柏葉口水庫(kù)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

尚廣萍

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

柏葉口水庫(kù)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

尚廣萍

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

介紹了水庫(kù)水工建筑物的布置，在充分考慮了樞紐工程的特點(diǎn)和滿足水工建筑物運(yùn)行、檢修要求的基礎(chǔ)上，對(duì)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(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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

柏葉口水庫(kù)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(kù)約30.7 km，總庫(kù)容9 712萬(wàn)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(kù)防洪為主要目的，同時(shí)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(kù)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(kù)金屬結(jié)構(gòu)及設(shè)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(shè)備。

1 溢洪道金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 溢洪道水工布置

溢洪道進(jìn)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?yàn)檎毕颉Ｋ蛇M(jìn)口段、控制段、泄槽段和挑流消能段等部分組成。進(jìn)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(zhǎng)19.8 m，單孔凈寬8 m，設(shè)置3扇弧形工作門擋水；泄槽段長(zhǎng)177 m，凈寬27～16 m，縱坡1/2.888；挑流消能段長(zhǎng)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(zhǎng)度305.45 m，最大泄量894 m3/s。

1.2 工作閘門及啟閉設(shè)備

溢洪道進(jìn)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(shè)計(jì)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(shí)腹截面形式的主橫梁時(shí)，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(shí)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(shí)支鉸不能受門后水流及漂浮物沖擊，高于最大過(guò)流曲線水位。閘門在設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)受力分析計(jì)算，需要滿足強(qiáng)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(rùn)滑軸承，支鉸軸材料采用45號(hào)鍛鋼調(diào)質(zhì)處理，固定支鉸和活動(dòng)支鉸均為ZG 270-500。閘門動(dòng)水啟閉，雙吊點(diǎn)，吊耳設(shè)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(jī)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?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)操作，吊點(diǎn)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(jī)功率2×7.5 kW?；￠T卷?yè)P(yáng)機(jī)日常維護(hù)保養(yǎng)操作簡(jiǎn)單，成本低廉。

1.3 檢修閘門及啟閉設(shè)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(hù)。

閘門選用疊梁式滑動(dòng)平板鋼閘門，孔口寬度8.0 m，設(shè)計(jì)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(jī)，并降低了排架的高度，從而降低了工程的造價(jià)。

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(dòng)葫蘆配合機(jī)械式自動(dòng)抓梁起吊疊梁門。電動(dòng)葫蘆吊點(diǎn)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(yùn)行速度20.0 m/min，起升電機(jī)功率2×13.0 kW，運(yùn)行電機(jī)功率2×0.8 kW。自動(dòng)抓梁為機(jī)械式全自動(dòng)抓梁，運(yùn)行時(shí)與2臺(tái)100 kN的電動(dòng)葫蘆相連接以共同起吊疊梁門。

自動(dòng)抓梁由梁體、吊鉤及吊耳組成，吊鉤上設(shè)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(shí)現(xiàn)疊梁門水下起吊的準(zhǔn)確性。

2 泄洪發(fā)電洞金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 泄洪發(fā)電洞的水工布置

泄洪發(fā)電洞進(jìn)口位于水庫(kù)上游壩軸線的左岸約210 m處，出口位于水庫(kù)下游文峪河河流彎道處。發(fā)電洞由進(jìn)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(jìn)口段包括進(jìn)口喇叭段和進(jìn)水塔，長(zhǎng)22.7 m，喇叭口設(shè)置2扇攔污柵，單孔寬5.35 m，高8.5 m，進(jìn)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(zhǎng)600 m，洞徑5 m，縱坡2.25%；出口控制閘閘室長(zhǎng)20 m，閘孔凈寬4 m，設(shè)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(zhǎng)49.5 m，急流槽長(zhǎng)42 m，凈寬4～8 m，縱坡1/20；挑流消能段長(zhǎng)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(zhǎng)度692.2 m，最大泄量402 m3/s。

2.2 工作閘門及啟閉設(shè)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(shè)計(jì)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(kù)主要的泄洪閘門，因此要求弧門要操作靈活、運(yùn)行可靠并能滿足各種過(guò)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(jìn)行框架內(nèi)力計(jì)算，進(jìn)而進(jìn)行截面的應(yīng)力驗(yàn)算，并就計(jì)算結(jié)果對(duì)截面進(jìn)行修正。由于是深孔弧形閘門，為了減輕閘門的振動(dòng)，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(guò)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(jìn)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(hào)鍛鋼調(diào)質(zhì)處理，固定鉸和活動(dòng)鉸材料選用ZG 45，軸套采用自潤(rùn)滑。

