石河水庫除險(xiǎn)加固工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張延忠，朱建和，劉燕強(qiáng)

(河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河北　石家莊　050021)

石河水庫除險(xiǎn)加固工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張延忠，朱建和，劉燕強(qiáng)

(河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河北石家莊050021)

摘要：水庫金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備針對(duì)不同的建筑物應(yīng)采取不同的布置型式。結(jié)合石河水庫除險(xiǎn)加固工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程，對(duì)其布置形式進(jìn)行了詳細(xì)介紹，其設(shè)計(jì)滿足了水庫蓄水和安全運(yùn)用的要求。圖2幅。

關(guān)鍵詞：水庫；除險(xiǎn)加固；金屬結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)

1工程概況

石河水庫位于河北省秦皇島市山海關(guān)西北約6 km的石河上，是1座以城市生活、工農(nóng)業(yè)供水為主，同時(shí)兼顧防洪、發(fā)電、養(yǎng)殖、旅游等綜合利用的中型水利樞紐工程。樞紐工程由大壩(溢流壩和非溢流壩)、泄水洞、輸水洞、發(fā)電洞和電站等建筑物組成。工程于1972年動(dòng)工興建，1975年竣工投入運(yùn)用。

石河水庫原金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備包括：溢流壩段9扇升臥式平板鋼閘門，閘門尺寸(寬×高)8 m×10.2 m，啟閉機(jī)為固定卷揚(yáng)BTQ—2×40 t；泄水洞進(jìn)口1扇2.0 m×2.5 m平板檢修鋼閘門，出口設(shè)2 m×1.5 m(寬×高)弧形鋼閘門1扇，配WL—32/25電動(dòng)螺桿啟閉機(jī)；輸水洞進(jìn)口1扇2.5 m×3.0 m平板檢修鋼閘門，配QPQ—2×16 t固定卷揚(yáng)啟閉機(jī)，出口設(shè)2 m×1.5 m(寬×高)弧形鋼閘門1扇，配WL—32/25電動(dòng)螺桿啟閉機(jī)；發(fā)電洞進(jìn)口1扇2.5 m×3.0 m檢修鋼閘門，閘門后設(shè)有1扇攔污柵。

根據(jù)水庫大壩安全鑒定報(bào)告，石河水庫閘門和啟閉機(jī)已運(yùn)行33 a，均已大大超過使用折舊年限。泄水洞和輸水洞進(jìn)口現(xiàn)為檢修閘門，不符合現(xiàn)行規(guī)范要求，應(yīng)更新為事故閘門。溢流壩閘門門葉材料為A3F，根據(jù)當(dāng)?shù)貧鉁貤l件，不符合現(xiàn)行規(guī)范要求。本次水庫除險(xiǎn)加固金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容為：拆除更新溢流壩工作閘門和啟閉機(jī)，增加檢修閘門及啟閉機(jī)。將泄水洞和輸水洞進(jìn)口檢修閘門更新為事故閘門，更換啟閉機(jī)；更換發(fā)電洞進(jìn)口攔污柵和檢修閘門及啟閉機(jī)。由于大壩下游貼坡加固，泄水洞和輸水洞出口工作閘門及啟閉機(jī)也要拆除更新。

2012—2015年對(duì)水庫主要建筑物進(jìn)行了除險(xiǎn)加固，現(xiàn)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備均已安裝并投入運(yùn)行，設(shè)備運(yùn)行良好。

2溢流壩金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

溢流壩金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備改造內(nèi)容為拆除更新溢流壩工作閘門及其啟閉設(shè)備；增加檢修閘門及啟閉設(shè)備；改造后溢流壩設(shè)9扇工作閘門和1扇檢修閘門。

2.1溢流壩工作閘門及啟閉機(jī)

