李潤芝 胡國智 楊春娟 劉璐

1 工程及金屬結(jié)構(gòu)概況

大興水利樞紐工程主要由首部樞紐工程、輸水線路工程和引水發(fā)電工程組成。首部樞紐由攔河壩、左岸輸水建筑物、右岸發(fā)電引水建筑物組成。攔河壩為常態(tài)混凝土重力壩，由溢流壩段和擋水壩段組成，溢流壩段位于河床中部，設(shè)3孔泄流表孔用于泄洪及控制水位。取水輸水建筑物布置在左岸擋水壩段，發(fā)電引水建筑物布置在右岸擋水壩段。電站為引水式電站，地面電站廠房位于右岸壩軸線下游320 m處，廠內(nèi)布置2臺單機(jī)容量為2.5 MW臥軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組。導(dǎo)流洞1條，進(jìn)口位于大壩右岸上游側(cè)。

根據(jù)工程布置，大興水利樞紐工程的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備布置于溢流壩段、輸水洞進(jìn)口、發(fā)電引水洞進(jìn)口、廠房尾水及導(dǎo)流洞等處。設(shè)備共計包括攔污柵2套，平面閘門6套，弧形閘門3套，門（柵）槽埋件14套，啟閉設(shè)備9臺，金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備總工程量約417.67 t（未含液壓啟閉機(jī)重量）。

2 金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計總體思路

根據(jù)工程任務(wù)、功能、規(guī)模、環(huán)境、設(shè)備工作水頭等條件，本著節(jié)能降耗、運行便利等原則，設(shè)計上采用緊湊、環(huán)保、便利、節(jié)能的布置及設(shè)計準(zhǔn)則。

考慮工程環(huán)境地處溫?zé)岬貛?，多年平均氣?6.3℃，多年平均相對濕度80.5%，多年平均風(fēng)速1.0 m/s，水質(zhì)良好，因此，無需使用特殊材料。考慮供水任務(wù)，防腐采用環(huán)保型材料。

工程地區(qū)地震烈度小于Ⅵ度，根據(jù)抗震規(guī)范，可不進(jìn)行抗震計算。

閘門操作無特殊要求，考慮近年來自動化程度在不斷提高，除溢流道工作閘門采用可遠(yuǎn)程集中控制外，對未設(shè)置遠(yuǎn)程控制的各主要閘門啟閉機(jī)預(yù)留了遠(yuǎn)程控制接口。

3 溢流壩段金屬結(jié)構(gòu)

3.1 溢流壩段金屬結(jié)構(gòu)布置

為了泄洪及控制水位，在大壩中部2個壩段設(shè)3個溢流表孔，每孔設(shè)1套露頂式弧形工作鋼閘門。弧形工作閘門的啟閉由液壓啟閉機(jī)操作，3扇溢流壩閘門共用1套液壓站。由于工作閘門及埋件的檢修，可以利用枯水期進(jìn)行，故未設(shè)置檢修閘門?？紤]有特殊意外情況發(fā)生，為保證樞紐的正常運行，設(shè)1道檢修閘門槽，為特殊情況下可檢修工作閘門準(zhǔn)備基礎(chǔ)條件。

（3）微觀組織檢驗 對端面裂紋附近齒部進(jìn)行磨制拋光后腐蝕，如圖4所示，按照J(rèn)B/T6141.3標(biāo)準(zhǔn)檢測，組織檢測結(jié)果為碳化物1級，馬氏體2級，表面局部存在較長的馬氏體針，殘留奧氏體2級，心部鐵素體1級。

3.2 溢流壩弧形閘門及啟閉設(shè)備

溢流壩設(shè)3孔弧形工作閘門，閘門的孔口寬度為10 m，堰頂高程517.00 m，閘門底檻高程506.905 m，設(shè)計及最大操作水位為正常蓄水位即514.00 m，總水壓力3 006.7 kN。閘門由門葉、支臂、支鉸、水封、側(cè)輪等組成，支臂與門葉、支臂與支鉸之間均采用螺栓聯(lián)接?；￠T半徑為9 m（至面板內(nèi)緣），支鉸中心至底檻中心距離為4 m。門葉為主梁、面板、次梁焊接結(jié)構(gòu)，主梁采用實腹焊接工字型變截面梁，主要材料為Q235B。支臂采用實腹焊接工字型截面，主要材料為Q235B。支鉸裝置由固定鉸座、活動鉸座、支鉸軸、軸承等組成。固定鉸座、活動鉸座材料為ZG310-570，支鉸軸直徑Φ260 mm，材料為40Cr，軸套為球面自潤滑軸承，內(nèi)徑為360 mm，外徑為370 mm。閘門止水布置在上游面板側(cè)，側(cè)止水為“L”型橡皮，底止水為“Ⅰ”型橡皮。側(cè)向設(shè)有簡支式導(dǎo)向輪，每側(cè)各設(shè)4套。

