某水電站金屬結構設計分析

李作孝

(貴州省水利投資(集團)有限責任公司，貴陽550002)

0 引 言

水電站的金屬結構是整個水電站運行的可靠性，穩定性的支撐。水工金屬結構泛指應用于水利水電工程中的各種永久性的鋼結構和機械設備，其中最基本的應用是水電站壓力鋼管、水工鋼閘門、啟閉機、攔污柵和充水閥等。根據工程實例對某水電站的金屬結構進行探討。

1 某水電站金屬結構工程概述

本工程的金屬結構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個泄洪中孔的鋼襯。

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

泄洪中孔共4個對稱布置在溢流表孔壩段兩側，采用壩身有壓孔，由平孔段及壓坡段組成。泄洪中孔閘門下游均采用鋼板襯護，長約40 m，鋼板均為Q345R(16MnR)鋼板。

2 某工程金屬結構設計需求分析

2.1 閘門的作用

閘門是用來關閉和開啟水工建筑物過水孔口的活動結構。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啟這些孔口，以調節上、下游水位，泄放流量，用于防洪、灌溉、引水發電、通航、過木及排除泥沙、冰塊和其他漂浮物［1］。

2.2 閘門的分類

1)根據工作性質分為:工作閘門、事故閘門、檢修閘門、施工導流閘門。

2)根據孔口位置，閘門可分為露頂閘門和潛孔閘門。

3)根據結構形式，可分為平面閘門、弧形閘門、拱形閘門、船閘上廣泛使用的人字閘門。

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

2.3 進水口檢修門

2.3.1 抽水蓄能電站

1)抽水蓄能電站上池進水口宜設攔污柵、檢修閘門(或事故閘門)。

2)機組下游尾水系統較長時，除在尾水洞出口處設檢修閘門與攔污柵外，尚宜在尾水肘形管段與尾水調壓井之間設一道事故閘門(或檢修閘門)，當尾水系統較短時，可在尾水洞出口處設檢修閘門(或事故閘門)與攔污柵。

3)攔污柵設計應考慮雙向水流作用下的水動力影響。

2.3.2 貫流式機組電站

1)貫流式機組電站的進水口宜設攔污柵、檢修閘門(或事故閘門)，尾水出口宜設事故閘門(或檢修閘門)。

2)攔污柵設計應采取減少水頭損失的措施，同時應考慮水動力影響，必要時可設清污機。閘門的布置和結構要求。

2.4 啟閉機

啟閉機的作用在水工建筑物中，用來操作閘門，攔污柵等設備的起重機械稱為啟閉機。主要完成調節閘門過流量，宣泄洪水，排沙沖沙等任務。啟閉機傳動方式分為機械傳動和液壓傳動。機械傳動分為:卷揚式、螺桿式、齒條式、鏈式等。液壓式可分為:單作用油缸快速下降啟閉機、雙作用油缸啟閉機、兩用式啟閉機［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入引水道內，以保證閘門、水輪機設備不受損壞。根據攔污柵的安裝形式可分為固定式、移動式、回轉式。

3 水電站金屬結構設計方案

3.1 引水發電系統金屬結構

1)進水口應設置快速閘門和檢修閘門。

2)引水式電站，除在壓力管道進口處設快速閘門外，宜在長引水道進口處設置事故閘門。

3)河床式水電站的進水口，當機組有可靠防飛逸裝置，只需設置事故閘門和檢修閘門。

4)對設于調壓井中的事故閘門，應考慮涌浪對閘門的停放和下降的影響。

5)快速閘門的關閉時間，應滿足機組和鋼管的保護要求，快速閘門下降速度，在接近底檻時，不宜＞5 m/min。如圖1 所示。

3.2 進水口閘門、攔污柵及啟閉機金屬結構布置

閘門主要作用是控制水位、調節流量。閘門是水工建筑物的重要組成部分，閘門形式選擇潛孔式焊接平面鋼深孔性質閘門。所需材料:Q235 鋼材、E43 焊條、手工電焊。使用前進行材料的檢測。側止水用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。混凝土強度等級為C20。進水口閘門、攔污柵及啟閉機布置如圖2。

