廖微微

（貴州新中水工程有限公司　貴州貴陽(yáng)　550001）

淺談水電站工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

廖微微

（貴州新中水工程有限公司貴州貴陽(yáng)550001）

水電站金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性對(duì)整個(gè)水電站的運(yùn)行至關(guān)重要。在相關(guān)設(shè)計(jì)方面，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考慮使用質(zhì)量要求以及設(shè)備的安全可靠度和先進(jìn)性。本文結(jié)合工程實(shí)例，就水電站工程中相關(guān)金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討，以供相關(guān)設(shè)計(jì)者參考。

水電站工程；金屬結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)

引言

隨著我國(guó)大中型水電站建設(shè)的迅猛發(fā)展，水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備已達(dá)到了國(guó)際同類(lèi)型設(shè)備的水平。如今的水工閘門(mén)規(guī)模正向著大尺寸、高水頭的趨勢(shì)發(fā)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(mén)，其最大的孔口尺寸已經(jīng)達(dá)到20m以上，而潛孔式高水頭弧形閘門(mén)最大設(shè)計(jì)的水頭、操作水頭，分別可以達(dá)到160m和105m。而啟閉機(jī)械也開(kāi)始向著大容量、高揚(yáng)程的方向發(fā)展。

1　水電站金屬結(jié)構(gòu)概述

水電站金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備一般包括各種閘門(mén)、攔污柵、升船機(jī)、各類(lèi)啟閉機(jī)，以及操作閘門(mén)、攔污柵的附屬設(shè)備如抓梁、吊桿、鎖定裝置等。

1.1閘門(mén)

閘門(mén)的作用是關(guān)閉水工建筑物孔口，并根據(jù)需要全部、局部開(kāi)啟孔口，來(lái)實(shí)行放水、調(diào)節(jié)上下游水位、排沙等功能。閘門(mén)通常布置在電站的泄水系統(tǒng)、輸水發(fā)電系統(tǒng)、航運(yùn)系統(tǒng)以及沖沙系統(tǒng)等。

閘門(mén)按照結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分類(lèi)，可分為平面閘門(mén)、弧形閘門(mén)、人字閘門(mén)、拱形閘門(mén)、舌瓣閘門(mén)、三角形閘門(mén)等；按用途分為工作閘門(mén)、事故閘門(mén)、檢修閘門(mén)、導(dǎo)流封堵閘門(mén)等。工作閘門(mén)指能在動(dòng)水中啟閉的閘門(mén)；事故閘門(mén)指當(dāng)閘門(mén)下游（或上游）發(fā)生事故時(shí)能在動(dòng)水中關(guān)閉的閘門(mén)，當(dāng)需快速關(guān)閉時(shí)，也稱為快速閘門(mén)，事故閘門(mén)在靜水中開(kāi)啟。

（1）溢洪道閘門(mén)

在水電站溢洪道、泄洪表孔處，通常會(huì)設(shè)置檢修閘門(mén)和工作閘門(mén)。對(duì)于一些水頭較高、泄水孔洞較長(zhǎng)的泄洪設(shè)施，還可以在事故閘門(mén)前設(shè)置檢修閘門(mén)。泄水系統(tǒng)的工作閘門(mén)一般會(huì)選用平面閘門(mén)或弧形閘門(mén)，如果閘門(mén)孔口的尺寸較大，操作水頭又大于50m，則以弧形閘門(mén)為宜?；⌒伍l門(mén)的優(yōu)點(diǎn)在于操作靈活，可以充分滿足局部開(kāi)啟要求，因此應(yīng)用廣泛。而泄水系統(tǒng)事故閘門(mén)、檢修閘門(mén)，則一般選用的是平面閘門(mén)。

（2）輸水發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)水口通常設(shè)置攔污柵、檢修閘門(mén)和事故閘門(mén)。如果機(jī)組要求迅速切斷水流，則還需要在電站進(jìn)水口設(shè)置快速閘門(mén)。水電站的尾水出口應(yīng)當(dāng)設(shè)置檢修閘門(mén)，且輸水發(fā)電系統(tǒng)的快速閘門(mén)、事故閘門(mén)、檢修閘門(mén)大多選用平面閘門(mén)。

（3）通航河道設(shè)有船閘，船閘的上、下閘首應(yīng)當(dāng)設(shè)置工作閘門(mén)和檢修閘門(mén)。大中型工程的船閘如果發(fā)生閘門(mén)失事問(wèn)題，會(huì)引起嚴(yán)重后果，因此還需要在上閘首工作閘門(mén)上游設(shè)置事故閘門(mén)。工作閘門(mén)可選擇的有人字閘門(mén)、平面閘門(mén)等。而事故閘門(mén)、檢修閘門(mén)則大多選用平面閘門(mén)。

1.2啟閉機(jī)

啟閉機(jī)的作用是操作閘門(mén)，開(kāi)啟或關(guān)閉機(jī)械設(shè)備。水電站常用的啟閉設(shè)備有固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)、液壓?jiǎn)㈤]機(jī)、門(mén)式啟閉機(jī)、橋式啟閉機(jī)、臺(tái)車(chē)式啟閉機(jī)、電動(dòng)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(jìn)入引水道，引起堵塞問(wèn)題，損壞保護(hù)機(jī)組、閘門(mén)、閥及管道等。攔污柵一般布置在進(jìn)水口的最前沿，如果污物較多，還應(yīng)當(dāng)在攔污柵前設(shè)置清污設(shè)備。