溢流壩工作閘門尺寸(寬×高)8 m×10.2 m，設(shè)計(jì)水頭9.7 m，共9扇。閘門型式比較了升臥式閘門、弧形閘門和直升式平面閘門。水庫原閘門型式為升臥式，該型閘門不宜調(diào)節(jié)閘門開度運(yùn)行，難以控制閘門下泄流量。弧形閘門需要較長(zhǎng)閘墩，因水庫需保持供水，不能空庫施工，這給閘墩的改造帶來較大難度。因此溢流壩工作閘門型式采用直升式露頂平面鋼閘門。閘門自重每扇29 t，埋件重每孔5.5 t。閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用實(shí)腹式多主梁焊接結(jié)構(gòu)，雙吊點(diǎn)，主梁為變截面組合梁。門體材質(zhì)為Q235C。閘門為懸臂式滾輪支承，主輪為鑄鋼件，直徑為φ800 mm，共8個(gè)。止水采用前水封，側(cè)止水為“P”型，底止水為板條形。閘門主輪軸承選用自潤(rùn)滑圓柱軸承。閘門埋件的主軌、反軌、底軌均為鋼板與型鋼焊接件，反軌設(shè)有不銹鋼止水座板。

閘門操作方式為動(dòng)水啟閉，啟閉機(jī)為固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)，工作級(jí)別為Q2_輕，容量2×400 kN，揚(yáng)程13 m，一門一機(jī)，共9臺(tái)?；啽堵蕿?，卷筒直徑φ600 mm，為雙聯(lián)、鋼絲繩多層纏繞；鋼絲繩采用線接觸金屬芯鍍鋅鋼絲繩，制動(dòng)器采用YWZ型液壓制動(dòng)器，減速器采用QJS系列中硬齒面減速器。

2.2溢流壩檢修閘門及啟閉機(jī)

檢修閘門布置在工作閘門的上游，閘門尺寸(寬×高)8 m×10 m，共1扇，9孔共用。閘門型式為疊梁鋼閘門，共分4節(jié)，每節(jié)門高2.5 m，閘門自重21.5 t。閘門設(shè)計(jì)采用實(shí)腹式多主梁焊接結(jié)構(gòu)，主梁為變截面組合梁，滑塊支承。門體材質(zhì)為Q235C。主滑塊材質(zhì)為鋼基工程塑料合金。止水采用前水封，側(cè)止水為“P”型，底止水為板條形。門槽埋件利用原升臥式工作閘門槽埋件并進(jìn)行改造，具體做法為將原工作門槽下游側(cè)圓弧段埋件拆除，然后接長(zhǎng)豎直埋設(shè)至墩頂。

閘門操作方式為靜水啟閉，平壓方式采用節(jié)間充水。啟閉設(shè)備選用同軸驅(qū)動(dòng)移動(dòng)式電動(dòng)葫蘆，雙吊點(diǎn)，配合自動(dòng)掛脫梁起吊，容量2×100 kN，揚(yáng)程18 m，共1臺(tái)。門葉平時(shí)通過鎖定梁橫擔(dān)在閘墩上。電動(dòng)葫蘆工作制度為A3級(jí)，型號(hào)為MD雙鉤，起升機(jī)構(gòu)采用雙電機(jī)組。卷筒采用厚壁無縫鋼管，鋼絲繩繞繩對(duì)稱并排，鋼絲繩采用線接觸金屬芯鍍鋅鋼絲繩，減速器采用硬齒面減速器。

3泄水洞及輸水洞金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范要求，將泄水洞和輸水洞進(jìn)口檢修閘門更新為事故閘門，更換門槽埋件和啟閉設(shè)備；由于大壩下游貼坡加固，泄水洞和輸水洞出口工作閘門及啟閉機(jī)也要拆除更新。改造后泄洪洞和輸水洞進(jìn)口設(shè)事故閘門1扇，出口還設(shè)工作閘門1扇。

3.1進(jìn)口事故閘門及啟閉機(jī)

