摘 要： 文章介绍了万家口子水电站大坝的金属结构布置与设计特点，借助模型试验研究成果验证指导高水头闸门设计及启闭机容量确定。中孔设置工作闸门（弧门）充压止水和突扩式门槽，较好地满足高水头闸门、运行要求，解决闸门振动、门槽减蚀问题。
关键词： 万家口子水电站; 表孔; 冲沙中孔; 金属结构; 闸门; 启闭机;
Abstract： This paper introduces the layout and design characteristics of the metal structure of the Wanjiakouzi Hydropower Station dam.With the help of the model test results,the design of the high head gate and the determination of the capacity of the hoist are guided.The mid-level outlet is equipped with operating gate(radial gate) for pressurized waterstop and abruptly expansion groove,which can better meet the operation requirements of high head gate and solve the problems of gate vibration and groove erosion reduction.
Keyword： Wanjiakouzi Hydropower Station; crest outlet; flushing mid-level outlet; metal structure; gate; hoist;
1、 工程概况
云南省宣威市万家口子水电站工程坝址位于北盘江支流革香河上，地理位置位于云南省宣威市及贵州六盘水市境内，坝址位于云南省宣威市宝山乡，距宣威市约70 km，距离六盘水市77 km，是北盘江干流的第四个梯级电站[1]。
水库正常蓄水位1 450.00m，相应库容2.692 9亿m3，死水位1 415.00 m，校核洪水位1 451.95 m。电站装机台数为2台，总容量180 MW，多年平均发电量7.104亿kW?h，保证出力33.3 MW。水电站枢纽主要建筑物有碾压混凝土拱坝、坝顶溢流表孔、消能水垫塘、坝身冲沙中孔、引水系统、地面厂房及开关站等[2]。
根据工作分工，电站引水发电系统由吉林省水利水电勘测设计研究院负责，电站大坝及导流系统由中国能源建设集团广西电力设计研究院有限公司负责。
坝顶中部设置3孔溢流表孔，堰顶高程1 437.00m；坝身设置2孔冲沙中孔，底槛高程1 365.00 m。
2 、中孔闸门及启闭设备
该大坝为碾压混凝土双曲拱坝，坝体较薄。泄洪冲沙中孔承担泄洪和冲沙任务。
大坝坝身布置有2孔冲沙中孔。在每个冲沙中孔进口处设1扇事故闸门，为潜孔式平面滚轮钢闸门，闸门孔口尺寸为3.0 m×8.0 m（宽×高，以下相同），设计水头85.72 m，底槛高程为1 365.00 m，启闭设备选用1台4 000 kN-90 m高扬程固定卷扬式启闭机。在每个冲沙中孔出口处设置1扇工作闸门，为潜孔式弧形钢闸门，闸门孔口尺寸为3.0 m×4.5 m，设计水头86 m，底槛高程为1 364.65 m，启闭设备选用1台2 000 kN/630 kN液压启闭机，液压泵站配置为一机一站。
冲沙中孔高水头流道水流情况复杂。为了有效验证门槽体形、闸门结构及启闭机容量等原设计方案的合理性，设计单位对不合理的部分进行修改或提出改进措施，从而选择最优体形及布置，委托南京水利科学研究院进行了冲沙孔事故闸门和工作闸门水力学及流激振动模型试验研究。
