紅升水庫樞紐工程金屬結構設計綜述

張安生

(盤山縣水利建筑工程處，遼寧 盤錦 124000)

1 工程概況

1.1 基本情況

紅升水庫位于撫順市新賓縣紅升鄉蘇子河干流上，是一座以城鎮供水、灌溉為主，兼顧防洪、養魚、發電等綜合利用的中型水庫。樞紐工程等別為Ⅲ等，永久性建筑物為三級，設計和校核洪水標準為50a、2000a一遇洪水，水工建筑物有攔河壩、溢洪道、泄洪輸水洞、電站等。控制流域面積78.5km2，壩址以上河長13.5km，比降1.56%。總庫容3071.15萬m3，正常蓄水位377.95m，興利庫容2869萬m3，水庫死水位360.15m，相應庫容為70.84萬m3。

1.2 存在問題

由于水庫施工質量差，經40多年運行，主體工程存在嚴重問題，水庫屬帶病運行狀態。隱患產生原因：有施工中遺留問題、有運行中產生的問題、有原設計問題、有施工質量問題。經鑒定，該水庫防洪標準定為A級，結構安全為C級，滲流安全B級，金屬結構為C級[1-3]。大壩安全類別綜合評定Ⅲ類，安全隱患主要表現在：

1)大壩工程存在的問題。壩體上部壩坡較陡，抗滑穩定不滿足規范要求；上下游護坡不規整；防浪墻有縱向裂縫，且與心墻連接不好；護坡塊石凍脹、風化現象嚴重，護坡厚度未達到設計標準。

2)大壩壩體滲透穩定存在的問題。大壩壩基截水槽施工質量不佳，而且在實際運行中，曾發現下游壩腳有集中滲漏。

3)溢洪道工程存在的問題[4]。溢洪道弧形閘門發生變形，啟閉不暢；閘門面板厚度、主梁強度、支臂穩定性不滿足要求；溢洪道部分洞身未襯砌，經多年運行混凝土結構存在凍融、骨料外露、邊墻有縱向裂縫等問題。

4)輸水洞工程存在的問題。輸水洞進口閘門銹蝕嚴重，混凝土結構表面破損較嚴重，洞身部分未按設計要求襯砌。

5)大壩公路工程存在的問題。整體上壩公路存在設計標準低，路面狹窄，坡陡落石，路面質量差的問題，尤其左岸上壩路更明顯。溢洪道下游交通橋橋體破損比較嚴重；輸水洞進口處和通向進口的道路存在陡坡、落石等問題。

1.3 總體布置

除險加固設計主要包括：土壩、溢洪道、泄洪輸水洞及上壩公路等工程。其中，土壩為黏土心墻砂礫壩，大壩加固后壩頂高程379.95m，防浪墻頂高程381.15m，壩長280m，壩頂寬8.5m，行車路面寬6m，最大壩高29.0m。上游為干砌石護坡，下游碎石護坡。

溢洪道位于土壩及泄洪輸水洞右側，進口距大壩約300m，實用堰后接溢洪洞，溢洪道閘門為1孔閘門，洞身長162m，出口后接差動式挑流坎和尾水渠，除險加固對溢流堰面采用SPC聚合物水泥砂漿進行修補，弧門鉸座加固，溢洪洞未襯砌段混凝土襯砌，更換閘門、啟閉機，重建啟閉機室，改建尾水渠并加固橋梁。

泄洪輸水洞工程位于右岸壩端山體中，全長258m，其中洞身長192.3m，洞徑為1.8m。除險加固對泄洪輸水洞豎井混凝土加固，洞體混凝土襯砌，進口巖坡噴錨支護。

更換進口閘門、攔污柵、啟閉機，對啟閉機室加固處理，改建泄洪輸水洞尾水渠。紅升水庫的原有上壩公路和溢洪道段路線不做改動，對原有路面進行加寬路面改建設計，增設大壩安全觀測系統。

2 金屬結構設計

2.1 金屬工程概況

紅升水庫金屬結構工程主要由溢洪道、泄洪輸水洞兩部分組成。溢洪道金屬結構為弧形工作閘門和啟閉機，閘門為1孔露頂式弧形鋼閘門，孔口尺寸位10.4m×4.4m。弧門啟閉機為前拉式布置，雙吊點固定卷揚式，容量為2×200kN。溢流堰為實用堰，堰頂高程373.55m。