泄水洞進(jìn)口事故閘門共1孔，孔口尺寸2.0 m×2.5 m(寬×高)，設(shè)計(jì)水頭33.61 m，閘門自重5.0 t，埋件重3.1 t。輸水洞進(jìn)口事故閘門共1孔，孔口尺寸2.5 m×3.0 m(寬×高)，設(shè)計(jì)水頭27.56 m，閘門自重5.5 t，埋件重3.6 t。閘門結(jié)構(gòu)均采用實(shí)腹式多主梁焊接結(jié)構(gòu)，主梁為等截面組合梁，門體材質(zhì)為Q235C。閘門為懸臂式滾輪支承，主輪為鑄鋼件，直徑為φ700 mm。面板設(shè)在上游側(cè)，水封采用后水封，側(cè)止水為“P”型，底止水為板條形。閘門主輪軸承選用自潤(rùn)滑圓柱軸承。閘門埋件的主軌、反軌、門楣及底軌均為鋼板與型鋼焊接件，主軌及門楣上設(shè)有不銹鋼止水座板。

閘門操作方式為動(dòng)閉靜啟，利用水柱和門重關(guān)閉閘門，小開度提門充水平壓。啟閉設(shè)備均為固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)，工作級(jí)別為Q2_輕，單吊點(diǎn)，容量800 kN，泄水洞和輸水洞進(jìn)口事故閘門啟閉機(jī)揚(yáng)程分別為31 m和25 m，各1臺(tái)?；啽堵蕿?，卷筒直徑φ800 mm。

3.2出口工作閘門及啟閉機(jī)

泄水洞出口工作閘門1孔，孔口尺寸1.8 m×1.5 m(寬×高)，設(shè)計(jì)水頭33.56 m。輸水洞出口工作閘門1孔，孔口尺寸1.8 m×1.5 m(寬×高)，設(shè)計(jì)水頭27.62 m。閘門型式均為深孔弧形鋼閘門，直支臂雙主橫梁，支承采用圓柱鉸。閘門面板曲率半徑為3.0 m，材質(zhì)采用Q235C。閘門自重4.7 t，埋件重2.0 t。閘門鉸座軸承選用自潤(rùn)滑圓柱軸承，閘門埋件的側(cè)軌、門楣及底軌均為鋼板與型鋼焊接件。側(cè)軌及門楣上設(shè)有不銹鋼止水座板。頂止水設(shè)置2道，門葉上和門楣上各1道，結(jié)構(gòu)型式采用圓滾浮子式頂止水結(jié)構(gòu)，側(cè)止水為方頭“P”型，底止水為板條形。

閘門操作方式為動(dòng)水啟閉，啟閉設(shè)備均采用搖擺式螺桿啟閉機(jī)，工作級(jí)別Q2_輕，單吊點(diǎn)，容量500 kN/250 kN，揚(yáng)程2.5 m，各1臺(tái)。螺桿啟閉機(jī)的電機(jī)軸與渦輪軸為直接連接方式。

4發(fā)電洞金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

發(fā)電洞金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備改建包括更換進(jìn)口攔污柵、檢修閘門、埋件及啟閉設(shè)備。改造后發(fā)電洞進(jìn)口設(shè)檢修閘門1扇，攔污柵1扇，閘門和攔污柵共槽。

4.1進(jìn)口檢修閘門、攔污柵及啟閉機(jī)

發(fā)電洞進(jìn)口設(shè)1扇檢修閘門和1扇攔污柵，閘門和攔污柵共槽，共用1臺(tái)啟閉機(jī)。閘孔平時(shí)放置攔污柵，檢修閘門鎖定在檢修平臺(tái)上。

檢修閘門孔口尺寸2.5 m×3.0 m(寬×高)，設(shè)計(jì)水頭24.56 m。閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用實(shí)腹式多主梁焊接結(jié)構(gòu)，主梁為變截面組合梁，門體材質(zhì)為Q235C。閘門自重5.5 t，埋件重3.6 t。閘門為懸臂式滾輪支承，主輪為鑄鋼件，面板設(shè)在上游側(cè)，止水采用后水封，側(cè)止水為“P”型，底止水為板條形。閘門主輪軸承選用自潤(rùn)滑圓柱軸承。閘門埋件的主軌、反軌、底軌均為鋼板與型鋼焊接件，反軌設(shè)有不銹鋼止水座板。