弧形閘門由雙缸液壓啟閉機(jī)操作，閘門運行方式為動水啟閉，可以局部開啟。運行方式為先啟升中間1孔閘門，再對稱啟升兩側(cè)邊孔。啟閉機(jī)容量為2×630 kN，吊點間距為9.3 m，工作行程4.6 m，最大行程4.8 m，啟閉速度約0.5 m/min。油缸外徑299 mm、內(nèi)徑250 mm，活塞桿直徑140 mm，工作壓力18.7 MPa。3臺液壓啟閉機(jī)設(shè)有1個油泵站，泵站設(shè)4套油泵電機(jī)組，3用1備。原液壓機(jī)泵站考慮布置在517.0 m高程的溢流壩工作橋的中間位置，后改為布置于右岸回車場邊緣處，油泵站距啟閉機(jī)最遠(yuǎn)油缸約92 m。為安全考慮，閘門平時運行時不可提出孔口，在特殊工況或檢修維護(hù)閘門時可完全提出孔口。閘門既可遠(yuǎn)程集中控制，亦可現(xiàn)地操作。

因溢流壩弧形閘門有泄洪功能要求，為保證運行可靠，除正常供電外，另設(shè)柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源。

4 輸水洞進(jìn)口金屬結(jié)構(gòu)

4.1 輸水洞進(jìn)口金屬結(jié)構(gòu)布置

輸水洞進(jìn)口共設(shè)1孔，為防止污物進(jìn)入輸水系統(tǒng)，在其進(jìn)口設(shè)有1套攔污柵，攔污柵采用固定卷揚式啟閉機(jī)通過拉桿操作，提柵后人工清污。為檢修輸水洞及發(fā)生事故時及時切斷水流，在攔污柵槽下游設(shè)有1套事故檢修閘門，閘門的啟閉由固定卷揚啟閉機(jī)操作。

4.2 輸水洞進(jìn)口攔污柵及啟閉設(shè)備

攔污柵共1套，布置于進(jìn)水口前端，采用平面直立活動式攔污柵，底檻高程482.0 m，孔口尺寸為4.0 m×3.0 m，設(shè)計水頭差4 m。攔污柵前后設(shè)有投入式水位變送器用以監(jiān)控水位差?？紤]對下游泵組的保護(hù)，柵條凈間距為50 mm。攔污柵柵體由框架、柵條組成，材料為Q235B。柵體上設(shè)有4套主支承滑塊，主滑塊采用自潤滑復(fù)合材料。

攔污柵為潛孔式，通過拉桿與啟閉機(jī)相連。啟閉機(jī)采用固定卷揚式，容量為400 kN，總揚程8 m?？紤]攔污柵為潛孔式，柵前污物量相對較小，并結(jié)合工程規(guī)模及節(jié)約投資原則，另設(shè)清污機(jī)必要性不大，因此，采用提柵結(jié)合人工的清污方式進(jìn)行柵體污物清理工作。平時攔污柵關(guān)閉于孔口，為減少啟閉機(jī)鋼絲繩長期受力，將拉桿鎖于孔口上方。

4.3 輸水洞進(jìn)口事故檢修閘門及啟閉設(shè)備

事故檢修閘門共1套，緊鄰攔污柵下游布置，采用平面滾動式平面閘門，孔口尺寸為2.0 m×2.0 m，底檻高程482.00 m，閘門按校核洪水位515.30 m設(shè)計，設(shè)計水頭33.3 m，總水壓力1 502 kN。閘門采用實腹式多主梁焊接結(jié)構(gòu)。閘門主梁為等截面工字梁，閘門主材為Q235B。閘門采用簡支輪支承，每側(cè)設(shè)3個主輪，主輪材料為鑄鋼310-570，直徑為Φ550 mm，軸承采用自潤滑復(fù)合軸承。閘門止水和面板均設(shè)在下游側(cè)，頂、側(cè)止水采用“P”型橡皮（預(yù)壓縮4 mm），底止水采用“Ⅰ”型橡皮。門槽設(shè)計采用Ⅱ型門槽，其寬深比為1.5，埋件中反軌、門楣及底檻均為組合焊接結(jié)構(gòu)，材料為Q235B鋼板及型鋼，主軌采用鑄鋼軌道，材料為鑄鋼310-570，截面按定輪支承的最大線荷載設(shè)計。

