鄧勛發(fā)，鄧 森，黃天寶，陳規(guī)劃

（廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責(zé)任公司，530200，南寧）

大藤峽水利樞紐工程（以下簡(jiǎn)稱大藤峽工程）是國(guó)家172 項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程的標(biāo)志性工程，是珠江流域的關(guān)鍵控制性工程，具有防洪、航運(yùn)、發(fā)電、水資源配置、灌溉等綜合效益。大藤峽工程規(guī)模和多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)處于國(guó)內(nèi)外同類工程前列，船閘是目前世界上已建水頭最高的單級(jí)船閘，泄水閘高、低孔弧形工作閘門總推力位于國(guó)內(nèi)同類工程前列，低水頭大容量軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)制造難度突破國(guó)內(nèi)外同類機(jī)組水平，南木江生態(tài)魚道為目前國(guó)內(nèi)規(guī)模最大的生態(tài)魚道。項(xiàng)目法人廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱大藤峽公司）組織國(guó)內(nèi)知名科研院所開展了超高水頭船閘輸水系統(tǒng)、船閘超大金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備、大型軸流發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)及性能優(yōu)化、泄水閘弧門超大推力閘墩結(jié)構(gòu)及安全、水庫(kù)綜合調(diào)度及流域水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度運(yùn)用研究及工程施工等六大類關(guān)鍵技術(shù)40多項(xiàng)科研項(xiàng)目攻關(guān)，取得系列創(chuàng)新研究成果，解決了工程關(guān)鍵技術(shù)難題，為工程設(shè)計(jì)、設(shè)備制造安裝提供了技術(shù)支撐。

一、建設(shè)國(guó)內(nèi)外水頭最高、規(guī)模最大的單級(jí)船閘

1.創(chuàng)新超高水頭船閘輸水系統(tǒng)

大藤峽船閘設(shè)計(jì)通航最大船舶噸級(jí)為3000 t，船閘級(jí)別為Ⅰ級(jí)，閘室有效尺寸為280 m×34 m×5.8 m，船閘最高通航水頭40.25 m，一次充泄水量最大達(dá)42萬(wàn)m3，是三峽船閘的1.8倍，為目前國(guó)內(nèi)外已建單級(jí)船閘之最。高水頭船閘輸水系統(tǒng)流量大、流速高，輸水廊道閥門段、第一分流口、第二分流口等輸水系統(tǒng)關(guān)鍵部位水力學(xué)問(wèn)題突出。

大藤峽公司組織中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱中水東北公司）、長(zhǎng)江科學(xué)院、南京水利科學(xué)研究院、武漢大學(xué)等多家科研單位開展超高水頭船閘輸水系統(tǒng)整體及局部水力學(xué)模型等8 個(gè)平行試驗(yàn)研究，對(duì)輸水系統(tǒng)第一分流口、第二分流口及充泄水閥門段廊道等關(guān)鍵部位的水流流態(tài)、分流流量、壓力分布、體型及船舶停泊條件等進(jìn)行平行對(duì)比試驗(yàn)研究，取得系列創(chuàng)新成果。研究成果通過(guò)水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院驗(yàn)收，并應(yīng)用于船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)。船閘進(jìn)水口采用側(cè)向垂直多支孔分散進(jìn)水的方式，部分自引航道內(nèi)取水，部分自庫(kù)區(qū)取水，出水口采用泄水箱涵將閘室水體泄入右側(cè)尾水渠；第一分流口采用T 形管處設(shè)置不對(duì)稱分流脊的立體分流體型；第二分流口采用加設(shè)分流脊的自分流體型，為世界首創(chuàng)；充水閥門段跌坎采用垂直型式，升坎采用五次曲線體型。原型監(jiān)測(cè)成果表明，優(yōu)化后的四區(qū)段八分支廊道蓋板消能（自分流）輸水系統(tǒng)水力特性、廊道壓力特性、船舶停泊條件均滿足規(guī)范要求，船閘充、泄水運(yùn)行時(shí)，閘、閥門整體運(yùn)行狀況良好，閘室水面升降平穩(wěn)，各技術(shù)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

2.國(guó)內(nèi)外最大船閘人字閘門制造安裝

船閘下閘首人字閘門高47.5 m、寬20.2 m、厚3.2 m，重1295 t，面積相當(dāng)于2.5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)籃球場(chǎng)大，比三峽船閘人字閘門高9 m、重500 t，規(guī)模為目前世界最大，堪稱“天下第一門”。每扇門葉結(jié)構(gòu)分十二節(jié)，制造后運(yùn)達(dá)現(xiàn)場(chǎng)安裝焊接成整體。下閘首人字閘門的制造、安裝以及轉(zhuǎn)軸支撐均屬世界級(jí)難題。

