橫泉水庫(kù)金屬結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

原玉英

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 太原 030024）

1 問(wèn)題的提出

水工建筑物的總體布置設(shè)計(jì)是水庫(kù)設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵，也是設(shè)計(jì)水平的集中體現(xiàn)。而金屬結(jié)構(gòu)的選型、布置設(shè)計(jì)直接影響工程總體布置設(shè)計(jì)。橫泉水庫(kù)工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的布置本著經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性和美觀性相結(jié)合的宗旨，反映到工程建設(shè)中就是工期短、成本控制嚴(yán)格、有效的利用資源、最大限度地發(fā)揮設(shè)備的作用。因此，提高了對(duì)設(shè)計(jì)的要求和難度。在這一前提下，緊密結(jié)合工程實(shí)際情況，嚴(yán)格遵守規(guī)程、規(guī)范，大膽地對(duì)金屬結(jié)構(gòu)整體布置、設(shè)備選型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，在滿足使用功能的前提下，使得金屬結(jié)構(gòu)選型合理、布置新穎、結(jié)構(gòu)緊湊、協(xié)調(diào)、節(jié)省投資，加速了整個(gè)工程進(jìn)度，有效地改善了相關(guān)水工建筑物的總體布置，增加了工程的總體美觀性和使用效果。

2 工程任務(wù)及主要建筑物

橫泉水庫(kù)樞紐工程位于山西省呂梁地區(qū)三川河支流，北川河干流上的方山縣班莊村與橫泉村之間，是一座以城市生活、工業(yè)供水、農(nóng)業(yè)灌溉為主，并兼顧防洪、發(fā)電等綜合利用的中型水利樞紐工程。水庫(kù)控制流域面積800km2，總庫(kù)容0.81億m3。該工程包括大壩、泄洪系統(tǒng)、供水發(fā)電系統(tǒng)、水電站及灌區(qū)幾大部分，金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備分別布置在這幾部分建筑物的相關(guān)部位。

3 金屬結(jié)構(gòu)布置與設(shè)計(jì)

3.1 泄洪洞金屬結(jié)構(gòu)布置

泄洪建筑物布置在大壩右側(cè)，泄洪閘主要承擔(dān)著樞紐泄洪、控制水流的任務(wù)，沿水流方向依次設(shè)有事故檢修閘門和工作閘門。

3.1.1 事故檢修閘門

事故檢修閘門設(shè)置在泄洪洞進(jìn)口，其運(yùn)行工況是：當(dāng)洞身或工作門出現(xiàn)事故時(shí)，動(dòng)水閉門；正常檢修時(shí)靜水閉門。該閘門為定輪式平板鋼閘門，孔口尺寸 8.0m×8.0m，設(shè)計(jì)水頭 27m，閘底高程1107.0m，檢修平臺(tái)高程 1138.00m?？傮w布置由閘門、門槽、拉桿和啟閉機(jī)四部分組成。閘門在啟門前由設(shè)在門葉頂部的充水閥充水平壓，待上、下游水位差小于3m后，利用2×1600kN的固定式卷?yè)P(yáng)機(jī)通過(guò)拉桿靜水啟門。啟閉機(jī)安裝在高程為1153.00 m的機(jī)房?jī)?nèi)。為滿足運(yùn)輸要求，閘門沿高度方向分成兩節(jié)制造，在工地現(xiàn)場(chǎng)拼焊成整體。

3.1.2 工作閘門

由于弧形閘門無(wú)門槽，水流條件好，而且具有啟門力小、閘門局部開啟運(yùn)行安全可靠的優(yōu)點(diǎn)，因此泄洪洞出口工作閘門選用弧形閘門，孔口尺寸6.6m×6.6m，設(shè)計(jì)水頭30.46m，閘底高程1103.54m。閘門為動(dòng)水啟閉。

該閘門選用2×800kN的固定式卷?yè)P(yáng)機(jī)起吊。經(jīng)閉門力計(jì)算，閘門靠自重難以落到閘底，以截?cái)嗨?，封閉孔口，為此，在門葉下主梁腹板上增加35t鑄鐵塊，以增加閘門重量，克服閘門下降時(shí)的摩擦阻力，使其順利關(guān)閉到底檻。考慮運(yùn)輸尺寸限制，閘門分門葉、支臂(在褲衩處分段)和支鉸幾部分，分件運(yùn)往工地后現(xiàn)場(chǎng)拼焊、組裝。閘門檢修和維護(hù)在孔口內(nèi)進(jìn)行。

