成果[2](如表2)可知,坝面压力分布合理,规律正常,坝面最大负压值为1.0m水柱,不会对堰面C25混凝土造成破坏。工程自2006年6月蓄水运行以来,经历了三个汛期,最大泄量为4136m3/s,当时坝上实测水位87.4m,下游水位87.23m,现场检查未发现溢流坝面有破损现象。

图1 闸坝横剖面图

表2 溢流闸坝压力分布表

2.3 溢流闸坝消能设计

本工程溢流堰最高为15m,坝基岩性为细砂岩夹泥岩、泥质粉砂岩、页岩,岩层抗冲流速为2～2.5m/s,两岸岸坡稳定性较差,故消能方式选用底流式水跃消能。根据《溢洪道设计规范》SL253-2000,消能防冲设施按30年一遇洪水设计。

经消能计算得知,各工况实际水深均大于共轭水深,属于淹没式水跃,可不设消力池,但由于下游岩层抗冲流速较低,为了减少护坦长度,仍设置消力池,消力池底板高程为67.0m,消力池长度为25m。

由整体水工模型试验报告可知[3],消力池在闸门局部开启,最大底流速Vmax=9.79m/s;在闸门全开工况,消力池最大底流速为3.42m/s,C25混凝土能满足其抗冲要求。经消能作用后,河床最大底流速为Vmax=2.47m/s～3.55m/s,不会对河床造成严重冲刷。

2.4 溢流闸工作门采用弧形钢闸门

金鸡滩水电站溢流闸坝共设7孔泄洪闸,孔口尺寸16×14m,一期工程有2孔闸门。经方案比选,最终选用了结构简单、启闭力小、水流条件较好、操作方便且容易实现远程自动化控制的弧形钢闸门作为溢流闸坝的工作门。

2.4.1 弧形闸门支铰采用铸钢、自润滑关节轴,减少了运行维护费用

在弧形闸门技术演变发展过程中,常出现事故、故障多在支铰部分,主要是支铰的轴承老化、变形、卡阻等问题。其主要原因是闸门运行环境恶劣,容易受潮和受水流冲击。特别在低水头径流式电站工程中,由于上下游水位较高,弧门支铰更容易受水流影响,渲泄较大洪水时对弧门支铰的冲击较大,容易造成损害。因此,在进行闸门支铰设计时须考虑支铰的结构形式和支铰轴承材料。本工程弧形闸门支铰选用低合金铸钢材料(ZG50Mn2),该材料具有强度高,冲击韧性好等优点,这样支铰能够抵抗高速水流和漂浮物的冲击;支铰轴承采用自润滑关节轴承,关节轴承不仅可以满足闸门运行中的变形要求,而且自润滑材料具有耐腐蚀、耐老化、不变形,无需加油完全自润滑等优点,可在水中或潮湿的环境中良好运行,解决了支铰轴承老化、变形、卡阻等问题,保证了闸门正常安全运行,减少了运行维护费用。

2.4.2 弧形闸门选用液压启闭机

液压启闭机具有结构简单、传动平稳、重量轻、承载力大、运行耗能少等优点,同时,液压传动调速方便,与电气控制结合,便于实现控制自动化。本工程选择液压启闭机作为弧形工作门的启闭设备,与工业电视、水位测量仪等配套,实现远程控制。

3 结语

金鸡滩水利枢纽工程溢流闸坝经历了三个汛期的考验,未发现溢流坝面有破损现象,说明在低水头闸坝中采用正常蓄水位对应堰上水头作为堰面曲线的设计水头不仅可减少工程量,增大过流能力,而且不会对堰面产生气蚀破坏。

在河床式电站工程中,为了满足建坝后在渲泄某标准及以下各级洪水时,坝上壅水与相同标准的天然洪水线增加不大于某值的淹没要求,可采用低于正常尾水位的大孔口开敞式低堰闸坝泄洪。同时采用液压启闭的弧形钢闸门作为工作闸门,以便取消下游检修门槽。

弧形闸门支铰可应用铸钢、自润滑关节轴等新技术、新材料,保证闸门正常安全运行,减少运行维护费用。

弧形工作闸门的液压启闭机泵房布置在闸墩里,有利于改善工程外观。

1 广西南宁水利电力设计院.《广西隆安金鸡滩水利枢纽工程初步设计报告》.广西南宁水利电力设计院,2003.10.

2 广西大学土木工程学院.《广西隆安金鸡滩水利枢纽水工模型试验研究报告》(技术设计).广西大学土木工程学院;2004.06.

3 广西大学土木工程学院.《金鸡滩水利枢纽整体水工模型试验研究报告》.广西大学土木工程学院;2003.09.