冲沙中孔闸门与启闭设备布置参见图1、图2。
2.1 、冲沙中孔事故闸门
在未发生四川汶川地震前，国内很多工程建设规程规范对地震影响要求和重视程度偏低，很多工程包括万家口子水电站对防震设计重视程度不高。大坝中孔事故闸门仅考虑事故紧急闭门，没有考虑事故动水启门。2008年3月进行的可行性研究阶段设计，选定的原事故闸门启闭机容量为1 600 kN。
2008年5月，四川汶川地震发生后，万家口子水电站工程的防震抗震研究受到高度重视。随后根据《云南省万家口子水电站防震抗震研究设计专题报告》第7.1节“重要设施设备抗震设计要求的规定：冲沙中孔事故闸门和相应的启闭设备的抗震设防标准和拱坝一致，取基准期100年超越概率2%的地震动参数作为设计地震，取基准期100年超越概率1%的地震动参数作为校核地震”的要求，同时严格按照“确保安全，留有裕度”原则进行闸门结构设计。按照闸门紧急情况动水启门，启闭机满足事故状况动水启门需要来选择容量和布置。
图1 冲沙中孔事故闸门与启闭机布置图
闸门荷载计算相应选择地震加速度ag=0.13，地震荷载约占静水荷载的17%。
在每个冲沙中孔进口处设1扇事故闸门和门槽埋件，2个中孔共设2扇。闸门用于冲沙中孔流道、出口工作闸门及其门槽检修，或工作闸门无法正常工作、在事故工况下动水闭门挡水。
事故闸门需事故状况全水头动水启门。根据南京水利科学研究院《云南万家口子水电站冲沙孔事故闸门和工作闸门水力学及流激振动模型试验研究报告》（2010年2月）结论，通过多方案试验比较，比选确定闸门箱型主梁高度，设置闸门主梁上的排水孔，试验发现闸门开启到0.65开度时的最大下吸力达2 285 kN，由此指导计算出全水头事故启门力，确定启闭机容量为4 000 kN。
门型为潜孔式平面滚轮钢闸门，孔口尺寸为3.0 m×8.0 m（宽×高，以下相同），底槛高程为1 365.00 m。闸门设计水位1 450.72 m(P=0.1%），设计水头85.72 m。闸门分为3节设计、制造、运输，节间使用穿轴装置连接为整体。每节门叶按双腹板的厢形主梁设计，主梁腹板开设4个直径Φ199 mm排水管，以调节动水启闭门下吸力；每节门叶布置4个滚轮。闸门面板和顶侧止水布置在下游侧，顶节闸门上设2个充水阀。闸门主支承采用滚轮，轮压为2 676 kN，滚轮直径Φ750，滚轮轴套选择承载能力高的23248CC/W33滚子支承。反向支承采用铰式弹性反轮，侧行走支承为简支侧轮。启闭设备采用4 000 kN固定卷扬式启闭机，动滑轮组吊板与闸门连接。闸门采用喷Ce铝加涂漆封闭的防腐方法。
图2 工作闸门、启闭机及充压水封控制系统布置图
门槽顶部高程为1 452.50 m。闸门可在1 452.50m平台安装、检修。平台设简支梁式锁定装置。平时，用锁定装置将闸门整扇锁定悬挂于孔口上方的门槽内。
门槽型式采用II型，门槽宽度为1 350 mm，深度为900 mm，宽深比为1.5；错距为120 mm，错距比为0.083；斜坡长度1 440 mm，圆角半径为110 mm。门槽内设主轨、反轨、侧轨和底槛。主轨和反轨均延伸至1 391.9 m高程，侧轨延伸至门槽顶部1 452.50 m高程；主轨截面选择铸造工字型，材料为ZG35Cr1Mo。轨道经调质和表面淬火处理。
为了保护门槽埋件和避免门槽二期混凝土区域水流空化空蚀危险，对门槽高度8.9 m范围的主轨、反轨、侧轨、门楣位置均设置了钢衬保护。门槽埋件外露表面采用涂漆防腐。
为确保事故闭门时，流道能及时补气，在门楣顶壁上设1个尺寸为650 mm×2000 mm矩形通气孔。
冲沙中孔底部高程为1 365.0 m，冲沙中孔的运行调度基本遵循“排浑蓄清、排除水库中底部较重水体”的原则。泄洪基本按优先开启2个冲沙中孔闸门全开，需要时再打开表孔弧门方式调度。