弧形閘門由單缸液壓?jiǎn)㈤]機(jī)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(jī)功率45.0 kW。液壓?jiǎn)㈤]機(jī)由單獨(dú)泵站操作，泵站設(shè)2臺(tái)油泵電機(jī)，1用1備。液壓?jiǎn)㈤]機(jī)油缸布置在1 068.4 m高程處，采用油缸中部支鉸支承擺動(dòng)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?jī)?nèi)。在啟閉機(jī)的油缸內(nèi)設(shè)置內(nèi)置式位移傳感器，以提高閘門的開度檢測(cè)精度。

2.3 事故檢修閘門及啟閉設(shè)備

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

閘門孔口尺寸（寬×高）5.0 m×5.0 m，設(shè)計(jì)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(rùn)滑材料，面板及止水布置考慮利用水柱閉門，門頂設(shè)置壓蓋式平壓充水閥，動(dòng)水閉門，充水平壓后靜水啟門。

此次閘門設(shè)計(jì)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(yùn)行期間，未發(fā)生危害性振動(dòng)。

閘門選用固定式卷?yè)P(yáng)機(jī)配合拉桿，容量5 000 kN，揚(yáng)程76.0 m，電機(jī)功率2×132 kW。啟閉機(jī)設(shè)在檢修平臺(tái)上高程為1 152.3 m的啟閉機(jī)房?jī)?nèi)，閘門在檢修平臺(tái)上拼裝、檢修，平時(shí)利用鎖錠梁鎖錠在門槽頂部。

2.4 攔污柵及啟閉設(shè)備

泄洪發(fā)電洞進(jìn)口處布置有2孔攔污柵，孔口尺寸5.35 m×8.5 m（寬×高），設(shè)計(jì)水頭64.5 m。攔污柵主要用于攔截污物，避免污物對(duì)發(fā)電機(jī)組造成破壞和事故，以保證發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行。攔污柵平時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)需要維護(hù)檢修及清污時(shí)提升至檢修平臺(tái)上進(jìn)行操作。

攔污柵為平面直立式焊接鋼結(jié)構(gòu)形式，考慮運(yùn)輸、安裝及操作的問題，柵體共分2節(jié)，節(jié)間通過(guò)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?yè)P(yáng)機(jī)操作，容量500 kN，揚(yáng)程76.0 m，電機(jī)功率22.0 kW。

3 水電站金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 水電站的水工布置

柏葉口水庫(kù)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?gòu)膲毫︿摴芤霃S房，發(fā)電的尾水經(jīng)過(guò)尾水渠排進(jìn)下游河道。廠房由主、副廠房組成，主廠房?jī)?nèi)設(shè)置2臺(tái)發(fā)電機(jī)組，機(jī)組的單機(jī)容量為1 600 kW，總裝機(jī)容量為3 200 kW，尾水渠上設(shè)置2扇檢修閘門。3.2 尾水檢修閘門及啟閉設(shè)備

為了便于發(fā)電機(jī)組的維修保養(yǎng)，2臺(tái)機(jī)組下游各設(shè)1孔電站尾水檢修閘門，該閘門采用潛孔式滑動(dòng)平板鋼閘門，孔口尺寸3.0 m×1.6 m（寬×高），設(shè)計(jì)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(yùn)行方式為靜水啟閉，閘門的平壓方式是利用機(jī)組的排水系統(tǒng)從閘門下游充水實(shí)現(xiàn)平壓。

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

4 結(jié)語(yǔ)

本工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，充分考慮了樞紐工程的特點(diǎn)，在滿足水工建筑物的運(yùn)行、檢修要求的基礎(chǔ)上，對(duì)金屬結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)啟閉設(shè)備的選擇盡量做到經(jīng)濟(jì)合理，既節(jié)約投資，又保證了水庫(kù)的安全、可靠運(yùn)行。經(jīng)過(guò)運(yùn)行，各扇閘門止水效果良好，閘門啟閉運(yùn)行平穩(wěn)，金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備運(yùn)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(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)，高級(jí)工程師。

2017-02-20；

2017-03-25