臺(tái)江縣空寨水庫工程金屬結(jié)構(gòu)布置與設(shè)計(jì)

王德麗

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽 550002)

1 基本概況

臺(tái)江空寨水庫供水工程是以城市供水為主，兼有發(fā)電的一項(xiàng)綜合性水利工程，主要由水庫樞紐、供水系統(tǒng)及發(fā)電引水系統(tǒng)組成。空寨水庫大壩為重力壩，最大壩高44.5 m，壩頂高程為644.5 m。水庫正常蓄水位658 m,死水位為644.5 m,相應(yīng)庫容2222萬m3，總庫容2744萬m3，工程規(guī)模屬中型。根據(jù)工程總體布置的各項(xiàng)需要，樞紐部分水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備主要包含以下內(nèi)容：溢洪道設(shè)置一扇平面檢修閘門及三扇弧形工作閘門；引水發(fā)電兼放空管進(jìn)口設(shè)置一扇攔污柵、事故閘門，放空兼環(huán)境水管出口設(shè)置一套工作閥門；泵站取水口進(jìn)口設(shè)置一扇攔污柵、事故閘門；廠房尾水管出口處設(shè)置尾水閘門兩扇、尾水檢修閘門；導(dǎo)流洞設(shè)置一扇導(dǎo)流洞封堵閘門。本工程樞紐部分共設(shè)有閘門10扇，攔污柵2扇，錐形閥1套，門槽埋件13孔，啟閉設(shè)備11套[1]。

2 工程布置與設(shè)計(jì)

2.1 泄水系統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)

泄水系統(tǒng)水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備主要設(shè)置溢洪道檢修閘門、溢洪道工作閘門。

2.1.1 溢洪道檢修疊梁門

檢修疊梁門的孔口12.0 m×14.4 m(寬×高)，設(shè)計(jì)水頭為13.5 m，總水壓力5394 kN。閘門的運(yùn)行方式為靜水啟閉。閘門型式為露頂式平面滑動(dòng)疊梁鋼閘門，主支承采用滑塊，滑塊材料為鋼基銅塑復(fù)合材料。門葉及埋件主材采用Q345B碳素結(jié)構(gòu)鋼；設(shè)置4節(jié)共用疊梁門，疊梁門單扇高度為3.6 m,單扇重25 t，疊梁門合計(jì)重100 t，埋件單孔重22 t，3孔埋件合計(jì)重66 t。該疊梁門采用型號(hào)為2×400-23/5.74臺(tái)式啟閉機(jī)啟閉，啟閉機(jī)配有自動(dòng)抓梁，啟門力為2×400 kN，總揚(yáng)程23 m，軌上揚(yáng)程5.74 m。門機(jī)配有自動(dòng)抓梁及其附件，帶150 kN回轉(zhuǎn)吊，回轉(zhuǎn)半徑8.5 m。該檢修閘門的側(cè)止水材料為橡塑復(fù)合材料，底止水材料為橡膠。

該閘門在下游工作閘門需要維護(hù)檢修時(shí)靜水閉門，在維護(hù)檢修完畢后，動(dòng)水提起上節(jié)疊梁門充水平壓后啟門。疊梁門平時(shí)存放在貯門槽門內(nèi), 貯門槽埋件重量10 t；閘門的檢修、更換可在檢修平臺(tái)上進(jìn)行,檢修平臺(tái)高程為661.50 m。