大藤峽公司組織中水東北公司聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)、武漢大學(xué)、南京水利科學(xué)研究院等開展人字閘門結(jié)構(gòu)、水動(dòng)力及啟閉特性，液壓?jiǎn)㈤]機(jī)撓度和穩(wěn)定性，底樞及潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)等7個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目研究。人字閘門底樞“蘑菇頭”直徑1.2 m，是三峽閘門底樞“蘑菇頭”直徑的1.2 倍，通過(guò)多方案試驗(yàn)對(duì)比，選用高碳高鉻不銹軸承鋼鑄鍛、高力黃銅鑲嵌無(wú)鉛PTFE類固體潤(rùn)滑劑，耐磨性能好，為國(guó)內(nèi)外首創(chuàng)。人字閘門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)細(xì)長(zhǎng)液壓缸與活塞桿大比尺（1∶5）模型試驗(yàn)研究表明，長(zhǎng)18.4 m 的液壓缸、直徑0.38 m 的活塞桿滿足強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性要求，可安全穩(wěn)定地控制巨型人字閘門運(yùn)行。

“蘑菇頭”為國(guó)內(nèi)首次選用高碳高鉻不銹鋼新材質(zhì)鑄鍛，制造難度巨大。為降低風(fēng)險(xiǎn)，大藤峽公司多次組織專家咨詢，委托國(guó)內(nèi)兩家高資質(zhì)公司同時(shí)鑄鍛，互為備用，提高供貨保證率，有效解決熱處理難度高、材料變形抗力大、鍛造易開裂等多項(xiàng)技術(shù)難題，及時(shí)完成制造任務(wù)，確保船閘人字閘門按時(shí)完成安裝。

人字閘門門軸柱和斜接柱是兩扇人字閘門形成三角拱支承的直接受力構(gòu)件，除承受自身重量外，還傳遞整扇閘門的巨大水壓力。該部位空間狹小、板材厚、焊縫多，焊后容易產(chǎn)生過(guò)大的殘余應(yīng)力，對(duì)閘門的受力不利。武昌船舶重工集團(tuán)有限公司在人字閘門邊單元制造過(guò)程中，對(duì)小部件進(jìn)行整體退火消應(yīng)力處理，再分段進(jìn)行振動(dòng)消應(yīng)力處理，在制造全周期內(nèi)分階段進(jìn)行焊接應(yīng)力消除，有效降低焊接殘余應(yīng)力，保證結(jié)構(gòu)安全。

下閘首人字閘門最大板厚100 mm，推力隔板厚50 mm，材質(zhì)為Q390GJDZ25，首次運(yùn)用在水工閘門上。制造單位制定預(yù)焊接作業(yè)指導(dǎo)書，通過(guò)無(wú)損檢測(cè)、力學(xué)性能驗(yàn)證焊接試件的焊接工藝和焊縫參數(shù)的可行性；根據(jù)評(píng)定確定焊接工藝、焊接參數(shù)，編制焊接工藝規(guī)程；確定門體制造的分段形式、工藝流程，將門體分為部件制造、邊單元制造、中部單元制造和門體總拼裝四個(gè)階段實(shí)施。

下閘首人字閘門體型巨大、重量巨大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、焊接量大，背拉桿預(yù)應(yīng)力層數(shù)多、受力狀態(tài)復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)起吊和焊接變形控制難度大，安裝控制要求高，剛性止水要求精度達(dá)0.05 mm。葛洲壩公司組織開展人字閘門吊裝、焊接變形質(zhì)量控制、三層背拉桿預(yù)應(yīng)力調(diào)節(jié)等聯(lián)合攻關(guān)，對(duì)人字閘門分節(jié)運(yùn)輸方案、頂樞A和B桿拉架預(yù)應(yīng)力錨桿安裝技術(shù)、背拉桿預(yù)應(yīng)力施加方案、底樞與頂蓋液氮冷卻過(guò)盈配合工藝等進(jìn)行研究，確保安裝關(guān)鍵工序技術(shù)可控、方案可行。

二、自主設(shè)計(jì)、制造、安裝國(guó)內(nèi)最大軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組

