李作孝

(貴州省水利投資(集團(tuán))有限責(zé)任公司，貴陽(yáng)550002)

0 引 言

水電站的金屬結(jié)構(gòu)是整個(gè)水電站運(yùn)行的可靠性，穩(wěn)定性的支撐。水工金屬結(jié)構(gòu)泛指應(yīng)用于水利水電工程中的各種永久性的鋼結(jié)構(gòu)和機(jī)械設(shè)備，其中最基本的應(yīng)用是水電站壓力鋼管、水工鋼閘門(mén)、啟閉機(jī)、攔污柵和充水閥等。根據(jù)工程實(shí)例對(duì)某水電站的金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行探討。

1 某水電站金屬結(jié)構(gòu)工程概述

本工程的金屬結(jié)構(gòu)要求壓力鋼管制造和安裝包括5 條引水鋼管、1 條沖砂底孔鋼管和4個(gè)泄洪中孔的鋼襯。

5 條引水鋼管型式相同，內(nèi)徑10 m，分別采用Q345R(16MnR)和600 MPa 級(jí)鋼板，單管總長(zhǎng)約111.3 m，包括上斜段、斜管段和下平段。鋼管加工安裝較復(fù)雜，有方形管、漸變段、彎管段等。Q345R鋼板總重約2 907 t，600 MPa級(jí)鋼板。

泄洪中孔共4個(gè)對(duì)稱(chēng)布置在溢流表孔壩段兩側(cè)，采用壩身有壓孔，由平孔段及壓坡段組成。泄洪中孔閘門(mén)下游均采用鋼板襯護(hù)，長(zhǎng)約40 m，鋼板均為Q345R(16MnR)鋼板。

2 某工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求分析

2.1 閘門(mén)的作用

閘門(mén)是用來(lái)關(guān)閉和開(kāi)啟水工建筑物過(guò)水孔口的活動(dòng)結(jié)構(gòu)。作用為封閉水工建筑物的孔口，并能按照需要全部或局部開(kāi)啟這些孔口，以調(diào)節(jié)上、下游水位，泄放流量，用于防洪、灌溉、引水發(fā)電、通航、過(guò)木及排除泥沙、冰塊和其他漂浮物［1］。

2.2 閘門(mén)的分類(lèi)

1)根據(jù)工作性質(zhì)分為:工作閘門(mén)、事故閘門(mén)、檢修閘門(mén)、施工導(dǎo)流閘門(mén)。

2)根據(jù)孔口位置，閘門(mén)可分為露頂閘門(mén)和潛孔閘門(mén)。

3)根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，可分為平面閘門(mén)、弧形閘門(mén)、拱形閘門(mén)、船閘上廣泛使用的人字閘門(mén)。

4)根據(jù)制造材料，分為鋼閘門(mén)、鋼絲網(wǎng)水泥閘門(mén)和木閘門(mén)，目前基本都是鋼閘門(mén)［2］。

2.3 進(jìn)水口檢修門(mén)

2.3.1 抽水蓄能電站

1)抽水蓄能電站上池進(jìn)水口宜設(shè)攔污柵、檢修閘門(mén)(或事故閘門(mén))。

2)機(jī)組下游尾水系統(tǒng)較長(zhǎng)時(shí)，除在尾水洞出口處設(shè)檢修閘門(mén)與攔污柵外，尚宜在尾水肘形管段與尾水調(diào)壓井之間設(shè)一道事故閘門(mén)(或檢修閘門(mén))，當(dāng)尾水系統(tǒng)較短時(shí)，可在尾水洞出口處設(shè)檢修閘門(mén)(或事故閘門(mén))與攔污柵。

3)攔污柵設(shè)計(jì)應(yīng)考慮雙向水流作用下的水動(dòng)力影響。

2.3.2 貫流式機(jī)組電站

1)貫流式機(jī)組電站的進(jìn)水口宜設(shè)攔污柵、檢修閘門(mén)(或事故閘門(mén))，尾水出口宜設(shè)事故閘門(mén)(或檢修閘門(mén))。

2)攔污柵設(shè)計(jì)應(yīng)采取減少水頭損失的措施，同時(shí)應(yīng)考慮水動(dòng)力影響，必要時(shí)可設(shè)清污機(jī)。閘門(mén)的布置和結(jié)構(gòu)要求。

2.4 啟閉機(jī)