3.2 供水發(fā)電洞金屬結(jié)構(gòu)布置

本工程建設(shè)中，重點(diǎn)對(duì)供水發(fā)電洞金屬結(jié)構(gòu)布置和選型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，其主要特點(diǎn)如下：

（1）重疊布置、分層取水。供水發(fā)電洞是一條多功能隧洞，同時(shí)擔(dān)負(fù)著施工導(dǎo)流、供水發(fā)電、千年一遇洪水位時(shí)參與泄洪等多項(xiàng)任務(wù)。如何既解決施工導(dǎo)流問(wèn)題，又滿足不同水位下引取表層清水及校核情況下參與泄洪的要求，是設(shè)計(jì)中的一大技術(shù)難題。經(jīng)多方案比較論證，采用了先進(jìn)的分層取水技術(shù)，即進(jìn)水塔塔筒采用三側(cè)封閉槽形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，根據(jù)水庫(kù)多功能的要求，設(shè)上部開敞式泄洪取水口、下部取水口,上、下取水口之間設(shè)胸墻、底部施工導(dǎo)流孔口以及通長(zhǎng)的攔污柵槽。各孔口作用如下：1）上部取水口采用開敞式疊梁門擋水，主要目的為取水兼千年一遇泄洪；2）當(dāng)水位降低到上部泄洪取水口不能滿足供水要求時(shí)，采用下部取水口取水（設(shè)平板鋼閘門）；3）底部施工導(dǎo)流孔口（孔口尺寸3.9m×3.9m）用于施工期導(dǎo)流，施工完畢后采用混凝土封堵。該項(xiàng)設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用既成功地解決了施工導(dǎo)流問(wèn)題，又滿足了不同水頭下引取表層清水、校核情況下參與泄洪的運(yùn)行要求，同時(shí)解決了多功能隧洞調(diào)度運(yùn)用的技術(shù)難題。

（2）共用門槽。由于地形條件所限，布置疊梁門的存放門庫(kù)成為問(wèn)題，該工程設(shè)計(jì)中采用了借用門槽堆放的方式成功解決了這一問(wèn)題的同時(shí)節(jié)省了工程投資。當(dāng)上部取水口水位降低不需要所有疊梁門擋水時(shí)，非工作疊梁門可借用下部取水口門槽存放在下部取水口閘門頂部。當(dāng)水位降至上部取水口疊梁門槽底高程以下時(shí)，將疊梁門放回自己的門槽內(nèi)，再打開下部取水口閘門取水。

（3）共用攔污柵。依據(jù)取水口布置要求，在供水發(fā)電洞進(jìn)口上、下部取水口閘門前面設(shè)平面直立露頂式攔污柵（分節(jié)制造），該攔污柵可以在任何水位情況下工作。當(dāng)水位高于上部取水口疊梁門底檻時(shí)，攔污柵位于上部取水口攔污，將其最上節(jié)的鎖定裝置抬起固定放置在鎖定槽內(nèi)，使攔污柵吊起來(lái)工作。當(dāng)水位低于上部取水口疊梁門底檻時(shí)，將鎖定裝置收回，攔污柵放到其底檻上工作。這一結(jié)構(gòu)布置的優(yōu)化，降低了攔污柵的高度。

（4）共用起吊設(shè)備。攔污柵、上部取水口疊梁閘門、下部取水口平板閘門與供水發(fā)電洞進(jìn)口平板事故閘門全部集中布置在供水發(fā)電洞進(jìn)水塔內(nèi)，如果每扇閘門（或攔污柵）各選用一臺(tái)啟吊設(shè)備，勢(shì)必增大塔體面積，同時(shí)增大啟閉機(jī)室面積，導(dǎo)致塔體自重加大，塔體承重結(jié)構(gòu)布置困難，而且增加投資，延長(zhǎng)工期。設(shè)計(jì)中結(jié)合水工建筑物總體布置情況，選用了攔污柵、上部取水口疊梁閘門及下部取水口平板閘門共用一臺(tái) 2×250kN的臺(tái)車式啟閉機(jī)配合自動(dòng)抓梁起吊的布置方案。

