尚廣萍

（山西省水利水電勘測設計研究院，山西 太原 030024）

柏葉口水庫金屬結(jié)構(gòu)設計

尚廣萍

（山西省水利水電勘測設計研究院，山西 太原 030024）

介紹了水庫水工建筑物的布置，在充分考慮了樞紐工程的特點和滿足水工建筑物運行、檢修要求的基礎上，對溢洪道金屬結(jié)構(gòu)、泄洪發(fā)電洞金屬結(jié)構(gòu)、水電站金屬結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設計。

溢洪道；泄洪發(fā)電洞；水電站；金屬結(jié)構(gòu)；柏葉口水庫

柏葉口水庫位于山西省呂梁市交城縣文峪河干流上，柏葉口村上游500 m處，距下游的文峪河水庫約30.7 km，總庫容9 712萬m3。是一座提供城市生活用水、工業(yè)供水和解決文峪河水庫防洪為主要目的，同時提高現(xiàn)有灌區(qū)灌溉率和提供發(fā)電的綜合中型水利樞紐工程。柏葉口水庫主要由大壩、溢洪道、泄洪發(fā)電洞和水電站等水工建筑物組成。水庫金屬結(jié)構(gòu)及設備包括溢洪道部分、泄洪發(fā)電洞部分和水電站部分等閘門、攔污柵及與之配套的啟閉設備。

1 溢洪道金屬結(jié)構(gòu)設計

1.1 溢洪道水工布置

溢洪道進口處位于大壩的左端，出口處距離下游的壩腳約90 m，中軸線的走向為正北向。它由進口段、控制段、泄槽段和挑流消能段等部分組成。進口段為喇叭形，平底，底高程1 128 m；控制段為平底寬頂堰，堰頂高程1 128 m，共布置3孔閘室，閘室長19.8 m，單孔凈寬8 m，設置3扇弧形工作門擋水；泄槽段長177 m，凈寬27～16 m，縱坡1/2.888；挑流消能段長15.15 m，凈寬16 m，反弧半徑20 m，挑射角25°，挑流鼻坎高程1 067.5 m。溢洪道總長度305.45 m，最大泄量894 m3/s。

1.2 工作閘門及啟閉設備

溢洪道進口布置3扇工作閘門，工作閘門選用露頂式弧形閘門，孔口寬度8.0 m，設計水頭7.66 m，閘門高度8.0 m，面板外緣曲率半徑10.0 m，支鉸高度6.5 m，總水壓力2 608 kN。

弧門的主框架采用主橫梁、帶懸臂的斜支臂結(jié)構(gòu)布置形式，從而減少主梁跨中彎矩，不僅節(jié)約了主梁的用鋼量，也減少了豎向聯(lián)接系的高度，減輕了閘門的重量?；￠T面板的梁格，在采用實腹截面形式的主橫梁時，面板的縱橫梁格與主橫梁均采用齊平連接，這樣可使閘門在受水壓力荷載和啟閉時的剛度較好。因閘門孔口寬度較大，所以門葉和支臂的截面形式均采用工字型截面的焊接式組合型。閘門的支鉸高度選擇要保證在校核洪水位時支鉸不能受門后水流及漂浮物沖擊，高于最大過流曲線水位。閘門在設計時通過受力分析計算，需要滿足強度、剛度及穩(wěn)定性的要求。

閘門門葉結(jié)構(gòu)主要材料為Q 235B鋼材，側(cè)止水為“L”形橡皮，底止水為條形橡皮?；￠T支鉸軸承采用自潤滑軸承，支鉸軸材料采用45號鍛鋼調(diào)質(zhì)處理，固定支鉸和活動支鉸均為ZG 270-500。閘門動水啟閉，雙吊點，吊耳設置在閘門迎水面底橫梁部位。

弧門門槽側(cè)軌采用鋼板、角鋼焊接的斷面結(jié)構(gòu)，止水座板采用4 mm厚的機加工不銹鋼板，底檻采用鋼板和工字鋼的焊接組合斷面。

弧形閘門由弧門卷揚式啟閉機操作，吊點間距4.8 m，啟門力2×225 kN，啟門高度18 m，啟門速度1.5 m/min，電機功率2×7.5 kW。弧門卷揚機日常維護保養(yǎng)操作簡單，成本低廉。

1.3 檢修閘門及啟閉設備

在工作閘門上游布置3孔共用1扇的檢修閘門，用于弧形工作閘門門槽的檢修與維護。

閘門選用疊梁式滑動平板鋼閘門，孔口寬度8.0 m，設計水頭5.0 m，閘門高度5.4 m，共分4節(jié)，總水壓力1071kN。閘門材料為Q235B，支承滑塊為HT15-33。