事故閘門的啟閉由固定卷揚式啟閉機(jī)操作，啟閉機(jī)容量為400 kN，總揚程40 m，啟閉機(jī)采用了折線式卷筒。鋼絲繩采用鍍鋅鋼絲繩。啟閉機(jī)與閘門長期直連，平時用鎖定裝置鎖定在檢修平臺上。閘門的操作方式為動水閉門，充水閥充水平壓后啟門，由于閘門靠自重不能閉門，因此，輔以鑄鐵塊設(shè)于門體內(nèi)保證可靠閉門。閘門現(xiàn)地操作，控制箱預(yù)留遠(yuǎn)程接口。

5 發(fā)電引水進(jìn)口金屬結(jié)構(gòu)

5.1 發(fā)電引水進(jìn)口金屬結(jié)構(gòu)布置

發(fā)電引水進(jìn)口共設(shè)1孔，為防止污物進(jìn)入引水管道在其進(jìn)口設(shè)有1套攔污柵，攔污柵采用固定卷揚式啟閉機(jī)通過拉桿操作，攔污柵采用提柵后人工清污方式。在攔污柵槽下游，為檢修發(fā)電引水洞及下游設(shè)備事故時及時切斷水流，設(shè)有1套事故檢修閘門，閘門的啟閉由固定卷揚啟閉機(jī)操作。

5.2 發(fā)電引水進(jìn)口攔污柵及啟閉設(shè)備

發(fā)電引水進(jìn)口攔污柵共1套，布置于進(jìn)水口前端，采用平面直立活動式攔污柵，底檻高程480.6 m，孔口尺寸為5.0 m×4.5 m，設(shè)計水頭差4 m。攔污柵前后設(shè)有投入式水位變送器用以監(jiān)控水位差。考慮對機(jī)組的保護(hù)，柵條凈間距為50 mm。攔污柵柵體由框架、柵條組成，材料為Q235B。柵體上設(shè)4套主支承滑塊，主滑塊采用自潤滑復(fù)合材料。

攔污柵為潛孔式，通過拉桿與啟閉機(jī)相連。啟閉機(jī)采用固定卷揚式，容量為400 kN，總揚程8 m。攔污柵同樣采用提柵結(jié)合人工的清污方式進(jìn)行柵體污物清理工作。平時攔污柵關(guān)閉于孔口，為減少啟閉機(jī)鋼絲繩長期受力，將拉桿鎖于孔口上方。

5.3 發(fā)電引水進(jìn)口事故檢修閘門及啟閉設(shè)備

發(fā)電引水進(jìn)口事故檢修閘門共1套，緊鄰攔污柵下游布置，采用平面滾動式平面閘門，孔口尺寸為3.0 m×3.0 m，底檻高程480.6 m，閘門按校核洪水位515.30 m設(shè)計，設(shè)計水頭34.4 m，總水壓力3437 kN。閘門采用實腹式多主梁焊接結(jié)構(gòu)。閘門主梁為等截面工字梁，閘門主材為Q235B。閘門采用簡支輪支承，每側(cè)設(shè)4個主輪，主輪材料為鑄鋼310-570，直徑為Φ550 mm，軸承采用自潤滑復(fù)合軸承。閘門止水和面板均設(shè)在下游側(cè)，頂、側(cè)止水采用“P”型橡皮（預(yù)壓縮4 mm），底止水采用“Ⅰ”型橡皮。門槽設(shè)計采用Ⅱ型門槽，其寬深比為1.5，埋件中反軌、門楣及底檻為組合焊接結(jié)構(gòu)，材料為Q235B鋼板及型鋼，主軌采用鑄鋼軌道，材料為鑄鋼310-570，截面按定輪支承的最大線荷載設(shè)計。