大藤峽左右岸電站共安裝8臺(tái)自主設(shè)計(jì)、制造、安裝的國(guó)內(nèi)最大軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量20萬(wàn)kW，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑10.4 m，發(fā)電機(jī)定子鐵芯外徑17.2 m，轉(zhuǎn)子最大直徑16.4 m，起吊總重量940 t。機(jī)組尺寸巨大，技術(shù)復(fù)雜，設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸、安裝調(diào)試難度極高。

大藤峽公司組織中水東北公司、浙江富春江水電設(shè)備有限公司進(jìn)行攻關(guān)，研發(fā)出性能優(yōu)秀、適合大藤峽水力特性和實(shí)際特點(diǎn)的模型轉(zhuǎn)輪，并在真機(jī)運(yùn)行中得到了檢驗(yàn)。水輪機(jī)重要的零部件均采用三維設(shè)計(jì)、三維實(shí)體仿真有限元計(jì)算，均在數(shù)控機(jī)床上加工、廠內(nèi)預(yù)裝和試驗(yàn)，確保了水輪機(jī)整體質(zhì)量。創(chuàng)新設(shè)計(jì)活塞位于轉(zhuǎn)輪葉片樞軸下方的新型結(jié)構(gòu)及一系列專用安裝工具，直接采用立式裝配并吊裝的解決方案，成功解決了缸動(dòng)式結(jié)構(gòu)和常規(guī)活塞式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)輪在裝配后需要翻身再進(jìn)行吊裝的技術(shù)難題，為轉(zhuǎn)輪安裝和檢修帶來(lái)便利，保證安裝人員人身安全及轉(zhuǎn)輪內(nèi)零部件在翻身過(guò)程中免受損傷，提高了安裝效率，縮短了安裝時(shí)間，保證了施工安全。水輪機(jī)座環(huán)使用座環(huán)專用車床，加工精度和效率更高，提高了制造精度，縮短了制造時(shí)間。

針對(duì)水輪發(fā)電機(jī)低轉(zhuǎn)速、大推力負(fù)荷的特點(diǎn)，大藤峽公司組織中水東北公司、哈爾濱電機(jī)廠進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，采用在巨型機(jī)組廣泛應(yīng)用的小支柱推力軸承和斜支臂轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，確保各推力瓦受力均勻，縮小各推力瓦的溫差。以斜支臂推力結(jié)構(gòu)改善轉(zhuǎn)子支架的受力，確保轉(zhuǎn)子支架和磁軛的分離轉(zhuǎn)速不低于額定轉(zhuǎn)速的1.4倍，保證了機(jī)組的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。針對(duì)大藤峽水輪發(fā)電機(jī)直徑大、高度低的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，持續(xù)開展設(shè)計(jì)優(yōu)化與工藝改進(jìn)，通過(guò)剛強(qiáng)度計(jì)算和有效增加結(jié)構(gòu)部件重量，解決了機(jī)組上機(jī)架、下機(jī)架、轉(zhuǎn)子支架和定子機(jī)座等重要部件剛度性能提升難題，成功攻克轉(zhuǎn)子支架加工、推力軸承瓦裝配、推力擋油管加工易變形等一系列生產(chǎn)制造難點(diǎn)。機(jī)組定子鐵芯重187.8 t，由20萬(wàn)張硅鋼片疊裝而成，制造單位在行業(yè)規(guī)定的3 次預(yù)壓基礎(chǔ)上，增加1 次預(yù)壓，使疊壓系數(shù)達(dá)到0.97 以上，超過(guò)國(guó)標(biāo)要求的0.96，并高標(biāo)準(zhǔn)控制定子圓度在0.46 mm以內(nèi)，偏差控制在2%以內(nèi)，遠(yuǎn)高于國(guó)標(biāo)要求的4%。大藤峽發(fā)電機(jī)鏡板直徑為5.2 m，與三峽發(fā)電機(jī)鏡板同一尺寸，是哈爾濱電機(jī)廠制造的最大尺寸鏡板，其形位公差要求嚴(yán)格，加工難度大，通過(guò)不斷優(yōu)化工步、工序和加工工具，確保鏡板質(zhì)量。

三、建設(shè)大流量、大推力弧形工作閘門泄水閘

大藤峽泄水閘5000 年一遇校核洪水最大下泄流量為70 700 m3/s，最大單寬流量達(dá)到176 m3/s，弗勞德數(shù)（3.1～4.3）較低，屬大泄量低弗勞德數(shù)泄洪建筑物，消能工復(fù)雜。泄水閘布置24孔低孔弧形工作閘門和2孔高孔弧形工作閘門，低孔弧形工作閘門孔口尺寸為9 m×18 m，設(shè)計(jì)水頭為39 m，單扇弧門最大推力達(dá)6820 t，弧形閘門鉸座鋼梁支撐結(jié)構(gòu)、弧門推力等在國(guó)內(nèi)同類工程中位居前列。