2.1.2 溢洪道工作弧門

本工程共設(shè)置有3孔泄洪孔，溢洪道設(shè)置有3扇工作閘門。溢洪道堰頂高程為644.50 m，閘門的底檻高程為643.77 m,弧形工作閘門的孔口12.0 m×14.0 m(寬×高)，設(shè)計(jì)水頭為13.5 m，總水壓力10 022 kN。閘門型式為露頂式弧形鋼閘門，斜支臂，圓柱鉸，支鉸中心高度為9.53 m，弧形閘門半徑為18 m。閘門及埋件主材為Q345B，閘門單重180 t,總重540 t；門槽埋件單重12 t,總重36 t。閘門的運(yùn)行方式為動(dòng)水啟閉，雙吊點(diǎn)啟閉，閘門啟閉設(shè)備選用規(guī)格型號(hào)為QHLY-2×2200-7.5液壓啟閉機(jī)，閘門啟閉機(jī)容量2×2200 kN，溢洪道3孔弧形工作閘門液壓啟閉機(jī)采用集中控制方式，共用1套液壓動(dòng)力站，設(shè)置3套控制閥組分別控制3孔工作閘門，共設(shè)置3工1備4套油泵電機(jī)組，共用部份僅為油箱、油泵電機(jī)組，3工1備4套油泵電機(jī)組可互為工作和備用，共設(shè)置1個(gè)液壓啟閉機(jī)控制室。每扇工作閘門設(shè)置有開度監(jiān)控系統(tǒng)1套，用于監(jiān)控閘門的開度及開啟運(yùn)行情況等，保證閘門的安全運(yùn)行與操作；設(shè)置開度儀3套，同時(shí)，設(shè)置一套柴油發(fā)電機(jī)組作工作閘門的備用動(dòng)力，功率為75 kW。因該閘門規(guī)模較大，為防止在極端情況下完全失去操作動(dòng)力，液壓啟閉機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)置1套液壓啟閉機(jī)HGYD液壓應(yīng)急操作器，其功能為在極端情況下完全失電時(shí)，仍可向啟閉機(jī)輸出動(dòng)力開啟閘門，確保大壩運(yùn)行安全。

2.2 引水發(fā)電系統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)

引水發(fā)電系統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)置有引水發(fā)電兼放空管進(jìn)口攔污柵、事故閘門及出口工作錐形閥；泵站取水口進(jìn)口攔污柵及事故閘門。閘門攔污柵布置形式如圖1所示。

圖1 引水發(fā)電系統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)布置示意圖(單位：mm)

2.2.1 引水發(fā)電兼放空管進(jìn)口攔污柵

進(jìn)口攔污柵底檻高程635.25 m，孔口尺寸為6.0 m×6.0 m(寬×高)，設(shè)計(jì)水頭(水位差)為4 m，總水壓力1606 kN。攔污柵型式采用潛孔平面直立活動(dòng)式攔污柵，運(yùn)行方式為靜水啟閉，攔污柵柵體及埋件主材選用Q235B碳素結(jié)構(gòu)鋼，柵體重24 t，柵槽埋件重12 t。攔污柵用1套型號(hào)規(guī)格為CD2×160 kN-9 m的卷揚(yáng)啟閉機(jī)，容量為2×160 kN，揚(yáng)程9 m。攔污柵設(shè)置1套水位儀，與下游的事故閘門共用，以監(jiān)測(cè)攔污柵前后水位差以及閘門開啟時(shí)的平壓情況，確保攔污柵和隔水閘門的運(yùn)行安全。為方便清污、倒渣、維護(hù)及檢修等，將攔污柵的清污、倒渣及檢修平臺(tái)均設(shè)置在壩頂高程上。

