橫泉水庫金屬結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

原玉英

（山西省水利水電勘測設計研究院 太原 030024）

1 問題的提出

水工建筑物的總體布置設計是水庫設計成敗的關鍵，也是設計水平的集中體現(xiàn)。而金屬結(jié)構(gòu)的選型、布置設計直接影響工程總體布置設計。橫泉水庫工程金屬結(jié)構(gòu)設備的布置本著經(jīng)濟性、實用性和美觀性相結(jié)合的宗旨，反映到工程建設中就是工期短、成本控制嚴格、有效的利用資源、最大限度地發(fā)揮設備的作用。因此，提高了對設計的要求和難度。在這一前提下，緊密結(jié)合工程實際情況，嚴格遵守規(guī)程、規(guī)范，大膽地對金屬結(jié)構(gòu)整體布置、設備選型進行了優(yōu)化設計，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，加速了整個工程進度，有效地改善了相關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 工程任務及主要建筑物

橫泉水庫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。水庫控制流域面積800km2，總庫容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)設備分別布置在這幾部分建筑物的相關部位。

3 金屬結(jié)構(gòu)布置與設計

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)，泄洪閘主要承擔著樞紐泄洪、控制水流的任務，沿水流方向依次設有事故檢修閘門和工作閘門。

3.1.1 事故檢修閘門

事故檢修閘門設置在泄洪洞進口，其運行工況是：當洞身或工作門出現(xiàn)事故時，動水閉門；正常檢修時靜水閉門。該閘門為定輪式平板鋼閘門，孔口尺寸 8.0m×8.0m，設計水頭 27m，閘底高程1107.0m，檢修平臺高程 1138.00m。總體布置由閘門、門槽、拉桿和啟閉機四部分組成。閘門在啟門前由設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的固定式卷揚機通過拉桿靜水啟門。啟閉機安裝在高程為1153.00 m的機房內(nèi)。為滿足運輸要求，閘門沿高度方向分成兩節(jié)制造，在工地現(xiàn)場拼焊成整體。

3.1.2 工作閘門

由于弧形閘門無門槽，水流條件好，而且具有啟門力小、閘門局部開啟運行安全可靠的優(yōu)點，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，設計水頭30.46m，閘底高程1103.54m。閘門為動水啟閉。

該閘門選用2×800kN的固定式卷揚機起吊。經(jīng)閉門力計算，閘門靠自重難以落到閘底，以截斷水流，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，克服閘門下降時的摩擦阻力，使其順利關閉到底檻。考慮運輸尺寸限制，閘門分門葉、支臂(在褲衩處分段)和支鉸幾部分，分件運往工地后現(xiàn)場拼焊、組裝。閘門檢修和維護在孔口內(nèi)進行。

3.2 供水發(fā)電洞金屬結(jié)構(gòu)布置

本工程建設中，重點對供水發(fā)電洞金屬結(jié)構(gòu)布置和選型進行了優(yōu)化設計，其主要特點如下：

（1）重疊布置、分層取水。供水發(fā)電洞是一條多功能隧洞，同時擔負著施工導流、供水發(fā)電、千年一遇洪水位時參與泄洪等多項任務。如何既解決施工導流問題，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，是設計中的一大技術難題。經(jīng)多方案比較論證，采用了先進的分層取水技術，即進水塔塔筒采用三側(cè)封閉槽形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，根據(jù)水庫多功能的要求，設上部開敞式泄洪取水口、下部取水口,上、下取水口之間設胸墻、底部施工導流孔口以及通長的攔污柵槽。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）當水位降低到上部泄洪取水口不能滿足供水要求時，采用下部取水口取水（設平板鋼閘門）；3）底部施工導流孔口（孔口尺寸3.9m×3.9m）用于施工期導流，施工完畢后采用混凝土封堵。該項設計技術的應用既成功地解決了施工導流問題，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行要求，同時解決了多功能隧洞調(diào)度運用的技術難題。

（2）共用門槽。由于地形條件所限，布置疊梁門的存放門庫成為問題，該工程設計中采用了借用門槽堆放的方式成功解決了這一問題的同時節(jié)省了工程投資。當上部取水口水位降低不需要所有疊梁門擋水時，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。當水位降至上部取水口疊梁門槽底高程以下時，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)電洞進口上、下部取水口閘門前面設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。當水位高于上部取水口疊梁門底檻時，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)，使攔污柵吊起來工作。當水位低于上部取水口疊梁門底檻時，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)電洞進口平板事故閘門全部集中布置在供水發(fā)電洞進水塔內(nèi)，如果每扇閘門（或攔污柵）各選用一臺啟吊設備，勢必增大塔體面積，同時增大啟閉機室面積，導致塔體自重加大，塔體承重結(jié)構(gòu)布置困難，而且增加投資，延長工期。設計中結(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 2×250kN的臺車式啟閉機配合自動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(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，對其高溫后的性能研究目前還較少。楊有福等[11]通過試驗和數(shù)值方法，提出了高溫后鋼管再生混凝土軸壓短柱的應力-應變關系模型和強度計算公式。查曉雄等[12]基于平均溫度場理論，推導出高溫下鋼管再生混凝土柱承載力計算式。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-應變?nèi)^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]對高溫后方鋼管再生混凝土柱軸壓和偏壓性能進行試驗研究，建立了剩余承載力計算理論。