攔污柵尺寸2.8 m×3.3 m(寬×高)，設(shè)計(jì)水頭差2.0 m，與檢修閘門共槽。攔污柵柵葉由柵葉和支承框架構(gòu)成。柵體材質(zhì)為Q235C，攔污柵重2.0 t，采用滑塊支承，材質(zhì)為工程塑料合金。

閘門操作方式為靜水啟閉，小開度提門充水平壓。啟閉設(shè)備為固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)，工作級(jí)別為Q2_輕，容量630 kN，揚(yáng)程22 m，共1臺(tái)?；啽堵蕿?，卷筒直徑φ600 mm。

4.2檢修閘門與攔污柵互換

在啟閉機(jī)室平臺(tái)梁底布置手拉移動(dòng)葫蘆，用于檢修閘門與攔污柵互換。手拉移動(dòng)葫蘆由手拉小車和手拉葫蘆組成，起重量3 t，起升高度6 m，共4個(gè)。啟閉機(jī)室平臺(tái)梁底固定2根20a工字鋼軌道(見圖1)。

閘門和攔污柵吊裝過程如下：一是攔污柵在槽內(nèi)換閘門入槽。用固定卷揚(yáng)機(jī)將攔污柵吊至孔口，然后用工字鋼將攔污柵擔(dān)在孔口。此時(shí)摘掉卷揚(yáng)機(jī)吊鉤，用2個(gè)手拉葫蘆將攔污柵吊至上游側(cè)，然后另用2個(gè)手拉葫蘆將檢修閘門移至孔口并鎖定，摘鉤換卷揚(yáng)機(jī)吊鉤，將檢修閘門放入槽內(nèi)。二是閘門在槽內(nèi)換攔污柵入槽。用固定卷揚(yáng)機(jī)將檢修閘門吊出并擔(dān)在孔口，此時(shí)摘掉卷揚(yáng)機(jī)吊鉤換手拉葫蘆吊鉤將檢修閘門移至孔口上游側(cè)，用另一組葫蘆吊攔污柵入槽并擔(dān)在孔口，然后換用固定卷揚(yáng)機(jī)吊鉤將攔污柵放入槽內(nèi)。

圖1閘門、攔污柵與啟閉機(jī)布置示意

5金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

5.1主輪結(jié)構(gòu)

(1)主軸結(jié)構(gòu)

溢流壩工作閘門承受總水壓力為4 162 kN，為減小啟閉力，閘門結(jié)構(gòu)采用滾動(dòng)式行走支承，該支承型式綜合摩擦系數(shù)僅為滑動(dòng)支承的1/2～1/3，能有效地減小閘門啟閉力。同時(shí)，為了減小門槽寬度，閘門采用8主輪布置型式；主軸采用偏心軸結(jié)構(gòu)，利用偏心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)整輪子使其踏面保證在同一平面上。閘門安裝完成后，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)檢查，閘門各滾輪與門槽埋件接觸良好。

(2)軸承材質(zhì)

工程中采用了工程塑料合金自潤(rùn)滑軸承。該軸承是一種單體復(fù)合材料，不僅其硬度小，耐磨性更為優(yōu)越，有一定的彈性變形能力，利于閘門的安裝及運(yùn)用。該軸承變形能力強(qiáng)，抗壓強(qiáng)度大，達(dá)50 MPa，較好地滿足了強(qiáng)度要求。同時(shí)，該軸承具有自潤(rùn)滑性能，在工作中不需要添加潤(rùn)滑劑，給管理維護(hù)帶來了方便。除此之外，軸承與軸的摩擦系數(shù)小，無潤(rùn)滑時(shí)0.16，水潤(rùn)滑時(shí)0.05，降低了閘門的啟門力。軸承與輪子采用的配合為H8，軸承與軸采用的配合為f8。各閘門軸承均采用工程塑料合金自潤(rùn)滑軸承。安裝后，閘門的滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)靈活。

5.2頂水封結(jié)構(gòu)