啟閉機(jī)的作用在水工建筑物中，用來(lái)操作閘門(mén)，攔污柵等設(shè)備的起重機(jī)械稱(chēng)為啟閉機(jī)。主要完成調(diào)節(jié)閘門(mén)過(guò)流量，宣泄洪水，排沙沖沙等任務(wù)。啟閉機(jī)傳動(dòng)方式分為機(jī)械傳動(dòng)和液壓傳動(dòng)。機(jī)械傳動(dòng)分為:卷?yè)P(yáng)式、螺桿式、齒條式、鏈?zhǔn)降?。液壓式可分?單作用油缸快速下降啟閉機(jī)、雙作用油缸啟閉機(jī)、兩用式啟閉機(jī)［3］。

2.5 攔污柵

攔污柵的作用是攔阻水流中的雜物使之不能進(jìn)入引水道內(nèi)，以保證閘門(mén)、水輪機(jī)設(shè)備不受損壞。根據(jù)攔污柵的安裝形式可分為固定式、移動(dòng)式、回轉(zhuǎn)式。

3 水電站金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

3.1 引水發(fā)電系統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)

1)進(jìn)水口應(yīng)設(shè)置快速閘門(mén)和檢修閘門(mén)。

2)引水式電站，除在壓力管道進(jìn)口處設(shè)快速閘門(mén)外，宜在長(zhǎng)引水道進(jìn)口處設(shè)置事故閘門(mén)。

3)河床式水電站的進(jìn)水口，當(dāng)機(jī)組有可靠防飛逸裝置，只需設(shè)置事故閘門(mén)和檢修閘門(mén)。

4)對(duì)設(shè)于調(diào)壓井中的事故閘門(mén)，應(yīng)考慮涌浪對(duì)閘門(mén)的停放和下降的影響。

5)快速閘門(mén)的關(guān)閉時(shí)間，應(yīng)滿(mǎn)足機(jī)組和鋼管的保護(hù)要求，快速閘門(mén)下降速度，在接近底檻時(shí)，不宜＞5 m/min。如圖1 所示。

3.2 進(jìn)水口閘門(mén)、攔污柵及啟閉機(jī)金屬結(jié)構(gòu)布置

閘門(mén)主要作用是控制水位、調(diào)節(jié)流量。閘門(mén)是水工建筑物的重要組成部分，閘門(mén)形式選擇潛孔式焊接平面鋼深孔性質(zhì)閘門(mén)。所需材料:Q235 鋼材、E43 焊條、手工電焊。使用前進(jìn)行材料的檢測(cè)。側(cè)止水用P 型橡皮，底止水用條型橡皮。

采用膠木滑道，壓合膠布用MCS—2 作為支撐?；炷翉?qiáng)度等級(jí)為C20。進(jìn)水口閘門(mén)、攔污柵及啟閉機(jī)布置如圖2。

圖1 引水壓力鋼管的布置圖

圖2 進(jìn)水口閘門(mén)、攔污柵及啟閉機(jī)布置

3.3 溢流表孔檢修閘門(mén)

在溢流表孔工作閘門(mén)前設(shè)置7 孔2 扇溢流表孔檢修閘門(mén)，孔口寬度為15.0 m，設(shè)計(jì)水頭21.05 m。采用平面疊梁型式，1 套門(mén)體分為7 節(jié)制造，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)鉸軸吊耳板分別將上面4 節(jié)和下面3 節(jié)將閘門(mén)連接為2 節(jié)疊梁，上節(jié)門(mén)葉動(dòng)水提門(mén)充水平壓，下節(jié)門(mén)體靜水啟閉。

表孔檢修閘門(mén)由壩頂門(mén)機(jī)通過(guò)液壓自動(dòng)抓梁靜水啟閉，當(dāng)需要檢修工作閘門(mén)時(shí)下閘擋水，平時(shí)表孔檢修閘門(mén)存放在儲(chǔ)門(mén)槽內(nèi)。詳見(jiàn)圖3。

左沖沙底孔工作閘門(mén)的前面布置了1 孔1 扇事故檢修閘門(mén)，閘門(mén)孔口尺寸為5.00 m×6.50 m(寬×高)，封水尺寸為5.12 m ×6.56 m(寬×高)，設(shè)計(jì)水頭為70.4 m，閘門(mén)按門(mén)前淤積3 m泥沙計(jì)算閘門(mén)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，分別計(jì)算閘門(mén)總水壓力和閘門(mén)泥沙壓力，并在閘門(mén)強(qiáng)度、閘門(mén)啟閉力計(jì)算時(shí)考慮了閘門(mén)泥沙淤積的作用，閘門(mén)總水壓力為23671 kN。該門(mén)門(mén)體的梁系為實(shí)腹式同層布置，門(mén)葉面板及止水布置在上游，利用加重動(dòng)水閉門(mén)。每扇事故門(mén)體分2 節(jié)制造，工地安裝時(shí)通過(guò)節(jié)間螺栓連接成一體。采用Ⅱ門(mén)槽，門(mén)槽寬深比為1.56。

