阿湖水庫除險加固工程金屬結構布置關鍵技術淺析

楊啟龍

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

水庫是江河防洪體系中不可缺少的一部分。金屬結構布置和選型的合理性，對金屬結構的工程量及水庫建筑物的布置有重要影響，水庫除險加固中需注重合理選擇金屬結構布置施工技術。

1 工程概況

阿湖水庫位于東經76°01'30″～76°03'48″、北緯39°49'30″～39°50'30″，是修建在天山山脈西段南坡二階山地中的山區攔河水庫。水庫距布谷孜河上游源頭約82 km，距布谷孜河入喀什噶爾河匯合口79 km。壩址在阿俄水文站上游500 m 處，有簡便公路通往阿圖什，交通方便。

阿湖水庫流域集水面積2 112 km2，庫區范圍4.5 km2，1987 年開始興建，1997 年建成蓄水運行。原總庫容3 770萬m3，死水位1 563.55 m，設計洪水位1 572.05 m，相應庫容3 040 萬m3，非常運行期水位1 574.10 m。自2004 年完成除險加固蓄水運行以來，水庫依然存在庫區淤積嚴重、防洪能力不足、管理設施簡陋、無觀測設施及啟閉設備開啟困難等問題，需要重新除險加固。加固設計采用2017年實測的水位庫容曲線，通過調洪演算和多方案比選，確定抬高正常蓄水位，加高大壩，改建泄水建筑物規模，同時降低汛限水位，解決水庫興利和防洪能力不足問題。

2 工程除險加固的必要性以及改造思路

2.1 除險加固必要性

阿湖水庫距阿圖什城市17 km，下游城鄉居民近15萬人，水庫隱患由來已久。做好水庫除險加固是全市人民當務之急，是全市進行正常生產、百姓安居樂業的需要。克州地區汛期為每年5 月1 日—9 月1 日，9 月汛期過后，水庫進入蓄水期。但自1986 年以來，全疆范圍內的各流域均進入了相對豐水期，大洪水接連不斷，尤其是南疆地區的大多數河流均發生了實測系列以來的最大洪水。2010年9月18—20 日，克州境內普降強暴雨，阿圖什市降雨量達到41.6 mm，受布谷孜河上游山區強降雨影響，洪水來勢兇猛，超過100 a 一遇洪量，阿湖水庫遭遇超100 a 一遇洪水。洪水發生后，克州、阿圖什市兩級黨委政府高度重視，立即啟動防汛預案，動員駐州部隊及群眾力量連夜奮戰搶險。

在全部開啟溢洪道和2#泄洪隧洞并應急啟用1#放水隧洞泄洪的情況下，阿湖水庫水位仍然迅速上漲。19日5∶30，水位高達1 574.86 m，超過壩頂高程0.16 m。雖經軍民合力搶險成功，但也暴露出阿湖水庫防洪的薄弱環節。

汛期經常超汛限水位蓄水，但汛后徑流量仍不能補庫至興利水位，死水位基本年年出現，造成年年灌溉用水緊張局面。若汛期嚴格按照汛限水位蓄水，則水資源供需矛盾更加突出。但水庫常年多蓄水，必將帶來防洪安全隱患；控制蓄水，又會影響到克州工農業生產。隨著經濟發展，水庫蓄水與防洪安全之間的矛盾日益尖銳，迫切需要實施阿湖水庫除險加固工程。

2.2 改造思路

根據阿湖水庫工程安全鑒定意見和除險加固方案，大壩加高后，金屬結構部分改造如下：①原有的表孔溢洪道、2#泄洪洞金屬結構設備已無法安全運行，予以拆除并更換；②1#放水洞金屬結構設備運行良好，因壩高增大，需更換或增設部分埋件；③新增1條排沙泄洪洞，設置相關金屬結構設備。

采用以上改造措施，可以解決機匣設備老化、機器失靈、滲水、效率低下等問題。通過添補溢流堰的工作閘門，有利于提高工作效率。

3 金屬結構布置思路與關鍵技術

本工程金屬結構設備主要設置在表孔溢洪道、進水閘、1#放水洞、2#泄洪洞及排沙泄洪洞，共有各類門槽7個，設閘門7扇、啟閉設備7臺（套）、門葉防冰凍裝置3套。閘門總重約252 t，埋件總重約73 t，啟閉設備總重約171 t，整個工程金屬結構工程量約496 t。閘門及埋件出露表面噴鋅防腐面積約5 800 m2。

3.1 溢洪道金屬結構

水庫主壩溢洪道設置，如圖1 所示。溢洪道布置于大壩左側，改建設置4 孔閘門，摒棄原來堰面形式，采用實用堰。閘門孔口寬度10 m，堰頂高程539.5 m，堰上設計水頭5 m，在泄洪孔處設置閘門，動水啟閉。因為水庫水位低于低檻的連續時間不能超過50 d，無充足時間修理4 扇工作閘門以及埋件，所以4 孔溢洪道同時開啟，運行方式改為靜水啟閉，采用移動式啟閉機型，使工作閘門能夠有效運行。