事故閘門的啟閉由固定卷揚式啟閉機(jī)操作，啟閉機(jī)容量為630 kN，總揚程40 m，啟閉機(jī)采用了折線式卷筒。鋼絲繩采用鍍鋅鋼絲繩。啟閉機(jī)與閘門長期直連，平時用鎖定裝置鎖定在檢修平臺上。閘門的操作方式為動水閉門，充水閥充水平壓后啟門，由于閘門憑自重不能閉門，因此，輔以鑄鐵塊設(shè)于門體內(nèi)保證可靠閉門。閘門現(xiàn)地操作，控制箱預(yù)留遠(yuǎn)程接口。

6 廠房尾水金屬結(jié)構(gòu)

電站廠房設(shè)有2臺機(jī)組，每臺機(jī)組設(shè)有1條尾水管。為施工便利，設(shè)置2套尾水檢修閘門，閘門孔口尺寸為4.4 m×2.6 m，底檻高程460.40 m，按校核尾水位472.96 m設(shè)計，設(shè)計水頭12.56 m。閘門采用潛孔平面滑動式，為實腹式多主梁焊接結(jié)構(gòu)。閘門主梁為等截面工字梁，閘門主材為Q235B。門葉上設(shè)4套主支承滑塊，主滑塊采用自潤滑復(fù)合材料，反向設(shè)有4套彈性反輪。閘門止水和面板均設(shè)在上游側(cè)，頂、側(cè)止水采用“P”型橡皮（預(yù)壓縮5 mm），底止水采用“Ⅰ”型橡皮。

尾水檢修閘門由2×100 kN電動葫蘆通過機(jī)械自動抓梁操作，電動葫蘆總揚程18 m。閘門靜水閉門，通過充水閥充水平壓后啟門。尾水檢修閘門平時存放在尾水平臺的門庫內(nèi)。

7 導(dǎo)流洞金屬結(jié)構(gòu)

導(dǎo)流洞共1條，在導(dǎo)流洞進(jìn)口設(shè)1孔導(dǎo)流閘門，施工導(dǎo)流期結(jié)束后下閘蓄水封堵導(dǎo)流洞。導(dǎo)流閘門孔口尺寸為5.7 m×6.6 m，底檻高程470.0 m，設(shè)計最高擋水水位514.0 m，設(shè)計水頭為44 m，下閘水位473.09 m，24 h內(nèi)最大可提門水位487.2 m。導(dǎo)流洞封堵閘門采用潛孔平面滑動鋼閘門，采用實腹式多主梁焊接結(jié)構(gòu)。閘門主梁為等截面工字梁，閘門主材為Q235B。閘門采用滑塊支承，設(shè)8套主支承滑塊。主滑塊采用自潤滑復(fù)合材料。閘門止水和面板均設(shè)在下游側(cè)，頂、側(cè)止水采用“P”型橡皮（預(yù)壓縮4 mm），底止水采用“Ⅰ”型橡皮。

閘門通過固定式卷揚啟閉機(jī)操作，啟閉機(jī)容量為1 600 kN，總揚程20 m。為防止汛期啟閉機(jī)浸水，啟閉機(jī)安裝于高程497.8 m混凝土平臺上。導(dǎo)流結(jié)束后，啟閉機(jī)可根據(jù)條件進(jìn)行拆除回收。

8 金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計總結(jié)

（1）溢流壩弧形工作閘門常規(guī)設(shè)計為1孔設(shè)置1個油泵站，每一個油泵站設(shè)2套油泵電機(jī)組互為備用。為節(jié)省工程投資，本工程3孔液壓啟閉機(jī)共用1個油泵站，油泵站設(shè)4套油泵電機(jī)組，3用1備。既能滿足各閘門啟閉速度要求，又節(jié)約油泵站數(shù)量。

（2）溢流壩弧形閘門支鉸下端及弧門上未設(shè)置爬梯及鎖錠裝置，對今后弧門的檢修維護(hù)帶來不便。

（3）本工程操作輸水洞及發(fā)電引水進(jìn)口事故檢修閘門的高揚程固定卷揚啟閉機(jī)采用了折線式卷筒這一新技術(shù)，這一新技術(shù)對閘門啟閉的平穩(wěn)運行和鋼絲繩的使用壽命都有較大的提升，為閘門和啟閉設(shè)備的正常運行提供了保障。

（4）輸水洞進(jìn)口事故檢修閘門及發(fā)電引水進(jìn)口事故檢修閘門現(xiàn)均為現(xiàn)地控制，均在啟閉機(jī)控制箱中預(yù)留了遠(yuǎn)程控制接口，為今后的工程自動化管理提供改善條件。