3.2.1 攔污柵

組合結(jié)構(gòu)或構(gòu)件火災(zāi)(高溫)后抗震性能的研究已有豐富的成果[7-10]，由于鋼管再生混凝土研究起步晚，對(duì)其高溫后的性能研究目前還較少。楊有福等[11]通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值方法，提出了高溫后鋼管再生混凝土軸壓短柱的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型和強(qiáng)度計(jì)算公式。查曉雄等[12]基于平均溫度場(chǎng)理論，推導(dǎo)出高溫下鋼管再生混凝土柱承載力計(jì)算式。王兵等[13]采用有限元方法，研究不同溫度、取代率作用下方鋼管再生混凝土柱的荷載-應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線，深入分析了高溫后軸壓承載力折減系數(shù)的影響規(guī)律。陳宗平等[14,15]對(duì)高溫后方鋼管再生混凝土柱軸壓和偏壓性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，建立了剩余承載力計(jì)算理論。

攔污柵孔口凈寬4 m，設(shè)計(jì)水位差為3m，底高程 1140.00 m，檢修平臺(tái)高程 1138.00 m，靜水啟閉。柵條截面尺寸 8mm×80mm,柵條間距 80mm。根據(jù)運(yùn)輸和降低塔體高度的要求，將攔污柵沿柵葉高度方向分為5節(jié)，每節(jié)高2.5m，總高12.5m。節(jié)間用連接板配合螺栓連接。將攔污柵整扇柵葉提至1138.0m高程檢修平臺(tái)上，逐節(jié)拆卸后，進(jìn)行人工清污和檢修工作。

3.2.2 上部取水口疊梁門

根據(jù)供水及泄洪要求，為適應(yīng)不同水頭下取表面清水，進(jìn)水塔上部取水口設(shè)置開敞式疊梁閘門，隨著庫(kù)水位升降調(diào)節(jié)疊梁門擋水高度。閘門孔口凈寬4m，設(shè)計(jì)水頭11.55 m，底檻高程1123.5m，檢修平臺(tái)高程1138.00m，靜水啟閉。該閘門共分7節(jié)，每節(jié)1.5m，閘門總高10.5m。每節(jié)疊梁之間上下要求能互換方便使用。

3.2.3 下部取水口閘門

當(dāng)庫(kù)水位降低至1123.5m高程以下，上部取水口不能滿足供水要求，則采用下部取水口取水，該取水口設(shè)置潛孔式滑動(dòng)平板鋼閘門，其孔口尺寸4.0m×2.0m，設(shè)計(jì)水頭20m，操作水頭9.5m，靜水啟閉。閘底高程1114.00m，檢修平臺(tái)高程1138.00m。

3.2.4 進(jìn)口事故檢修閘門

電站進(jìn)口事故閘門布置在攔污柵下游，弧形工作閘門上游。當(dāng)門后的流道、弧門或機(jī)組出現(xiàn)事故時(shí)，閘門靠自重和鑄鐵配重動(dòng)水下門關(guān)閉孔口，防止事故擴(kuò)大，以便事故處理；在導(dǎo)水機(jī)構(gòu)或隧洞需要檢修時(shí)，靜水閉門提供檢修條件。機(jī)組發(fā)電時(shí)閘門與數(shù)節(jié)拉桿連接在一起鎖定在孔口上方，以減少拉桿穿軸所需的時(shí)間，使事故閘門對(duì)其下游設(shè)施的保護(hù)功能得到加強(qiáng)。

該閘門為定輪式平板閘門,其孔口尺寸 3.4m×3.4m，設(shè)計(jì)水頭26.93m，下游止水底高程1107.17m，檢修平臺(tái)高程 1138.00m。事故檢修門后設(shè) 0.5m×0.8m的通氣孔。閘門利用設(shè)在門葉頂部的充水閥充水平壓后經(jīng)800kN的固定式卷?yè)P(yáng)機(jī)配合拉桿靜水啟門。事故門采用長(zhǎng)拉桿方案，連接閘門至壩頂，以避免臺(tái)車動(dòng)滑輪組和鋼絲繩長(zhǎng)期浸泡在水中影響使用壽命以及淤積物影響滑輪組正常工作。