圖1 水庫主壩溢洪道

溢洪道工作閘門有3種型式，即平面、升臥式和弧形。本次除險加固堅持經濟、安全、可靠原則，考慮工程造價、水流狀態各個方面差異，認為弧形閘門型式較好，所以采用弧形閘門方案。溢洪道檢修閘門充水型式有2 種，即節間充水和充水閥充水。前者把閘門分為2 間獨立的閘門，均有2 根主梁和4 個滑道，在門體的邊梁處通過鉸軸連接，運用條形水封。而后者與前者不同，是一個整體的門葉結構，水孔閥分別設置在上下主梁腹板，通過水柱進行關閉。兩者啟閉機容量都是一樣的，但是前者工程量相較于后者更大，而且很容易漏水，所以選用后者較好。

3.2 新建進水閘設計

水庫進水渠位于大壩右壩肩。由于上游渠道泥沙松散，易被沖走，而水渠的出口和大壩輸水洞洞口接近，洞口前泥沙淤泥深達12 m，導致放水出現了很大困難。因此，對水渠進行改線，讓出水口遠離洞口，偏向上游，可以減少洞口前淤泥深度，提高放水效率。在進水渠渠首建1 個進水閘，孔口尺寸2.5 m×2.8 m，閘門采用前水封、滑道支承、雙主梁焊接鋼閘門，材料為Q235，動水啟閉，采用螺桿啟閉機，不需要設置檢修閘門，如圖2所示。

圖2 新建進水閘

3.3 表孔溢洪道和放水洞金屬結構

表孔溢洪道共3孔，堰頂高程1 566.5 m，閘頂高程1 578.2 m。根據調度運行方案，5 月上旬—10 月上旬保持死水位沖沙運行，具備檢修條件，不設置檢修門，每孔設1道弧形工作閘門。孔口尺寸（孔寬×門高，下同）為12.0 m×9.2 m，設計洪水位1 574.99 m，設計水頭8.5 m。閘門型式為圓柱鉸斜支臂露頂弧形鋼閘門，門葉結構采用主橫梁結構，上游封水，弧門半徑10.5 m，支鉸距堰頂6.7 m。閘門門葉結構材料采用Q345C，側水封采用圓頭“L”形橡皮，橡皮預壓8 mm，側向設直徑為200 mm 的簡支式導向側輪，鉸鏈、鉸座材料為ZG310-570，鉸軸直徑為200 mm，材料為45 號鋼，軸承采用自潤滑球面關節軸承；埋件結構材料采用Q235B。閘門動水啟閉，控制開度運行，每扇閘門采用1 臺容量為2×400 kN 固定卷揚式弧門啟閉機。啟閉機采用現場手動和PLC 控制，并通過PLC與閘門控制單元的實時通信實現遠程控制和自動控制。

閘門按平面體系容許應力法計算，啟門力按小開度平壓啟門計算，主要受力構件的應力分析成果詳見表1。

表1 表孔溢洪道弧形工作閘門主要結構件及零部件計算成果

1#放水洞共1 孔，沿水流方向依次設置事故閘門和工作門，底板高程1 547.75 m，閘頂高程1 553.83 m。依據安全分析評價報告，1#放水洞運行良好，結合本次壩高加高方案，增設放水洞事故閘門及工作閘門上部埋件，將原啟閉機移位并更換啟閉閘門鋼架。2#泄洪洞共1孔，沿水流方向設置事故閘門和工作閘門，底板高程1 551 m，閘頂高程1 579 m。

（1）事故閘門。閘門孔口尺寸3.2 m×4.0 m，設計水頭24 m，為潛孔式平面鋼閘門，采用上游封水結構型式，以簡支輪支承，主材采用ZG310-570。閘門門葉結構材料采用Q235C，埋件結構材料主軌采用ZG35CrMo、其余采用Q235B。閘門動水閉門，小開度充水平壓后啟門。啟閉力按規范公式計算，閉門力80.6 kN，閘門增加100 kN 配重塊；啟門力500.3 kN，采用1 臺容量為630 kN 固定卷揚式啟閉機操作，計算成果詳見表2。

表2 2#泄洪洞事故閘門主要結構件及零部件計算成果

（2）工作閘門。閘門孔口尺寸3.2 m×3.6 m，設計水頭28.0 m，為潛孔式弧形鋼閘門。閘門門葉結構及支臂結構材料采用Q235C，鉸鏈、鉸座材料為ZG310-570，鉸軸材料為45 號鋼，埋件結構材料采用Q235B，軸承采用自潤滑球面滑動軸承。閘門動水啟閉，任意開度運行，采用容量為500/200 kN液壓式啟閉機操作，計算成果詳見表3。

表3 2#泄洪洞弧形工作閘門主要結構件及零部件計算成果

4 結語

通過除險加固工程的實施，解決了阿湖水庫金屬結構設備生銹、老化、泥沙淤泥等問題。工程建設完成后，阿湖水庫機閘啟閉速度快了5倍，并且可以在任何情況下進行檢修，洞口前的淤泥下降至原來的40%，有利于灌區社會經濟快速發展。