2　水電站工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)有門(mén)槽、柵槽共9孔，各種閘門(mén)、攔污柵共8扇，各種啟閉機(jī)7臺(tái)套。此外，該水電站泄水建筑物還設(shè)置了表孔溢洪道，共3孔。表孔工作閘門(mén)的形狀為弧形，啟閉機(jī)采用的啟閉方式為液壓?jiǎn)㈤]。沖砂建筑物進(jìn)口設(shè)置檢修閘門(mén)和工作閘門(mén)，各設(shè)1道。引水建筑物進(jìn)口分別設(shè)置了攔污柵和事故檢修閘門(mén)，也是各設(shè)1道。尾水管出口設(shè)置了檢修閘門(mén)，兩孔共用1扇閘門(mén)。

2.2水電站金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

該水電站金屬結(jié)構(gòu)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(mén)和啟閉設(shè)備。

2.2.1泄水建筑物閘門(mén)及啟閉設(shè)備設(shè)計(jì)

該水電站溢洪道位于混凝土重力壩中部，上設(shè)置3孔表孔弧形閘門(mén)，它的主要功能有以下兩個(gè)：①調(diào)節(jié)水位；②泄洪。溢洪道堰頂采用的露頂式為弧形工作閘門(mén)，其相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)詳見(jiàn)表1。閘門(mén)采用的形式為主橫梁形式，而弧門(mén)的支承方式為斜支臂球鉸支承?；⌒伍l門(mén)的選擇要考慮到其液壓機(jī)的布置要求，該弧形閘門(mén)選用的啟閉設(shè)備為QHLY-2×630kN-5.0露頂式弧形門(mén)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)。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(mén)液壓機(jī)可共用一個(gè)油泵站，但泵站必須設(shè)置至少兩組，以供備用。

液壓機(jī)的操作方式有兩種：①現(xiàn)場(chǎng)控制；②集中控制。同時(shí)，液壓機(jī)還應(yīng)配備可靠的電源，閘門(mén)需保證局部開(kāi)啟，以保證一定的泄水流量和對(duì)水庫(kù)中的水位進(jìn)行調(diào)節(jié)。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(zhǎng)的暴露時(shí)間，因此，其維修時(shí)間相當(dāng)充分，可不設(shè)置檢修閘門(mén)。

表1　弧形工作閘門(mén)設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)

2.2.2電站建筑物閘門(mén)及啟閉設(shè)備設(shè)計(jì)

該水電站有兩臺(tái)總裝機(jī)，采用的引水方式為聯(lián)合引水方式，其金屬結(jié)構(gòu)主要有進(jìn)水口攔污柵、進(jìn)水口事故檢修閘門(mén)、尾水閘門(mén)及配套的啟閉設(shè)備。

（1）進(jìn)水口攔污柵及其啟閉設(shè)備

在進(jìn)水口前，設(shè)置攔污柵，共1道1孔，其具體設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)詳見(jiàn)表2。攔污柵采用的結(jié)構(gòu)為平面框架結(jié)構(gòu)，支承方式為鑄鐵滑塊支承。根據(jù)進(jìn)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(jīng)考慮攔污柵的啟吊設(shè)備配制拉桿。攔污柵啟閉及清污由啟閉機(jī)房?jī)?nèi)的QPQ-630kN固定式卷?yè)P(yáng)機(jī)啟閉操作，攔污柵由卷?yè)P(yáng)機(jī)提至539.50m高程檢修平臺(tái)進(jìn)行檢修及清污。

表2　進(jìn)水口攔污柵設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)

（2）進(jìn)水口事故檢修閘門(mén)及其啟閉設(shè)備

在進(jìn)水口攔污柵后設(shè)置1道事故檢修閘門(mén)，共1孔。進(jìn)水口事故檢修閘門(mén)設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)詳見(jiàn)表3。

表3　進(jìn)水口事故檢修閘門(mén)設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)

（3）電站尾水閘門(mén)

該水電站尾水采用單孔流出方式，2孔共設(shè)置1道檢修閘門(mén)。尾水閘門(mén)設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)詳見(jiàn)表4。

表4　尾水閘門(mén)設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)

兩孔閘門(mén)共同使用一臺(tái)啟閉和托運(yùn)設(shè)備，為電動(dòng)葫蘆單梁吊設(shè)備，由于電動(dòng)葫蘆軌頂高程為408.8m。因此，啟閉機(jī)的揚(yáng)程確定為20m，閘門(mén)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(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)詳見(jiàn)表5。這種設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)

2.2.3沖砂放空建筑物的閘門(mén)及啟閉設(shè)備設(shè)計(jì)

該水電站在進(jìn)水口處設(shè)置了兩扇沖砂閘門(mén)，一扇沖砂檢修閘門(mén)，一扇沖砂工作閘門(mén)，兩孔均為潛孔平面鋼閘門(mén)，檢修閘門(mén)采用滑塊支承方式，工作閘門(mén)采用滾輪支承方式。沖砂閘門(mén)設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)詳見(jiàn)表6。

表6　沖砂閘門(mén)設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)

沖砂閘門(mén)采用的結(jié)構(gòu)為實(shí)腹式多主梁結(jié)構(gòu)，梁格的布置方式為同層布置，這種布置的特點(diǎn)為：①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；②受力易于分析；③方便生產(chǎn)與安裝?？紤]到工作閘門(mén)利用水柱閉門(mén)，所以閘門(mén)采用的止水方式為后止水形式。

3　結(jié)語(yǔ)

本工程金屬結(jié)構(gòu)的布置與設(shè)計(jì)，吸取了同類(lèi)工程的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并充分考慮到本工程的運(yùn)行要求，設(shè)備布置緊湊，從而保證了閘門(mén)、攔污柵及各類(lèi)啟閉設(shè)備的安全運(yùn)行。

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2015-8-30