淺談水電站工程金屬結構設計

廖微微

（貴州新中水工程有限公司　貴州貴陽　550001）

淺談水電站工程金屬結構設計

廖微微

（貴州新中水工程有限公司貴州貴陽550001）

水電站金屬結構設計的合理性對整個水電站的運行至關重要。在相關設計方面，應當重點考慮使用質量要求以及設備的安全可靠度和先進性。本文結合工程實例，就水電站工程中相關金屬結構的設計進行了探討，以供相關設計者參考。

水電站工程；金屬結構；設計

引言

隨著我國大中型水電站建設的迅猛發展，水工金屬結構設備已達到了國際同類型設備的水平。如今的水工閘門規模正向著大尺寸、高水頭的趨勢發展，目前已建的或在建中的水電站，通常采用露頂式弧形閘門，其最大的孔口尺寸已經達到20m以上，而潛孔式高水頭弧形閘門最大設計的水頭、操作水頭，分別可以達到160m和105m。而啟閉機械也開始向著大容量、高揚程的方向發展。

1　水電站金屬結構概述

水電站金屬結構設備一般包括各種閘門、攔污柵、升船機、各類啟閉機，以及操作閘門、攔污柵的附屬設備如抓梁、吊桿、鎖定裝置等。

1.1閘門

閘門的作用是關閉水工建筑物孔口，并根據需要全部、局部開啟孔口，來實行放水、調節上下游水位、排沙等功能。閘門通常布置在電站的泄水系統、輸水發電系統、航運系統以及沖沙系統等。

閘門按照結構特點進行分類，可分為平面閘門、弧形閘門、人字閘門、拱形閘門、舌瓣閘門、三角形閘門等；按用途分為工作閘門、事故閘門、檢修閘門、導流封堵閘門等。工作閘門指能在動水中啟閉的閘門；事故閘門指當閘門下游（或上游）發生事故時能在動水中關閉的閘門，當需快速關閉時，也稱為快速閘門，事故閘門在靜水中開啟。

（1）溢洪道閘門

在水電站溢洪道、泄洪表孔處，通常會設置檢修閘門和工作閘門。對于一些水頭較高、泄水孔洞較長的泄洪設施，還可以在事故閘門前設置檢修閘門。泄水系統的工作閘門一般會選用平面閘門或弧形閘門，如果閘門孔口的尺寸較大，操作水頭又大于50m，則以弧形閘門為宜。弧形閘門的優點在于操作靈活，可以充分滿足局部開啟要求，因此應用廣泛。而泄水系統事故閘門、檢修閘門，則一般選用的是平面閘門。

（2）輸水發電系統進水口通常設置攔污柵、檢修閘門和事故閘門。如果機組要求迅速切斷水流，則還需要在電站進水口設置快速閘門。水電站的尾水出口應當設置檢修閘門，且輸水發電系統的快速閘門、事故閘門、檢修閘門大多選用平面閘門。

（3）通航河道設有船閘，船閘的上、下閘首應當設置工作閘門和檢修閘門。大中型工程的船閘如果發生閘門失事問題，會引起嚴重后果，因此還需要在上閘首工作閘門上游設置事故閘門。工作閘門可選擇的有人字閘門、平面閘門等。而事故閘門、檢修閘門則大多選用平面閘門。

1.2啟閉機

啟閉機的作用是操作閘門，開啟或關閉機械設備。水電站常用的啟閉設備有固定卷揚式啟閉機、液壓啟閉機、門式啟閉機、橋式啟閉機、臺車式啟閉機、電動葫蘆等。

1.3攔污柵

攔污柵的主要作用是攔阻水流挾帶的污物，以防止污物進入引水道，引起堵塞問題，損壞保護機組、閘門、閥及管道等。攔污柵一般布置在進水口的最前沿，如果污物較多，還應當在攔污柵前設置清污設備。

2　水電站工程金屬結構設計案例分析

2.1工程概況

某水電站地處某河流域的中游。該水電站安裝多種金屬結構設備，并分別布置在：①泄水建筑物中；②沖砂建筑物中；③引水建筑物中。設有門槽、柵槽共9孔，各種閘門、攔污柵共8扇，各種啟閉機7臺套。此外，該水電站泄水建筑物還設置了表孔溢洪道，共3孔。表孔工作閘門的形狀為弧形，啟閉機采用的啟閉方式為液壓啟閉。沖砂建筑物進口設置檢修閘門和工作閘門，各設1道。引水建筑物進口分別設置了攔污柵和事故檢修閘門，也是各設1道。尾水管出口設置了檢修閘門，兩孔共用1扇閘門。