泄洪輸水洞金屬結構由泄洪輸水洞進口攔污柵、進口事故檢修閘門與啟閉機、出口閘閥和鑄鐵閘門與啟閉機等組成。攔污柵1孔，設在泄洪輸水洞進口，孔口尺寸3m×6m，分2節，采用臨時設備啟閉。在攔污柵后設1扇事故檢修閘門，潛孔式平面定輪鋼閘門，孔口尺寸為1.6m×2，啟閉機采用1×400kN固定卷揚配拉桿啟閉。泄洪輸水洞進口底坎高程356.95m，最大泄量為25.4m3/s。泄洪輸水洞出口為平板閘閥控制，閘閥直徑1.6m。閘閥后的尾水與電站尾水合在一起后，由8扇鑄鐵閘門進行配水運行。

自水庫建成以來未對金屬結構更新改造，溢洪道閘門為大伙房水庫淘汰設備。根據安全鑒定結果，金屬結構安全評價為C級，溢洪道弧形閘門啟閉不暢，面板厚度、主梁強度、支臂穩定性均不滿足要求，泄洪輸水洞進口閘門銹蝕嚴重。

2.2 溢洪道金屬結構

2.2.1 工作閘門及啟閉機

工作閘門及啟閉機大壩安全鑒定結論，應報廢并重新設計閘門和啟閉機。根據溢洪道現場情況，為減少工程量、縮短改建工期、節省投資，仍采用弧形鋼閘門。原牛腿位置高于校核水位時泄流水面線，故支鉸軸心位置不變，弧門曲率半徑為10m。閘門底坎高程373.55m不變，支鉸高程375.55m，閘門最高擋水位377.95m，孔口尺寸10.4×4.9m(設0.5m超高)。閘門動水啟閉，為使閘門運行靈活，止水良好，門槽更換新構件，采用不銹鋼止水座板[8]。

除險加固設計中，原閘門啟閉機室位置不變，因此閘門啟閉設備仍采用前拉式弧門啟閉機，即1臺固定卷揚式弧門啟閉機，容量為2×200kN，揚程9m。

2.2.2 檢修閘門

根據水庫多年的運行資料，每年有25-30d水位低于閘門底坎高程，這些時間可以滿足弧門檢修要求，故不設檢修閘門。

2.2.3 防冰設備

弧形閘門在冬季仍擋水，由于閘門不得承受冰壓力，因此在閘門前采用防冰設施，設2臺2吋潛水泵及管路設備，潛水泵1用1備。在結冰季節，將設備安裝在弧門前的水中，根據天氣情況，間斷運行潛水泵，使閘門前形成一條不結冰的水帶，冰壓力不能傳到閘門上，使閘門冬季運行安全可靠。在非結冰季節，將防冰設備拆除并妥善保管，為下一年冬季使用。

2.3 泄洪輸水洞金屬結構

2.3.1 進口攔污柵

自水庫建成以來，攔污柵一直未進行檢查和檢修，據水庫管理人員反映，泄洪輸水洞內發現落石，估計攔污柵可能被山坡落石砸斷。攔污柵運行已達30a，達到折舊年限，應重新設計，進行更換。本次設計攔污柵1孔，設計水頭差4m，孔口尺寸為3×6m，為安裝方便，分為2節。為方便施工，利用原柵槽。但由于原槽尺寸較小，需將橫梁設計成中間高的變截面橫梁，以滿足應力要求。2節柵體共重4.2t，啟閉方式仍按原來的臨時方法。

拆除攔污柵和安裝新攔污柵時，應有潛水員配合，并清除底部地堆積物，附近山體也應采取錨固措施，防止石塊滾落到攔污柵孔口處。

2.3.2 進口事故檢修閘門

1)根據大壩安全鑒定，原進口事故檢修閘門及啟閉系統報廢，重新設計閘門。設計水位377.95m，底坎高程356.95m，設計水頭21m。因原門槽在水下較深，施工困難，故原閘門門槽不變。原門槽無竣工圖紙，應對現有閘門外緣尺寸進行測繪，確保閘門安裝、啟閉順利。新閘門利用水柱下門。因閘門尺寸小、重量輕，一旦卡阻就不易關閉閘門，為此設計考慮門上增加1t加重鐵，使下門順利。

2)泄洪輸水洞出口有平板閘閥和電站，在下游用水或發電時，進口閘門都是全開的。實際運行中，進口閘門大多時間是開的。電站不要求進口閘門快速關閉。因此，除險加固設計的進口閘門在開啟時，閘門起升到檢修室內鎖定，取消多節拉桿，這樣閘門維修方便，動滑輪組也避免經常泡在水中，增加使用壽命。