該閘門(mén)采壩頂門(mén)機(jī)操作，動(dòng)水關(guān)閉、靜水開(kāi)啟。平時(shí)鎖定在門(mén)槽頂部，當(dāng)工作門(mén)發(fā)生事故或需要檢修工作閘門(mén)時(shí)關(guān)閉閘門(mén)擋水。

3.4 泄洪沖沙系統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)

采用卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)。因其具有一定的安全與適用性能，因此在很大程度上提高了整個(gè)水工建筑物的運(yùn)行效果。

圖3 泄洪閘閘門(mén)及啟閉機(jī)布置

沖砂底孔共1 條，內(nèi)徑4.2 m，采用Q345R(16MnR)鋼板，單管總長(zhǎng)約141.8 m，均為水平段。鋼管加工安裝較復(fù)雜，有方形管、漸變段等。Q345R 鋼板總重約343 t。沖砂底孔鋼管布置圖，如圖4 所示。

圖4 沖砂底孔鋼管布置圖

3.5 其它系統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)

除引水發(fā)電系統(tǒng)、尾水系統(tǒng)和泄洪沖沙系統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)外，景洪水電站還包括導(dǎo)流系統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)、城市供水系統(tǒng)金屬和升船機(jī)系統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)，其中升船機(jī)系統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)根據(jù)工程進(jìn)度需要。目前完成了上閘首事故檢修閘門(mén)、引水?dāng)r污柵和引水道進(jìn)口快速事故門(mén)的設(shè)計(jì)制造。

導(dǎo)流系統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu) 共設(shè)5 孔5 扇導(dǎo)流底孔封堵閘門(mén)，導(dǎo)流底孔封堵閘門(mén)位于大壩右岸 溢流表孔的下方，封堵閘門(mén)利用壩頂門(mén)機(jī)下閘，5 扇閘門(mén)共用2臺(tái)壩頂門(mén)機(jī)，門(mén)機(jī)通過(guò)液壓抓梁操作閘門(mén)。

閘門(mén)底檻高程為EL.534.00 m，孔口尺寸為8.0 m×14.0 m(凈寬×凈高)，擋水尺寸為8.4 m ×14.6 m(凈寬×凈高)，設(shè)計(jì)擋水水頭為62.0 m，總水壓力為64 922 kN。閘門(mén)為平面焊接鋼結(jié)構(gòu)型式，采用定輪支承、下游止水，閘門(mén)動(dòng)水關(guān)閉，閘門(mén)的最大設(shè)計(jì)操作水頭為22.0 m。

4 廠(chǎng)壩分縫處的金屬結(jié)構(gòu)鋼管固定

引水鋼管和沖砂鋼管在廠(chǎng)壩分縫處利用墊層鋼管代替伸縮節(jié)，因此該部位鋼管在固定時(shí)不允許鋼管與下部支撐焊接，而又要保證鋼管在混凝土澆筑時(shí)的抗浮。

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著水電站規(guī)模的增大，大量金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是必然的發(fā)展趨勢(shì)，這就要求在設(shè)計(jì)、焊接技術(shù)、制造安裝等方面的水平要求更高。

水電站的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)大型的工程設(shè)計(jì)和施工，但在實(shí)際工程中仍然還有很多需要注意和改進(jìn)的地方。在實(shí)際設(shè)計(jì)中一定要仔細(xì)計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)，并合理進(jìn)行設(shè)計(jì)以及施工，從而提高水電站工作的性能。

［1］蔣立新. 黑麋峰抽水蓄能電站金屬結(jié)構(gòu)布置與設(shè)計(jì)［J］.水力發(fā)電，2010，36(07):70 －72.

［2］何玉新，胡霜天. 天花板水電站金屬結(jié)構(gòu)布置及設(shè)計(jì)［J］.水力發(fā)電，2011，37(06):85 －87.

［3］易偉，胡國(guó)智. 獨(dú)流減河進(jìn)洪閘金屬結(jié)構(gòu)布置與設(shè)計(jì)［J］.海河水利，2009(01):21 －22.