閘門選用疊梁式，可以在相同孔口尺寸的情況下，選用容量較小的啟閉機，并降低了排架的高度，從而降低了工程的造價。

門槽埋件由主軌、反軌及底檻組成，各部分均為焊接鋼結(jié)構(gòu)，材料為Q 235B。

閘門由電動葫蘆配合機械式自動抓梁起吊疊梁門。電動葫蘆吊點間距5.5 m，容量2×100 kN，起升高度18 m，起升速度7.0 m/min，運行速度20.0 m/min，起升電機功率2×13.0 kW，運行電機功率2×0.8 kW。自動抓梁為機械式全自動抓梁，運行時與2臺100 kN的電動葫蘆相連接以共同起吊疊梁門。

自動抓梁由梁體、吊鉤及吊耳組成，吊鉤上設置有防脫鉤裝置并配有重錘，能夠有效地完成掛鉤和脫鉤的操作，實現(xiàn)疊梁門水下起吊的準確性。

2 泄洪發(fā)電洞金屬結(jié)構(gòu)設計

2.1 泄洪發(fā)電洞的水工布置

泄洪發(fā)電洞進口位于水庫上游壩軸線的左岸約210 m處，出口位于水庫下游文峪河河流彎道處。發(fā)電洞由進口段、洞身段、出口控制閘、急流槽和挑流消能段等部分組成。進口段包括進口喇叭段和進水塔，長22.7 m，喇叭口設置2扇攔污柵，單孔寬5.35 m，高8.5 m，進水塔內(nèi)布置事故檢修門，孔口尺寸5 m×5 m，閘門為平板鋼閘門；洞身段長600 m，洞徑5 m，縱坡2.25%；出口控制閘閘室長20 m，閘孔凈寬4 m，設置1扇弧形工作門擋水，孔口尺寸4 m×4 m；急流槽和挑流消能段長49.5 m，急流槽長42 m，凈寬4～8 m，縱坡1/20；挑流消能段長7.5 m，凈寬8 m，反弧半徑20 m，挑射角20°，挑流鼻坎高程1 054.12 m。泄洪洞總長度692.2 m，最大泄量402 m3/s。

2.2 工作閘門及啟閉設備

在泄洪發(fā)電洞的出口布置1扇潛孔式弧形工作閘門，孔口尺寸（寬×高）4.0 m×4.0 m，設計水頭78.0 m，面板外緣曲率半徑為8.5 m，支鉸高度6.2 m，總水壓力15 825.0 kN。

泄洪發(fā)電洞弧形工作閘門為柏葉口水庫主要的泄洪閘門，因此要求弧門要操作靈活、運行可靠并能滿足各種過流量的要求。

閘門布置為主橫梁、帶懸臂的直支臂式框架結(jié)構(gòu)形式，主橫梁和支臂的截面均采用工字型焊接組合的結(jié)構(gòu)。在選定主框架的截面后，需進行框架內(nèi)力計算，進而進行截面的應力驗算，并就計算結(jié)果對截面進行修正。由于是深孔弧形閘門，為了減輕閘門的振動，閘門底緣盡量減薄，使水流平順、流態(tài)良好。在任何開度下，門后的構(gòu)件與支鉸避免被水流沖擊，因此最下根主梁不可布置過低，主梁腹板上開均勻分布的小孔，以保證門后及底緣有充分進氣的條件，使門后成為穩(wěn)定的明流流態(tài)。

弧門門葉結(jié)構(gòu)選用的材料為Q 345A鋼材，側(cè)止水與頂止水選用P形橡皮，底止水選用條形橡皮，支鉸軸采用45號鍛鋼調(diào)質(zhì)處理，固定鉸和活動鉸材料選用ZG 45，軸套采用自潤滑。

弧形閘門由單缸液壓啟閉機操作，啟門力1 600 kN，閉門力320 kN，最大工作行程5.8 m，啟閉速度0.5～1.5 m/min，電機功率45.0 kW。液壓啟閉機由單獨泵站操作，泵站設2臺油泵電機，1用1備。液壓啟閉機油缸布置在1 068.4 m高程處，采用油缸中部支鉸支承擺動式布置。油缸活塞桿下端與布置在閘門頂梁上的吊耳相連接。泵站布置在閘墩上，電氣控制柜布置在該泵房內(nèi)。在啟閉機的油缸內(nèi)設置內(nèi)置式位移傳感器，以提高閘門的開度檢測精度。