泄洪洞、輸水洞進(jìn)口事故閘門以及發(fā)電洞進(jìn)口檢修閘門均采用后水封型式，為防止頂止水在與埋件的摩擦和水流的沖擊下橡皮圓頭產(chǎn)生翻卷，損壞橡皮，將水封壓板邊緣略加彎轉(zhuǎn)，形成倒“L”型，在閘門開啟時(shí)，橡皮與壓板充分接觸，從而有效地保護(hù)了橡皮(見圖2)。

圖2頂水封結(jié)構(gòu)示意

5.3啟閉機(jī)安全裝置

固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)和搖擺式螺桿啟閉機(jī)均配有機(jī)械限位開關(guān)，閘門運(yùn)行達(dá)到上、下極限位置時(shí)能自動(dòng)斷開回路，使啟閉機(jī)停止運(yùn)行。另外，啟閉機(jī)均配有閘門開度測(cè)控裝置和荷重測(cè)控裝置，測(cè)控裝置包括傳感器、配套線纜及二次儀表。卷揚(yáng)式啟閉機(jī)閘門開度傳感器與卷筒軸聯(lián)接，荷重傳感器置于平衡滑輪軸內(nèi)。搖擺式螺桿啟閉機(jī)閘門開度傳感器與齒輪聯(lián)接，荷重傳感器安裝在機(jī)座內(nèi)。開度傳感器及荷重傳感器均能通過二次儀表進(jìn)行顯示，并向可編程邏輯控制器(PLC)輸出報(bào)警信號(hào)。啟閉機(jī)現(xiàn)地控制柜裝有開度測(cè)控裝置及荷重測(cè)控裝置的二次儀表，可監(jiān)視閘門啟閉的全過程。

電動(dòng)葫蘆設(shè)有起升機(jī)構(gòu)上升、下降極限保護(hù)裝置，并有可靠的制動(dòng)裝置，設(shè)有緊急手動(dòng)釋放裝置。由于溢洪道檢修閘門寬度較大，閘門設(shè)計(jì)為雙吊點(diǎn)啟閉，電動(dòng)葫蘆采用機(jī)械傳動(dòng)軸連接，同軸驅(qū)動(dòng)，解決了雙吊點(diǎn)的同步問題。

6結(jié)語

(1)金屬結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)布置、選型合理，設(shè)計(jì)符合現(xiàn)行規(guī)范、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)規(guī)定。通過水庫除險(xiǎn)加固工程，將影響水庫安全運(yùn)用的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備進(jìn)行了改建。目前金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備均已安裝并投入運(yùn)行，均滿足水庫蓄水和安全運(yùn)用的要求。

(2)將泄水洞和輸水洞進(jìn)口檢修閘門更新為事故閘門，操作方式為動(dòng)閉靜啟，滿足事故發(fā)生時(shí)動(dòng)水閉門的運(yùn)行要求。

(3)各閘門主輪采用了自潤(rùn)滑軸承，降低了啟閉機(jī)容量，提高了閘門運(yùn)用的可靠性，減少了日常維護(hù)工作量。

(4)在啟閉機(jī)選型中，平面鋼門采用固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)，弧形閘門采用搖擺式螺桿啟閉機(jī)，均配有閘門開度和荷重測(cè)控裝置，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程集中控制，提高了工程的自動(dòng)化水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉細(xì)龍，陳福榮.閘門與啟閉設(shè)備[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2002.

[2]黃希元，唐怡生.小型水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)(金屬結(jié)構(gòu))[M].北京：水利電力出版社，1991.

[3]水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院.水工設(shè)計(jì)手冊(cè)：第7卷，泄水與過壩建筑物(第2版)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2014.

[4]楊克昌.臨城水庫除險(xiǎn)加固工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].水科學(xué)與工程技術(shù)，2012(2)：39_41.

[5]安徽省水利局勘測(cè)設(shè)計(jì)院.水工鋼閘門設(shè)計(jì)[M].北京：水利出版社，1980.

■

責(zé)任編輯吳昊

收稿日期：2016-03-15

作者簡(jiǎn)介：張延忠(1982-)，男，工程師，主要從事水利工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。