2.2水電站金屬結構設計分析

該水電站金屬結構主要由以下部分組成：①泄水建筑物；②電站建筑物；③沖砂放空建筑物閘門和啟閉設備。

2.2.1泄水建筑物閘門及啟閉設備設計

該水電站溢洪道位于混凝土重力壩中部，上設置3孔表孔弧形閘門，它的主要功能有以下兩個：①調節水位；②泄洪。溢洪道堰頂采用的露頂式為弧形工作閘門，其相關設計參數詳見表1。閘門采用的形式為主橫梁形式，而弧門的支承方式為斜支臂球鉸支承。弧形閘門的選擇要考慮到其液壓機的布置要求，該弧形閘門選用的啟閉設備為QHLY-2×630kN-5.0露頂式弧形門液壓啟閉機。由于在溢洪道水工布置中，液壓泵站的布置空間較為寬裕，所以溢洪道工作閘門液壓機可共用一個油泵站，但泵站必須設置至少兩組，以供備用。

液壓機的操作方式有兩種：①現場控制；②集中控制。同時，液壓機還應配備可靠的電源，閘門需保證局部開啟，以保證一定的泄水流量和對水庫中的水位進行調節。該溢洪道堰頂高程確定為528.00m，死水位的高程要控制在526.00m。由于表孔堰頂具有較長的暴露時間，因此，其維修時間相當充分，可不設置檢修閘門。

表1　弧形工作閘門設計參數指標

2.2.2電站建筑物閘門及啟閉設備設計

該水電站有兩臺總裝機，采用的引水方式為聯合引水方式，其金屬結構主要有進水口攔污柵、進水口事故檢修閘門、尾水閘門及配套的啟閉設備。

（1）進水口攔污柵及其啟閉設備

在進水口前，設置攔污柵，共1道1孔，其具體設計參數指標詳見表2。攔污柵采用的結構為平面框架結構，支承方式為鑄鐵滑塊支承。根據進水口水工布置，由于攔污柵傾角為75°，鋼絲繩的受力不好控制，經考慮攔污柵的啟吊設備配制拉桿。攔污柵啟閉及清污由啟閉機房內的QPQ-630kN固定式卷揚機啟閉操作，攔污柵由卷揚機提至539.50m高程檢修平臺進行檢修及清污。

表2　進水口攔污柵設計參數指標

（2）進水口事故檢修閘門及其啟閉設備

在進水口攔污柵后設置1道事故檢修閘門，共1孔。進水口事故檢修閘門設計參數指標詳見表3。

表3　進水口事故檢修閘門設計參數指標

（3）電站尾水閘門

該水電站尾水采用單孔流出方式，2孔共設置1道檢修閘門。尾水閘門設計參數指標詳見表4。

表4　尾水閘門設計參數指標

兩孔閘門共同使用一臺啟閉和托運設備，為電動葫蘆單梁吊設備，由于電動葫蘆軌頂高程為408.8m。因此，啟閉機的揚程確定為20m，閘門的啟閉方式確定為靜水啟閉。

（4）壓力鋼管

該水電站的壓力管道為地下埋管，該壓力鋼管的設計參數指標詳見表5。這種設計條件下，需要消耗鋼材量為240.2t，鋼管材料選用Q345C，壓力鋼管采用洞埋方式，防腐措施為噴鋅，但要確定合理的防腐面積，防腐面積為3315m2。

表5　壓力鋼管的設計參數指標

2.2.3沖砂放空建筑物的閘門及啟閉設備設計

該水電站在進水口處設置了兩扇沖砂閘門，一扇沖砂檢修閘門，一扇沖砂工作閘門，兩孔均為潛孔平面鋼閘門，檢修閘門采用滑塊支承方式，工作閘門采用滾輪支承方式。沖砂閘門設計參數指標詳見表6。

表6　沖砂閘門設計參數指標

沖砂閘門采用的結構為實腹式多主梁結構，梁格的布置方式為同層布置，這種布置的特點為：①結構簡單；②受力易于分析；③方便生產與安裝。考慮到工作閘門利用水柱閉門，所以閘門采用的止水方式為后止水形式。

3　結語

本工程金屬結構的布置與設計，吸取了同類工程的設計經驗，并充分考慮到本工程的運行要求，設備布置緊湊，從而保證了閘門、攔污柵及各類啟閉設備的安全運行。

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[2]邢之森.水電站金屬結構施工質量控制[J].城市建設理論研究，2014（10）：37～40.

[3]楊豪.水電站金屬結構施工質量控制[J].商品與質量·建筑與發展，2013（4）：191.

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