大興水利樞紐工程金屬結構設計

李潤芝 胡國智 楊春娟 劉璐

1 工程及金屬結構概況

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電工程組成。首部樞紐由攔河壩、左岸輸水建筑物、右岸發電引水建筑物組成。攔河壩為常態混凝土重力壩，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，廠內布置2臺單機容量為2.5 MW臥軸混流式水輪發電機組。導流洞1條，進口位于大壩右岸上游側。

根據工程布置，大興水利樞紐工程的金屬結構設備布置于溢流壩段、輸水洞進口、發電引水洞進口、廠房尾水及導流洞等處。設備共計包括攔污柵2套，平面閘門6套，弧形閘門3套，門（柵）槽埋件14套，啟閉設備9臺，金屬結構設備總工程量約417.67 t（未含液壓啟閉機重量）。

2 金屬結構設計總體思路

根據工程任務、功能、規模、環境、設備工作水頭等條件，本著節能降耗、運行便利等原則，設計上采用緊湊、環保、便利、節能的布置及設計準則。

考慮工程環境地處溫熱地帶，多年平均氣溫16.3℃，多年平均相對濕度80.5%，多年平均風速1.0 m/s，水質良好，因此，無需使用特殊材料。考慮供水任務，防腐采用環保型材料。

工程地區地震烈度小于Ⅵ度，根據抗震規范，可不進行抗震計算。

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程集中控制外，對未設置遠程控制的各主要閘門啟閉機預留了遠程控制接口。

3 溢流壩段金屬結構

3.1 溢流壩段金屬結構布置

為了泄洪及控制水位，在大壩中部2個壩段設3個溢流表孔，每孔設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，可以利用枯水期進行，故未設置檢修閘門。考慮有特殊意外情況發生，為保證樞紐的正常運行，設1道檢修閘門槽，為特殊情況下可檢修工作閘門準備基礎條件。

（3）微觀組織檢驗 對端面裂紋附近齒部進行磨制拋光后腐蝕，如圖4所示，按照JB/T6141.3標準檢測，組織檢測結果為碳化物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備

溢流壩設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、側輪等組成，支臂與門葉、支臂與支鉸之間均采用螺栓聯接。弧門半徑為9 m（至面板內緣），支鉸中心至底檻中心距離為4 m。門葉為主梁、面板、次梁焊接結構，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，內徑為360 mm，外徑為370 mm。閘門止水布置在上游面板側，側止水為“L”型橡皮，底止水為“Ⅰ”型橡皮。側向設有簡支式導向輪，每側各設4套。

弧形閘門由雙缸液壓啟閉機操作，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，再對稱啟升兩側邊孔。啟閉機容量為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、內徑250 mm，活塞桿直徑140 mm，工作壓力18.7 MPa。3臺液壓啟閉機設有1個油泵站，泵站設4套油泵電機組，3用1備。原液壓機泵站考慮布置在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，油泵站距啟閉機最遠油缸約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閘門時可完全提出孔口。閘門既可遠程集中控制，亦可現地操作。

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，另設柴油發電機作為備用電源。

4 輸水洞進口金屬結構

4.1 輸水洞進口金屬結構布置

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

4.2 輸水洞進口攔污柵及啟閉設備

攔污柵共1套，布置于進水口前端，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，設計水頭差4 m。攔污柵前后設有投入式水位變送器用以監控水位差。考慮對下游泵組的保護，柵條凈間距為50 mm。攔污柵柵體由框架、柵條組成，材料為Q235B。柵體上設有4套主支承滑塊，主滑塊采用自潤滑復合材料。

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

4.3 輸水洞進口事故檢修閘門及啟閉設備

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設計，設計水頭33.3 m，總水壓力1 502 kN。閘門采用實腹式多主梁焊接結構。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，每側設3個主輪，主輪材料為鑄鋼310-570，直徑為Φ550 mm，軸承采用自潤滑復合軸承。閘門止水和面板均設在下游側，頂、側止水采用“P”型橡皮（預壓縮4 mm），底止水采用“Ⅰ”型橡皮。門槽設計采用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構，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計。

事故閘門的啟閉由固定卷揚式啟閉機操作，啟閉機容量為400 kN，總揚程40 m，啟閉機采用了折線式卷筒。鋼絲繩采用鍍鋅鋼絲繩。啟閉機與閘門長期直連，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，輔以鑄鐵塊設于門體內保證可靠閉門。閘門現地操作，控制箱預留遠程接口。

5 發電引水進口金屬結構

5.1 發電引水進口金屬結構布置

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

5.2 發電引水進口攔污柵及啟閉設備

發電引水進口攔污柵共1套，布置于進水口前端，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，設計水頭差4 m。攔污柵前后設有投入式水位變送器用以監控水位差。考慮對機組的保護，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4套主支承滑塊，主滑塊采用自潤滑復合材料。

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

5.3 發電引水進口事故檢修閘門及啟閉設備

發電引水進口事故檢修閘門共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設計，設計水頭34.4 m，總水壓力3437 kN。閘門采用實腹式多主梁焊接結構。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，每側設4個主輪，主輪材料為鑄鋼310-570，直徑為Φ550 mm，軸承采用自潤滑復合軸承。閘門止水和面板均設在下游側，頂、側止水采用“P”型橡皮（預壓縮4 mm），底止水采用“Ⅰ”型橡皮。門槽設計采用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構，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計。

事故閘門的啟閉由固定卷揚式啟閉機操作，啟閉機容量為630 kN，總揚程40 m，啟閉機采用了折線式卷筒。鋼絲繩采用鍍鋅鋼絲繩。啟閉機與閘門長期直連，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，輔以鑄鐵塊設于門體內保證可靠閉門。閘門現地操作，控制箱預留遠程接口。

6 廠房尾水金屬結構

電站廠房設有2臺機組，每臺機組設有1條尾水管。為施工便利，設置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設計，設計水頭12.56 m。閘門采用潛孔平面滑動式，為實腹式多主梁焊接結構。閘門主梁為等截面工字梁，閘門主材為Q235B。門葉上設4套主支承滑塊，主滑塊采用自潤滑復合材料，反向設有4套彈性反輪。閘門止水和面板均設在上游側，頂、側止水采用“P”型橡皮（預壓縮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。

7 導流洞金屬結構

導流洞共1條，在導流洞進口設1孔導流閘門，施工導流期結束后下閘蓄水封堵導流洞。導流閘門孔口尺寸為5.7 m×6.6 m，底檻高程470.0 m，設計最高擋水水位514.0 m，設計水頭為44 m，下閘水位473.09 m，24 h內最大可提門水位487.2 m。導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構。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8套主支承滑塊。主滑塊采用自潤滑復合材料。閘門止水和面板均設在下游側，頂、側止水采用“P”型橡皮（預壓縮4 mm），底止水采用“Ⅰ”型橡皮。

閘門通過固定式卷揚啟閉機操作，啟閉機容量為1 600 kN，總揚程20 m。為防止汛期啟閉機浸水，啟閉機安裝于高程497.8 m混凝土平臺上。導流結束后，啟閉機可根據條件進行拆除回收。

8 金屬結構設計總結

（1）溢流壩弧形工作閘門常規設計為1孔設置1個油泵站，每一個油泵站設2套油泵電機組互為備用。為節省工程投資，本工程3孔液壓啟閉機共用1個油泵站，油泵站設4套油泵電機組，3用1備。既能滿足各閘門啟閉速度要求，又節約油泵站數量。

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

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

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