大藤峽公司組織中水東北公司聯(lián)合中國(guó)水利科學(xué)研究院、南京水利科學(xué)研究院、武漢大學(xué)、吉林大學(xué)、四川大學(xué)等單位，通過(guò)采用數(shù)學(xué)模型和物理模型相結(jié)合的方法，對(duì)泄水高孔（低孔）閘門水力學(xué)、水動(dòng)力作用荷載特性、結(jié)構(gòu)靜力和動(dòng)力特性以及結(jié)構(gòu)流激振動(dòng)特性等問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)研究，揭示了泄水工作閘門水力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，提出改善措施和閘門安全運(yùn)行操作規(guī)程；通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)泄水高孔、低孔壩段閘室預(yù)應(yīng)力閘墩及支撐型式進(jìn)行了三維有限元計(jì)算分析研究，得到關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)參數(shù)，并提出了泄水低孔采用預(yù)應(yīng)力閘墩和鋼梁結(jié)構(gòu)組合的優(yōu)化方案，確保泄水閘室閘墩安全運(yùn)行；通過(guò)物理模型試驗(yàn)對(duì)泄水低孔門槽及胸墻常壓、減壓條件下空化空蝕特性進(jìn)行深入分析研究，得到相關(guān)特性關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)并提出了預(yù)防措施建議；通過(guò)調(diào)查對(duì)比、資料分析、數(shù)值模擬計(jì)算等多種方法，對(duì)泄水低孔弧形閘門支承鋼梁及閘墩預(yù)應(yīng)力錨索施工工藝關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)深入研究，提出適合大藤峽工程施工條件的方案；通過(guò)基礎(chǔ)資料分析、數(shù)值模擬計(jì)算、物理模型試驗(yàn)等多種方法，對(duì)超大推力泄水閘及其相鄰構(gòu)筑物基礎(chǔ)處理關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)深入研究，提出泄水閘室與巖體的變形破壞模式，為大藤峽泄水閘及其相鄰構(gòu)筑物基礎(chǔ)處理提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐；通過(guò)多方案水工模型試驗(yàn)對(duì)比研究，確定合理的樞紐布置方案和消能方案，消能采用二級(jí)消力池底流消能方案，消力池分為左、中、右3個(gè)分區(qū)，較好地解決了樞紐合理布置及大流量泄洪消能問(wèn)題。研究成果通過(guò)水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院驗(yàn)收并應(yīng)用于泄水閘設(shè)計(jì)及安裝。

泄水閘低孔弧形工作閘門重715 t；弧形工作閘門支承鋼梁長(zhǎng)15.1 m、重230 t，由35束鋼錨索錨固于閘墩上。泄水閘弧形工作閘門安裝工序多，安裝過(guò)程復(fù)雜，施工難度大，安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)極高。中國(guó)水利水電第八工程局有限公司建立專門的弧門安裝組織機(jī)構(gòu)，對(duì)安裝技術(shù)方案進(jìn)行多次論證，確保技術(shù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)落實(shí)。在施工工法上，依據(jù)弧形閘門主要構(gòu)件的重量及尺寸情況，結(jié)合安裝場(chǎng)地工況，采取750 t履帶吊車安裝支鉸座、增設(shè)兩臺(tái)16 t單臂橋機(jī)穿插安裝花架等措施，保障了作業(yè)安全和施工進(jìn)度。

四、建設(shè)獨(dú)特的雙魚道、國(guó)內(nèi)最大的生態(tài)魚道

大藤峽工程建設(shè)會(huì)對(duì)黔江魚類洄游造成阻隔，影響區(qū)分布有在海洋至江河間洄游的魚類如花鰻鱺、鰻鱺和江湖洄游魚類如四大家魚等。為保護(hù)受工程影響的魚類，恢復(fù)河流生物多樣性，大藤峽工程建設(shè)了黔江魚道和南木江魚道雙魚道。

1.黔江魚道

黔江魚道布置在黔江右岸岸坡上，總長(zhǎng)度3698.2 m，其中非汛期魚道長(zhǎng)1279.8 m，汛期魚道長(zhǎng)2418.4 m。魚道槽身為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，縱坡1∶80，寬5 m，為豎縫式魚道，豎縫寬1 m，魚池室長(zhǎng)6 m，每隔15～20個(gè)魚池室設(shè)一個(gè)平底休息池，休息池長(zhǎng)12 m，魚道底板設(shè)置漿砌卵石加糙。