3)取消拉桿，需要高揚程啟閉機。設計中考慮用63t固定卷揚式啟閉機(揚程16m、滑輪倍率6)進行改裝，將滑輪倍率6改為4，使揚程達到24m，啟門力為42t，滿足啟閉機揚程22m，40t啟門力的要求。因原門槽胸墻較高，故設1節2m長地拉桿解決動滑輪組與胸墻相碰問題。

4)事故檢修閘門應是動水關閉，靜水啟門。因為此閘門較小，40t啟門力就可以實現動水啟閉，故不需要設充水裝置，同時此閘門還可起到工作閘門的作用。

2.3.3 出口閘閥

泄洪輸水洞出口閘閥為平板閘閥，直徑1.6m，電機功率10kw。1982年水庫曾對泄洪輸水洞出口閘閥進行了檢修，本次除險加固對閘閥進行檢修并做防腐處理。

2.3.4 尾水鑄鐵閘門

電站尾水經3扇出口閘門后，入泄洪輸水洞尾渠，尾渠上設有3扇節制閘門控制水位，灌溉進水閘門2扇控制灌溉用水量。原均采用混凝土閘門，經過多年運行，損壞嚴重、操作不靈活、漏水量大，為確保運行良好，安全可靠、運行管理方便，采用抗腐蝕的鑄鐵閘門，配上手、電兩用的螺桿啟閉機，各部位配置情況見表1。

表1 尾水鑄鐵閘門配置表

2.4 電氣設備

2.4.1 運行現狀

水庫原變壓器為50kVA，容量不足，欲增容為100KVA變壓器1臺，變壓器10/0.4kV電壓等級。原380V/220V系統輸電線路部分絕緣線皮已經龜裂，有的電桿還是木桿，急需改造。

水庫壩頂燈具，有的燈泡損壞，有的燈桿掉漆、銹蝕，導線明敷，既不美觀也不安全。溢洪道、泄洪輸水洞啟閉機設備老化陳舊，技術性能落后；電機、電源線絕緣嚴重老化，接法不規范；有的配電柜無側板，電器設備裸露，存在安全隱患；沒有荷重過載保護。水庫溢洪道和泄洪輸水洞啟閉機沒有備用電源，不符合規范要求。各配電柜均沒有安裝過電壓保護裝置，不符合規范要求。

總之，經過多年的運行，現有電氣設備出現不同程度的老化，加之當時施工條件、技術水平、設計標準等限制存在許多缺陷和不足，總體存在著一定的不安全因素以及影響設施正常運行和發揮效率的諸多問題，需要更新改造。

2.4.2 電氣改造任務

10kV輸電線路改造，線路長2.5km。新增變壓器S10-M-100/10一臺，原有的50kVA變壓器淘汰；主變以下的供電線路改造，低壓電桿41根，線路3.0km。配合溢洪道、泄洪輸水洞金屬結構的更新，溢洪道、泄洪輸水洞的電氣設備也全部更新；溢洪道、泄洪輸水洞進出口閘門啟閉機采用常規控制；土壩、溢洪道、泄洪輸水洞進出口的照明，及設備的防雷、接地；增設溢洪道照明啟閉機的備用電源。

2.4.3 電氣設備布置

在辦公用房內設低壓配電室、柴油發電機室。低壓配電室內設置3面低壓配電盤呈一字排列，盤前操作距離≥1500mm，盤側維護通道寬度≥1200mm，盤后維護通道寬度≥1000mm。柴油發電機設在柴油發電機機房內。柴油機端距墻距離≥1800mm，柴油發電機正面距門的距離≥1600mm。1個XL-21啟閉機配電箱設在溢洪道啟閉機室內，2個XL-21啟閉機配電箱分別設在泄洪輸水洞進口啟閉機室、出口閘閥室內。各啟閉機配電箱布置在對應的啟閉機房內。閘門開度傳感器、荷重傳感器安裝在啟閉機上，在啟閉機房內采用穿鍍鋅鋼管方式敷設至啟閉機電控箱的動力和控制信號電纜，各啟閉機電控箱至啟閉機的電纜亦采用墻體內穿鍍鋅鋼管敷設。戶外電纜采用架空、直埋、穿管或橋板下吊架等方式敷設[9]。

4 結 論

金屬結構設備對水電站效益的發揮、事故保護及安全運行發揮著不可替代的作用，對其其布置方案、技術參數、結構型式和規模是否科學應引起高度重視。充分考慮工程自身特點的紅升水庫金屬結構設計，其布置方案、選材、設備選型和設計原則等均符合現行規范要求，為滿足工程運行要求考慮了金屬結構投入運行的檢修和維護條件，結構設計合理，且能夠在一定程度上節省工程投資。