2.3 事故檢修閘門及啟閉設備

在泄洪發(fā)電洞進口處的進水塔內(nèi)設置1扇平板事故檢修閘門，用于工作閘門出現(xiàn)事故時快速閉門，也可用于弧門門槽及發(fā)電洞內(nèi)需要檢修時擋水工作。

閘門孔口尺寸（寬×高）5.0 m×5.0 m，設計水頭64.5 m，總水壓力17 736.0 kN。閘門采用下游封水，支承滑塊采用自潤滑材料，面板及止水布置考慮利用水柱閉門，門頂設置壓蓋式平壓充水閥，動水閉門，充水平壓后靜水啟門。

此次閘門設計中底緣上游傾角48.8°，下游傾角32.9°，滿足規(guī)范要求其上游傾角45°～60°，下游傾角不小于30°的要求，在閘門運行期間，未發(fā)生危害性振動。

閘門選用固定式卷揚機配合拉桿，容量5 000 kN，揚程76.0 m，電機功率2×132 kW。啟閉機設在檢修平臺上高程為1 152.3 m的啟閉機房內(nèi)，閘門在檢修平臺上拼裝、檢修，平時利用鎖錠梁鎖錠在門槽頂部。

2.4 攔污柵及啟閉設備

泄洪發(fā)電洞進口處布置有2孔攔污柵，孔口尺寸5.35 m×8.5 m（寬×高），設計水頭64.5 m。攔污柵主要用于攔截污物，避免污物對發(fā)電機組造成破壞和事故，以保證發(fā)電機組的正常運行。攔污柵平時處于關(guān)閉狀態(tài)，當需要維護檢修及清污時提升至檢修平臺上進行操作。

攔污柵為平面直立式焊接鋼結(jié)構(gòu)形式，考慮運輸、安裝及操作的問題，柵體共分2節(jié)，節(jié)間通過連接板和螺栓連接成整體。柵條間距60 mm，柵體材料采用Q345A。攔污柵采用人工清污，提扇水壓差不大于3m。攔污柵選用固定式卷揚機操作，容量500 kN，揚程76.0 m，電機功率22.0 kW。

3 水電站金屬結(jié)構(gòu)設計

3.1 水電站的水工布置

柏葉口水庫電站位于大壩下游的河床左側(cè)，是一座壩后引水式電站，由發(fā)電支洞、引水壓力鋼管、廠房及尾水渠等部分組成。電站用水從發(fā)電支洞自泄洪發(fā)電洞內(nèi)引出，再從壓力鋼管引入廠房，發(fā)電的尾水經(jīng)過尾水渠排進下游河道。廠房由主、副廠房組成，主廠房內(nèi)設置2臺發(fā)電機組，機組的單機容量為1 600 kW，總裝機容量為3 200 kW，尾水渠上設置2扇檢修閘門。3.2 尾水檢修閘門及啟閉設備

為了便于發(fā)電機組的維修保養(yǎng)，2臺機組下游各設1孔電站尾水檢修閘門，該閘門采用潛孔式滑動平板鋼閘門，孔口尺寸3.0 m×1.6 m（寬×高），設計水頭4 m，閘門總水壓力140 kN。閘門為下游封水，頂、側(cè)止水采用P型止水橡皮，底止水采用條型止水橡皮，主滑塊選用HT 15-33鑄鐵材料，門葉材料選用Q 235A鋼材。尾水檢修閘門的運行方式為靜水啟閉，閘門的平壓方式是利用機組的排水系統(tǒng)從閘門下游充水實現(xiàn)平壓。

該閘門各選1臺2×50 kN的固定式電動葫蘆起吊，以滿足2臺發(fā)電機組的維修和保養(yǎng)，啟閉機的電機功率為2×7.5 kW，啟門高度為9 m。該閘門在發(fā)電機組需要維護檢修或電站不發(fā)電，廠房需要擋水時使用，平時處于開啟狀態(tài)。

4 結(jié)語

本工程金屬結(jié)構(gòu)設計，充分考慮了樞紐工程的特點，在滿足水工建筑物的運行、檢修要求的基礎上，對金屬結(jié)構(gòu)部分進行了優(yōu)化設計，并對啟閉設備的選擇盡量做到經(jīng)濟合理，既節(jié)約投資，又保證了水庫的安全、可靠運行。經(jīng)過運行，各扇閘門止水效果良好，閘門啟閉運行平穩(wěn)，金屬結(jié)構(gòu)設備運行正常。

TV34

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1004-7042（2017）04-0045-03

尚廣萍（1965-），女，1986年畢業(yè)于上海建筑材料工業(yè)學院機械設計專業(yè)，高級工程師。

2017-02-20；

2017-03-25