2.南木江魚道

南木江魚道布置在南木江副壩左岸，采用工程魚道和仿生態(tài)魚道相結(jié)合的過(guò)魚方式，南木江魚道總長(zhǎng)5537 m，其中工程魚道長(zhǎng)1067 m，生態(tài)魚道長(zhǎng)4470 m，工程魚道槽身為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)漿砌卵石加糙。

在施工圖設(shè)計(jì)階段，南木江魚道在滿足原設(shè)計(jì)功能的同時(shí)，結(jié)合生態(tài)景觀設(shè)計(jì)優(yōu)化了魚道治理范圍和設(shè)計(jì)。根據(jù)南木江河道地形條件，結(jié)合各種過(guò)魚種類，對(duì)流速、水深及保育中心、魚類增殖站布置、景觀綠化等進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)過(guò)綜合比較魚道總體布置、縱坡、斷面形式及各控制高程等系列方案，最終確定將南木江魚道布置為彎彎曲曲近似天然河道的形狀，其中#1魚道生態(tài)段起點(diǎn)高程51.6 m，長(zhǎng)度1440 m，縱坡1∶150，匯合口高程42.0 m；景觀湖底高程42.5 m，景觀湖雍水堰頂高程44.8 m；#2魚道生態(tài)段長(zhǎng)度280 m，縱坡1∶100；下游總生態(tài)魚道長(zhǎng)度2750 m，縱坡1∶250，末端高程31.0 m。

大藤峽公司組織中國(guó)水利水電科學(xué)研究院、華北水利水電大學(xué)開展數(shù)學(xué)模型及物理模型試驗(yàn)，驗(yàn)證魚道是否滿足魚類過(guò)魚要求。建立包含生態(tài)魚道與部分工程魚道的數(shù)學(xué)模型，模擬生態(tài)魚道進(jìn)出口位置、銜接位置及魚道段的水流情況，分析水流流態(tài)和流速特征，初步判斷魚道方案的可行性及優(yōu)化方向，為物理模型提供最優(yōu)模型方案。物理模型試驗(yàn)采取平面比尺1∶10～1∶12、垂直比尺1∶10～1∶12，模擬#1生態(tài)魚道、#2生態(tài)魚道及部分總生態(tài)魚道，測(cè)試各工況下生態(tài)魚道的過(guò)流能力及生態(tài)魚道內(nèi)（包括休息室）的流態(tài)、水深、流速分布狀況，檢驗(yàn)魚道內(nèi)水流結(jié)構(gòu)對(duì)過(guò)魚水力條件的適應(yīng)性；測(cè)試魚道沿程水面線和流速沿程變化，分析魚道內(nèi)水流沿程能量耗散及消能對(duì)過(guò)魚水力條件的影響；驗(yàn)證生態(tài)魚道平面布局、縱坡設(shè)計(jì)與斷面設(shè)計(jì)方案的合理性，并優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，以滿足魚道對(duì)水流條件的要求。

通過(guò)系列試驗(yàn)及修正，確定將南木江魚道布置為近似天然河道的形狀，有淺灘、深潭、石窩、水草等，適合水生生物生長(zhǎng)及魚類洄游等。

五、結(jié) 語(yǔ)

大藤峽工程多項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)處于國(guó)內(nèi)外領(lǐng)先水平。工程論證建設(shè)期，水利部成立了由潘家錚院士、鄭守仁院士等組成的大藤峽工程建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組專家咨詢組，把脈、破解工程建設(shè)重大關(guān)鍵技術(shù)難題，水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院開展工程重大科研試驗(yàn)成果驗(yàn)收、重大技術(shù)問(wèn)題咨詢和階段驗(yàn)收安全鑒定等40余次，解決了大藤峽工程泄水閘消能建筑物布置、泄水閘低孔弧門支承結(jié)構(gòu)、一期基坑巖溶涌水、大體積混凝土溫控、大江截流及船閘人字閘門、“磨菇頭”制造安裝等系列重大關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題和施工難題，為工程設(shè)計(jì)、設(shè)備制造安裝及工程建設(shè)順利推進(jìn)提供技術(shù)保障，創(chuàng)造了工程提前4個(gè)月完工、工程質(zhì)量?jī)?yōu)良、運(yùn)行安全穩(wěn)定和投資可控的水利工程新標(biāo)桿。