水库淤沙主要为粉煤灰。目前，位于上游库区范围的许多小煤矿均被关停，洗煤所产生的煤灰大为减少，上游水库的投入运行，也拦截了部分泥沙，减少了该水库的淤积。结合该双曲拱坝坝身较薄的特点，事故闸门门槽处于坝身前方牛腿部位，不利于设置闸门上游高水头挡水胸墙；冲沙洞事故闸门与工作闸门距离仅32.161 m，流道内采用抗冲耐磨硅粉常态混凝土保护，事故闸门仅按短时间封口挡水，设计不考虑淤沙影响，事故闸门采用下游面板下游止水方式，适应水工上游无高胸墙的布置，试验结果证明对控制门槽段水流空化空蚀有利。中孔过流时机较多，泄洪冲沙中孔淤沙问题不大。
2.2、 事故闸门4 000 kN固定卷扬式启闭机
在施工图设计阶段，设计人员更加重视了地震影响。根据工程抗震要求，冲沙中孔事故闸门需满足一旦发生地震，可在全水头工况下事故启门的要求。根据模型试验研究报告结论，闸门在开度为0.65时，下吸力达到2 285.3 kN，闸门最大计算启门力达3 733 kN。考虑闸门在最不利的地震恶劣条件，一旦需要在全水头工况紧急启门，闸门摩擦阻力及下吸力是控制因素。借助试验的下吸力参数，选择启闭机容量为4 000 kN。启闭机工作级别为Q3-中，扬程为90 m，卷筒直径Φ2 700 mm。
4 000 kN固定卷扬式启闭机装设于冲沙中孔进口启闭排架1 466.50 m高程的启闭机房内，共2台。
该启闭机属于高扬程启闭机，扬程达90 m。采用变频调速电动机调速，启闭过程闸门按3种运行方式工作。为了节省启闭时间，闸门升降在孔口门楣以上到门槽顶部内区域内（闸门运行约65 m），选择较快的启闭速度3.8 m/min；其余区域速度为1.0 m/min。调速位置，通过高度指示装置和电气控制实现。该启闭机能现地操作及远程控制。
闸门平常的操作条件为动水关门，静水启门；紧急情况下可全水头动水启门。闭门最高水位1 450.72 m。平常启门前须关闭出口的工作闸门，利用启闭机打开设于闸门上的2个Φ300 mm充水阀，进行充水平压，待闸门前后水位差小于或等于5.0 m后，方可启门。
2.3 、冲沙中孔工作闸门
坝身中部布置2孔冲沙中孔，在每个冲沙孔事故闸门下游出口设1扇工作闸门，共2扇，用于排沙和泄流。由于该工作闸门设计水头达86.00 m，运行条件非常恶劣，因此，设置有充压水封控制系统，门槽选择突扩式门槽形式，门槽周边设置“山”形充压式止水作为主水封；门槽门楣顶部专门设置带钢板弹簧转动压紧止水装置，防止顶部射水避免闸门振动。
该突扩门槽体型及尺寸，由设计单位在初步设计阶段提出，结合门槽、门叶图纸及委托南京水利科学研究院进行水力学模型试验验证确定。根据《云南万家口子水电站冲沙孔事故闸门和工作闸门水力学及流激振动模型试验研究报告》结论完成施工详图设计。试验提示注意避免工作闸门小开度的恶劣流态运行。试验证明选择的闸门设计强度、刚度满足闸门安全运行要求。
闸门计算按照平面体系假定，基本组合考虑淤沙荷载、淤沙荷载加地震荷载组合的两种工况。按照考虑取基准期100年超越概率2%的地震动参数作为设计地震，选择地震加速度ag=0.13，闸门挡水地震荷载约占静水荷载的14%。
工作闸门门型选择泄流条件比较好的弧面钢闸门，为潜孔式闸门。闸门孔口尺寸为3.0 m×4.5 m，底槛高程为1 364.65 m，门槽顶部高程为1 371.14m，闸门设计水位为1 450.72 m。弧门面板曲率半径为7.5 m，支铰中心高程为1 370.50 m，支铰中心至底槛的垂直高度为5.85 m。
闸门止水高度为5.59 m，采用双主横梁和直支臂结构，支铰间距为2.4 m，上下主梁按等荷载布置，门叶整体制造、运输，支臂与主梁间采用螺栓连接。主梁和支臂均采用箱形截面。门叶结构材料为Q345B。支铰的支承型式为圆柱铰，轴径为Φ450 mm，轴承为铜基镶嵌型固体自润滑轴承，支铰轴材料为40Cr，铰链和铰座的材料为ZG310-570。闸门侧导向采用Φ200的简支式侧轮，每侧布置2个，共4个。门上设置侧止水，选用P60-B型止水橡皮作为辅助止水，门叶底止水为I型平面橡皮。门槽四周设置有“山”形止水橡皮（门楣设有2道止水）作为主止水。闸门采用喷Ce铝加涂漆封闭的防腐方法。闸门门槽的侧轨轨面与闸墩边墙平齐。