2.2.2 引水發(fā)電兼放空管進(jìn)口事故閘門

事故閘門底檻高程為635.25 m，閘門的孔口尺寸為4.5 m×4.5 m(寬×高)，設(shè)計(jì)水頭為26 m，總水壓力5685 kN。閘門型式為潛孔式平面定輪鋼閘門，主支承采用懸臂輪，閘門采用下游面板，下游止水型式，設(shè)置頂、側(cè)P型止水及刀型底止水。門體及埋件主材選用Q235B碳素結(jié)構(gòu)鋼，門體重30 t(含拉桿)，埋件重28 t。閘門的運(yùn)行方式為動(dòng)閉靜啟，利用門體自重和水柱閉門，采用啟閉機(jī)小開度提門進(jìn)行充水平壓，待閘門前后水位差小于5 m后靜水啟門。事故閘門用1套型號(hào)規(guī)格為QPG1600 kN-29 m 的高揚(yáng)程卷揚(yáng)啟閉機(jī)，容量為1600 kN，揚(yáng)程29 m。攔污柵設(shè)置1套水位儀，與下游的事故閘門共用，以監(jiān)測(cè)攔污柵前后水位差以及閘門開啟時(shí)的平壓情況，確保攔污柵和隔水閘門的運(yùn)行安全。該閘門平時(shí)處于擋水狀態(tài)，在開啟取水時(shí)鎖定于檢修平臺(tái)(即壩頂高程661.50 m)上，在下游側(cè)設(shè)置φ1 m通氣孔作為補(bǔ)氣孔，其上端設(shè)置欄桿等設(shè)施保證工作人員安全。閘門設(shè)置有水位儀(與攔污柵共用)，便于監(jiān)控閘門的充水平壓情況等，有利于閘門的安全運(yùn)行與操作。閘門的檢修、更換可在檢修平臺(tái)上進(jìn)行。

2.2.3 引水發(fā)電兼放空管出口工作閥門

在供水管出口處設(shè)置一個(gè)錐形閥，為焊接結(jié)構(gòu)，作為工作閥使用，孔徑φ1.2 m，孔口中心高程為636.00 m，操作方式為手電兩用，設(shè)計(jì)水頭35 m，閥重5 t,操作條件動(dòng)水啟閉。該錐形閥在水庫需要放空時(shí)動(dòng)水開啟，在放空完畢后，動(dòng)水關(guān)閉。

2.2.4 泵站取水口進(jìn)口攔污柵

進(jìn)口攔污柵底檻高程639.60 m，孔口尺寸為1.8 m×1.8 m(寬×高)，設(shè)計(jì)水頭為4 m，總水壓力530 kN。攔污柵型式采用潛孔平面直立活動(dòng)式攔污柵，運(yùn)行方式為靜水啟閉，攔污柵柵體及埋件主材選用Q235B碳素結(jié)構(gòu)鋼，柵體重4 t，柵槽埋件重8 t 。攔污柵用1套型號(hào)規(guī)格為QPQ160 kN-8 m的卷揚(yáng)啟閉機(jī)，容量為160 kN，揚(yáng)程8 m。攔污柵設(shè)置1套水位儀，與下游的事故閘門共用，以監(jiān)測(cè)攔污柵前后水位差以及閘門開啟時(shí)的平壓情況，確保攔污柵和隔水閘門的運(yùn)行安全。為方便清污、倒渣、維護(hù)及檢修等，將攔污柵的清污、倒渣及檢修平臺(tái)均設(shè)置在壩頂高程上[2]。

2.2.5 泵站取水口進(jìn)口事故閘門

事故閘門底檻高程為639.60 m，閘門的孔口尺寸為0.8 m×0.8 m(寬×高)，設(shè)計(jì)水頭為21 m，總水壓力1120 kN。閘門型式為潛孔式平面定輪鋼閘門，主支承采用懸臂輪，閘門采用下游面板，下游止水型式，設(shè)置頂、側(cè)P型止水及刀型底止水。門體及埋件主材選用Q235B碳素結(jié)構(gòu)鋼，門體重2 t(含拉桿)。埋件重10 t。閘門的運(yùn)行方式為動(dòng)閉靜啟，利用門體自重和水柱閉門，采用啟閉機(jī)小開度提門進(jìn)行充水平壓，待閘門前后水位差小于5 m后靜水啟門。事故閘門用1套型號(hào)規(guī)格為QPG250 kN-26 m的高揚(yáng)程卷揚(yáng)啟閉機(jī)，容量為250 kN，揚(yáng)程26 m。攔污柵設(shè)置1套水位儀，與下游的事故閘門共用，以監(jiān)測(cè)攔污柵前后水位差以及閘門開啟時(shí)的平壓情況，確保攔污柵和隔水閘門的運(yùn)行安全。該閘門平時(shí)處于擋水狀態(tài)，在開啟取水時(shí)鎖定于檢修平臺(tái)(即壩頂高程661.50 m)上，在下游側(cè)設(shè)置φ0.6 m通氣孔作為補(bǔ)氣孔，其上端設(shè)置欄桿等設(shè)施保證工作人員安全。閘門設(shè)置有水位儀(與攔污柵共用)，便于監(jiān)控閘門的充水平壓情況等，有利于閘門的安全運(yùn)行與操作。閘門的檢修、更換可在檢修平臺(tái)上進(jìn)行。