3.2.5 出口弧形工作閘門

供水發(fā)電洞出口設(shè)潛孔式弧形工作閘門，孔口尺寸 2.8m×2.8m，設(shè)計(jì)水頭 29.54m，閘底高程1104.46m。門體采用雙主橫梁，直支臂形式，弧形面板曲率半徑為 6.0m，支鉸位置選在離底檻以上4.5m處。面板布置在迎水面，在門葉和門楣上各設(shè)一道P型止水橡皮。選用630kN的固定式卷?yè)P(yáng)機(jī)動(dòng)水啟門，利用自重和配重（23t鑄鐵塊）動(dòng)水閉門。

閘門支鉸采用常規(guī)較成熟的圓柱鉸，支鉸軸套為自潤(rùn)滑材料，支臂與鉸鏈均采用高強(qiáng)度螺栓連接?；⌒伍l門的檢修和維護(hù)在孔口內(nèi)進(jìn)行。

3.3 水電站金屬結(jié)構(gòu)布置

水電站位于大壩下游，采用鋼管自供水發(fā)電洞引水，利用灌溉及工業(yè)用水進(jìn)行發(fā)電，該電站為壩后引水式電站。根據(jù)站址地形條件，本電站機(jī)組采用一字形布置。水輪發(fā)電機(jī)組為臥式安裝，電站廠房由主、副廠房組成，電站內(nèi)設(shè)三臺(tái)機(jī)組，單機(jī)容量160kW，總裝機(jī)容量480kW。

3.3.1 尾水檢修門

為了便于水輪發(fā)電機(jī)組的維修，3臺(tái)機(jī)組下游尾水出口處各設(shè)一孔檢修門槽，共設(shè)一扇檢修閘門，以滿足在不同時(shí)間內(nèi)對(duì)3臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行維修，實(shí)現(xiàn)一門多用，最大限度地發(fā)揮所配置閘門的功效。該閘門采用露頂式滑動(dòng)平板鋼閘門，孔口尺寸 2.15m×1.5m，設(shè)計(jì)水頭 1.15m，閘底高程1104.85m，檢修平臺(tái)高程 1107.4m。閘門為動(dòng)啟靜閉，選用1臺(tái)2×20kN的移動(dòng)式電動(dòng)葫蘆起吊。平時(shí)閘門鎖定在孔口上部平臺(tái)上。

3.3.2 消力池控制閘門

水輪機(jī)正常發(fā)電時(shí)，為防止水流倒灌需設(shè)一道消力池控制閘門，該閘門采用露頂式滑動(dòng)平板鋼閘門，孔口尺寸 2.0m×2.0m，設(shè)計(jì)水頭 1.3m，閘底高程1104.7m，檢修平臺(tái)高程1106.9m，動(dòng)啟靜閉。選用 50kN的固定式手電兩用螺桿機(jī)起吊。螺桿機(jī)要求手搖機(jī)構(gòu)能夠自鎖和外部防護(hù)罩帶鎖。

3.4 灌區(qū)工程

灌區(qū)工程中的所有閘門均采用鑄鐵閘門，起吊設(shè)備均采用手動(dòng)螺桿機(jī)。螺桿機(jī)要求手搖機(jī)構(gòu)能夠自鎖和外部防護(hù)罩帶鎖。

4 結(jié)語(yǔ)

橫泉水庫(kù)工程采用重疊布置、分層取水、共用門槽、共用攔污柵及共用起吊設(shè)備等優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，不但成功地解決了多功能隧洞調(diào)度運(yùn)用技術(shù)的難題，而且最大限度地發(fā)揮所配置設(shè)備的功效，有效地減少了工程投資，該項(xiàng)技術(shù)屬省內(nèi)首創(chuàng)，國(guó)內(nèi)也罕見。為以后同類水電站工程提供了設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

本工程于2004年開工建設(shè)，2007年12月經(jīng)過(guò)竣工驗(yàn)收合格后，2008年1月蓄水正式投運(yùn)。經(jīng)過(guò)三年多的運(yùn)行和幾個(gè)汛期的考驗(yàn)，在各種不同條件下運(yùn)行情況一切良好。該項(xiàng)目的優(yōu)化設(shè)計(jì)把工程的經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)先進(jìn)性、操作安全可靠性、運(yùn)行簡(jiǎn)便性、維護(hù)方便性和觀賞性有機(jī)地結(jié)合在一起，取得了較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。