启闭设备采用2 000 kN/630 kN液压启闭机操作。为有利于闸门的自动化运行，该闸门未设机械式锁定装置。
根据水力学模型试验结果，特别强调，闸门运行避开小开度（n0<0.2）及大开度（1.0<n0>0.8）到全开区间这2个开度区域。水库初期蓄水运行时，也必须尽量减少工作闸门长时间局部开启泄洪运行。在正常蓄水位工况，闸门长时间运行时，只能在全开状况进行泄洪冲沙。
2.4 、中孔2 000 kN/630 kN液压启闭机
冲沙中孔弧形工作闸门启闭机可以动水状况操作。闸门的最大启门力计算，考虑15 m淤沙。启闭设备采用2 000 kN/630 kN液压启闭机。液压启闭机装设于冲沙中孔出口1 379.80 m高程的平台上，共2台。
启闭机型式为单吊点、双作用油缸。泵站配置采用一机一站，2台启闭机由2套液压泵站驱动和控制，可现地控制和远方集中控制。
启闭机油缸工作行程6.317 m，油缸最大行程6.5 m，启门速度0.5～0.8 m/min（可调），满足闸门启闭、排沙、泄水以及启闭机运行维护要求。启闭机油缸缸径Φ450 mm。
液压启闭机有下压作用力，以保证工作闸门动水闭门力及闭门挡水严密。
中孔工作闸门的充压水封控制系统与闸门液压启闭机共同完成对中孔弧形闸门的充压封水与弧门的启闭。中孔充压水封控制系统与2 000 kN/630 kN摇摆式液压启闭机均设有独立的电控系统，可实现对水封的充压、保压、泄压，弧门的全程、局部启闭。空压机压力为1.8 MPa，充压系统最高工作压力为1.8 MPa，水封工作上限压力为1.5 MPa、水封工作下限压力为1.2 MPa。充压水封电控系统与2 000 kN/630 kN液压启闭机电控系统具有互锁功能，即弧门启闭过程中充压水封控制系统不能执行充压动作，在充压水封控制系统充泄压过程中液压启闭机不能启闭。充压水封控制系统安装在1 379.80 m平台的泵房内。
3、 大坝表孔闸门及启闭机系统
大坝坝顶布置有3孔溢流表孔。在每个溢流表孔设1扇工作闸门和1套门槽埋件，3孔溢流表孔共设3扇。由于弧形闸门无门槽、水流条件优越，闸门局部开启时振动较小等优点，因而溢流表孔工作闸门选择为露顶式弧形钢闸门，启闭设备选择液压启闭机。考虑了液压启闭机结构简单、体积小、传动平稳、无需设置启闭机排架及有利于远动操作的优点，每扇工作闸门选用1台液压启闭机，共3台。液压泵站配置为一机一站。
由于水库运行时水位有足够的连续时间低于溢流表孔堰顶1 437.00 m高程，能满足工作闸门的检修要求，因此工作闸门的上游侧不设检修闸门。闸门与启闭设备布置参见图3。
3.1、 大坝表孔工作闸门
3孔溢流表孔是电站的主要泄洪设施。孔口宽度为12.0 m，堰顶高程为1 437.0 m，共设置工作闸门3扇。门型为露顶式弧形钢闸门，孔口尺寸为12.0 m×14.0 m，底槛高程为1 436.64 m，设计水位为1 450.00 m，设计水头13.36 m。支铰中心高程为1 444.00 m，支铰中心至底槛的垂直高度为7.36 m。
弧形闸门采用双主横梁双斜支臂结构。闸门分为5节制造、运输，最大节高3.15 m，工地安装，节间采用焊接连接，支臂与主梁间采用螺栓连接。支铰的支承型式为球铰，轴承外圈材料为GCr15，内圈为特制铜合金（表面镶嵌自润滑材料），闸门侧导向采用简支式侧轮。启闭设备采用2×1250 kN液压启闭机。为有利于闸门的自动化运行，该闸门未设机械式锁定装置。闸门可在1 437.00 m高程堰顶检修（在库水位低于堰顶高程时）。闸门采用喷Ce铝加涂漆封闭的防腐方法。