2.2.6 廠房尾水管出口尾水檢修閘門

為了檢修水輪機(jī)組，需在廠房尾水設(shè)置兩孔檢修閘門。尾水檢修閘門型式為潛孔式平面滑動(dòng)鋼閘門，尾水檢修閘門有2道門槽，根據(jù)施工要求，在汛期不影響機(jī)組等的安裝和施工，所以按一孔一機(jī)一門設(shè)置。

尾水檢修閘門底檻高程為620.86 m, 閘門的孔口尺寸為6.0 m×2.22 m(寬×高)，設(shè)計(jì)水頭為16 m，總水壓力2800 kN。運(yùn)行方式為靜水啟閉，由機(jī)組放水平壓。每孔閘門自重12 t，總重24 t;埋件重8 t,總重16 t。啟閉機(jī)規(guī)格型號(hào)為QPG2×160-15。平時(shí)處于開啟狀態(tài)，鎖定在檢修平臺(tái)上，閘門的檢修維護(hù)在檢修平臺(tái)上進(jìn)行[3]。

3 施工導(dǎo)流系統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)

在導(dǎo)流洞進(jìn)口處設(shè)置了一扇封堵閘門，用于施工期導(dǎo)流任務(wù)完成之后導(dǎo)流洞的封堵。封堵門底檻高程為626.00 m，孔口尺寸為5.0 m×6.0 m(寬×高)，封堵閘門的最高擋水水頭21 m,啟閉機(jī)操作水頭為6 m。門型采用平面滑動(dòng)鋼閘門，止水裝置設(shè)在閘門的下游面。門體主材為Q235B，門體重25 t。門槽埋件部分均采用鋼板及型鋼組焊而成，材料為Q235B，埋件重12 t。事故閘門用1套型號(hào)規(guī)格為QPG1250 kN-37 m的高揚(yáng)程卷揚(yáng)啟閉機(jī)，容量為1250 kN，揚(yáng)程37 m。導(dǎo)流洞封堵閘門的具體布置形式如圖2所示。

圖2 施工導(dǎo)流系統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)布置示意圖(單位：mm)

4 結(jié) 論

(1)金屬結(jié)構(gòu)布置和選型的合理性,對(duì)金屬結(jié)構(gòu)工程的投資及水工建筑物樞紐的布置等至關(guān)重要。臺(tái)江縣空寨水庫金屬結(jié)構(gòu)的合理布置和優(yōu)化選型設(shè)計(jì),有效地改善了水庫樞紐建筑物的總體布置,成功地解決了多功能取水發(fā)電兼放空的合理調(diào)度運(yùn)用技術(shù)難題,設(shè)計(jì)方案能夠滿足水庫蓄水和安全運(yùn)用等功能要求。金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的布置具有一定的相似性和代表性,合理的布置設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)工程設(shè)計(jì)管理有著極其重要的意義。

(2)貴州省臺(tái)江縣空寨水庫工程于2014年10月完成可研設(shè)計(jì)及外部審查工作，于2016年9月完成初步設(shè)計(jì)及外部審查工作，于2017年5月份完成相關(guān)的招標(biāo)技術(shù)條款編寫，于2018年全面開展金屬結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)工作。本文介紹了臺(tái)江縣空寨水庫工程金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及特點(diǎn)，設(shè)計(jì)在充分考慮設(shè)備制造、安裝運(yùn)行的情況，合理布置金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備，可為今后此類工程設(shè)計(jì)提供借鑒。