圖1 引水壓力鋼管的布置圖

圖2 進水口閘門、攔污柵及啟閉機布置

3.3 溢流表孔檢修閘門

在溢流表孔工作閘門前設置7 孔2 扇溢流表孔檢修閘門，孔口寬度為15.0 m，設計水頭21.05 m。采用平面疊梁型式，1 套門體分為7 節制造，現場通過鉸軸吊耳板分別將上面4 節和下面3 節將閘門連接為2 節疊梁，上節門葉動水提門充水平壓，下節門體靜水啟閉。

表孔檢修閘門由壩頂門機通過液壓自動抓梁靜水啟閉，當需要檢修工作閘門時下閘擋水，平時表孔檢修閘門存放在儲門槽內。詳見圖3。

左沖沙底孔工作閘門的前面布置了1 孔1 扇事故檢修閘門，閘門孔口尺寸為5.00 m×6.50 m(寬×高)，封水尺寸為5.12 m ×6.56 m(寬×高)，設計水頭為70.4 m，閘門按門前淤積3 m泥沙計算閘門結構的強度，分別計算閘門總水壓力和閘門泥沙壓力，并在閘門強度、閘門啟閉力計算時考慮了閘門泥沙淤積的作用，閘門總水壓力為23671 kN。該門門體的梁系為實腹式同層布置，門葉面板及止水布置在上游，利用加重動水閉門。每扇事故門體分2 節制造，工地安裝時通過節間螺栓連接成一體。采用Ⅱ門槽，門槽寬深比為1.56。

該閘門采壩頂門機操作，動水關閉、靜水開啟。平時鎖定在門槽頂部，當工作門發生事故或需要檢修工作閘門時關閉閘門擋水。

3.4 泄洪沖沙系統金屬結構

采用卷揚式啟閉機。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水工建筑物的運行效果。

圖3 泄洪閘閘門及啟閉機布置

沖砂底孔共1 條，內徑4.2 m，采用Q345R(16MnR)鋼板，單管總長約141.8 m，均為水平段。鋼管加工安裝較復雜，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 其它系統金屬結構

除引水發電系統、尾水系統和泄洪沖沙系統金屬結構外，景洪水電站還包括導流系統金屬結構、城市供水系統金屬和升船機系統金屬結構，其中升船機系統金屬結構根據工程進度需要。目前完成了上閘首事故檢修閘門、引水攔污柵和引水道進口快速事故門的設計制造。

導流系統金屬結構 共設5 孔5 扇導流底孔封堵閘門，導流底孔封堵閘門位于大壩右岸 溢流表孔的下方，封堵閘門利用壩頂門機下閘，5 扇閘門共用2臺壩頂門機，門機通過液壓抓梁操作閘門。

閘門底檻高程為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)，設計擋水水頭為62.0 m，總水壓力為64 922 kN。閘門為平面焊接鋼結構型式，采用定輪支承、下游止水，閘門動水關閉，閘門的最大設計操作水頭為22.0 m。

4 廠壩分縫處的金屬結構鋼管固定

引水鋼管和沖砂鋼管在廠壩分縫處利用墊層鋼管代替伸縮節，因此該部位鋼管在固定時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的抗浮。

5 結 語

隨著水電站規模的增大，大量金屬結構設計是必然的發展趨勢，這就要求在設計、焊接技術、制造安裝等方面的水平要求更高。

水電站的金屬結構設計是一項大型的工程設計和施工，但在實際工程中仍然還有很多需要注意和改進的地方。在實際設計中一定要仔細計算相關數據，并合理進行設計以及施工，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構布置與設計［J］.水力發電，2010，36(07):70 －72.

［2］何玉新，胡霜天. 天花板水電站金屬結構布置及設計［J］.水力發電，2011，37(06):85 －87.

［3］易偉，胡國智. 獨流減河進洪閘金屬結構布置與設計［J］.海河水利，2009(01):21 －22.