闸门操作条件为动水启闭，闸门可在库水位不超过1 450.00 m、风速不大于21.45 m/s的情况下动水启闭。闸门可局部开启或全开泄洪。
3.2、 表孔2×1250 kN液压启闭机
选择采用2×1250 kN液压启闭机操作溢流坝表孔弧形工作闸门，3扇闸门共设置3台启闭机。由于大坝结构为双曲碾压混凝土拱坝，坝身结构复杂、单薄，因此，液压启闭机房需布置在坝面上。液压泵站安装在坝顶1 452.50 m高程的泵房内。
图3 溢流坝工作闸门与启闭机布置图
启闭机型式为双吊点、单作用油缸。泵站配置采用一机一站，3台启闭机由3套液压泵站驱动和控制，可现地控制和远方集中控制。启闭机油缸缸径Φ450 mm，油缸最大行程6.03 m，油缸工作行程5.88 m，满足将工作闸门（底缘）提到校核水位泄洪曲线以上，确保溢流表孔正常泄洪要求，同时满足闸门与启闭机安装、拆除维护要求。
每台液压启闭机由一座泵站的阀组控制操作。液压泵站设置1个油箱、2台油泵一电动机组，互为备用。闸门动水启闭。液压启闭机可全程启闭和局部开启。闸门可自重闭门。液压系统具有双缸启门、闭门同步纠偏功能，确保双缸同步运行。
4、 大坝闸门启闭设备供电系统
大坝闸门启闭设备采用400 V一级电压供电，两回供电电源分别取自电站不同10 kV母线段，同时设置1台500 kW柴油发电机作为大坝供电系统的备用电源。
中孔工作闸门液压启闭机及大坝表孔溢流坝工作闸门液压启闭机均采用了末端双电源切换的供电方式，两路电源分别取自不同分段的主配电屏；大坝冲沙闸中孔事故闸门固定卷扬式启闭机则由主配电屏直接供电，确保了供电的可靠。
5 、大坝中孔及表孔金属结构运行注意事项
1）由于冲沙中孔事故闸门门槽内及门槽前的水流空化数较高，但门槽后的部分区域压力低，水流空化数较小，存在发生空化空蚀的可能，提醒该事故闸门不宜作局部开启运行。
2）冲沙中孔事故闸门设计不考虑淤沙影响，工作闸门门前不宜大量淤积泥沙，需保持经常性对中孔的泄洪冲沙运行。
3）事故闸门启闭机为高扬程变速启闭机，其起升或者启闭均设置了不同的运行速度区，以节省启闭时间。
4）试验结果反映出，冲沙中孔工作闸门在小开度和大开度2个区间存在较大振动的现象，建议闸门运行避开小开度（n0<0.2）及大开度（1.0<n0>0.8）到全开区域区间这2个开度区域。闸门运行过程必须加强观测，尽量减少闸门的局部开启泄洪运行时间；闸门连续长时间运行时，应该全开运行。
5）确保中孔弧形闸门水封的完好率，发现水封橡皮老化破损时，要及时更换优质的材料，从而有效避免止水漏水诱发闸门振动。
6）中孔工作闸门门槽为突扩型门槽。门槽底部设置了补气通气孔，以改善流道及门槽埋件水力条件，必须保证其畅通。
7）经常检查中孔工作闸门充压水封控制系统与液压启闭机系统的控制程序，保证各测压信号正确，确保在充压水封控制系统操作门槽上的充压水封卸压脱离与闸门的接触时，才能启动液压启闭机开启工作闸门泄洪冲沙。在弧门关闭水封保压过程中，充压系统的电控应保持有电状态，不得关闭冲压系统电控系统的电源，避免失压。
6 、结语
万家口子水电站大坝金属结构布置与设计，考虑了地震应急需要，结合了高水头冲沙中孔流态、高压弧门充压止水和突扩式门槽的特点。为研究验证闸门防振动成效，研究验证闸门启闭摩擦阻力及下吸力特性，进行闸门水力学及流激振动模型试验研究是必要的。
该中孔事故闸门可满足全水头紧急动水启门需要，下吸力大，启闭机容量大。高扬程启闭机采取不同启闭速度以节省启闭时间；事故闸门门槽型式采用Ⅱ型，水流条件好；出口工作闸门门槽选择突扩式门槽，止水设置充压式水封及顶部防射水水封，止水效果显着。闸门陆续运行多年，2019年下半年，全部闸门和启闭机安装完毕，设备运行良好。金属结构的布置和设计是合理和可靠的，满足枢纽安全运行要求。
参考文献
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