攔污柵孔口凈寬4 m，設計水位差為3m，底高程 1140.00 m，檢修平臺高程 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高程檢修平臺上，逐節(jié)拆卸后，進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，為適應不同水頭下取表面清水，進水塔上部取水口設置開敞式疊梁閘門，隨著庫水位升降調(diào)節(jié)疊梁門擋水高度。閘門孔口凈寬4m，設計水頭11.55 m，底檻高程1123.5m，檢修平臺高程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

當庫水位降低至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，該取水口設置潛孔式滑動平板鋼閘門，其孔口尺寸4.0m×2.0m，設計水頭20m，操作水頭9.5m，靜水啟閉。閘底高程1114.00m，檢修平臺高程1138.00m。

3.2.4 進口事故檢修閘門

電站進口事故閘門布置在攔污柵下游，弧形工作閘門上游。當門后的流道、弧門或機組出現(xiàn)事故時，閘門靠自重和鑄鐵配重動水下門關閉孔口，防止事故擴大，以便事故處理；在導水機構(gòu)或隧洞需要檢修時，靜水閉門提供檢修條件。機組發(fā)電時閘門與數(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間，使事故閘門對其下游設施的保護功能得到加強。

該閘門為定輪式平板閘門,其孔口尺寸 3.4m×3.4m，設計水頭26.93m，下游止水底高程1107.17m，檢修平臺高程 1138.00m。事故檢修門后設 0.5m×0.8m的通氣孔。閘門利用設在門葉頂部的充水閥充水平壓后經(jīng)800kN的固定式卷揚機配合拉桿靜水啟門。事故門采用長拉桿方案，連接閘門至壩頂，以避免臺車動滑輪組和鋼絲繩長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)電洞出口設潛孔式弧形工作閘門，孔口尺寸 2.8m×2.8m，設計水頭 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一道P型止水橡皮。選用630kN的固定式卷揚機動水啟門，利用自重和配重（23t鑄鐵塊）動水閉門。

閘門支鉸采用常規(guī)較成熟的圓柱鉸，支鉸軸套為自潤滑材料，支臂與鉸鏈均采用高強度螺栓連接。弧形閘門的檢修和維護在孔口內(nèi)進行。

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，本電站機組采用一字形布置。水輪發(fā)電機組為臥式安裝，電站廠房由主、副廠房組成，電站內(nèi)設三臺機組，單機容量160kW，總裝機容量480kW。

3.3.1 尾水檢修門

為了便于水輪發(fā)電機組的維修，3臺機組下游尾水出口處各設一孔檢修門槽，共設一扇檢修閘門，以滿足在不同時間內(nèi)對3臺水輪發(fā)電機組進行維修，實現(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平板鋼閘門，孔口尺寸 2.15m×1.5m，設計水頭 1.15m，閘底高程1104.85m，檢修平臺高程 1107.4m。閘門為動啟靜閉，選用1臺2×20kN的移動式電動葫蘆起吊。平時閘門鎖定在孔口上部平臺上。

3.3.2 消力池控制閘門

水輪機正常發(fā)電時，為防止水流倒灌需設一道消力池控制閘門，該閘門采用露頂式滑動平板鋼閘門，孔口尺寸 2.0m×2.0m，設計水頭 1.3m，閘底高程1104.7m，檢修平臺高程1106.9m，動啟靜閉。選用 50kN的固定式手電兩用螺桿機起吊。螺桿機要求手搖機構(gòu)能夠自鎖和外部防護罩帶鎖。

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，起吊設備均采用手動螺桿機。螺桿機要求手搖機構(gòu)能夠自鎖和外部防護罩帶鎖。

4 結(jié)語

橫泉水庫工程采用重疊布置、分層取水、共用門槽、共用攔污柵及共用起吊設備等優(yōu)化設計方案，不但成功地解決了多功能隧洞調(diào)度運用技術的難題，而且最大限度地發(fā)揮所配置設備的功效，有效地減少了工程投資，該項技術屬省內(nèi)首創(chuàng)，國內(nèi)也罕見。為以后同類水電站工程提供了設計經(jīng)驗和不斷優(yōu)化設計的基礎。

本工程于2004年開工建設，2007年12月經(jīng)過竣工驗收合格后，2008年1月蓄水正式投運。經(jīng)過三年多的運行和幾個汛期的考驗，在各種不同條件下運行情況一切良好。該項目的優(yōu)化設計把工程的經(jīng)濟性、技術先進性、操作安全可靠性、運行簡便性、維護方便性和觀賞性有機地結(jié)合在一起，取得了較好的社會效益和經(jīng)濟效益。