水工金屬結(jié)構(gòu)發(fā)展情況及相關(guān)問題探討

姚 宇 堅(jiān)

(水利部 水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院， 北京 100120)

近十幾年來，我國水利水電建設(shè)進(jìn)入了一個(gè)高速發(fā)展的時(shí)期，先后建成了三峽、南水北調(diào)、溪洛渡、小灣等一大批水利水電工程。近些年又開工建設(shè)了白鶴灘、大藤峽、烏東德、引江濟(jì)淮、滇中引水等一批大型樞紐、引水調(diào)水及節(jié)水灌溉工程。目前，我國是水庫大壩數(shù)量最多的國家，世界建成的200 m級(jí)以上高壩77座，我國有20座，占26%；在建的200 m級(jí)以上高壩19座，我國就有12座，占63%，其中超過300 m級(jí)的大壩占全球的2/3。世界高壩前100名中我國有27座，大庫前100名中有10座。我國現(xiàn)有超過100 m的水庫191座，庫容大于10億m3的水庫有137座[1]。這些年水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備也有了較大的發(fā)展，在某些方面已經(jīng)達(dá)到或超過世界先進(jìn)水平。

1 水工金屬結(jié)構(gòu)的發(fā)展情況

1.1 閘門及啟閉機(jī)規(guī)模較大提高

隨著高壩大庫工程建設(shè)增多，已建成的閘門孔口尺寸越來越大、水頭越來越高[1]。例如清江水布埡水電站放空洞偏心鉸弧形閘門設(shè)計(jì)水頭達(dá)到152 m，孔口尺寸6 m×7 m，總水壓力達(dá)到89 600 kN[2]，小灣水電站放空底孔伸縮水封弧形閘門水頭達(dá)到160 m，孔口尺寸5 m×7 m，總水壓力達(dá)到115 000 kN[3]，這些指標(biāo)均已達(dá)到或超過世界先進(jìn)水平。除此之外，大孔口深孔閘門應(yīng)用也逐漸增多，小灣泄洪洞弧形閘門孔口尺寸13 m×13.5 m，水頭48 m，總水壓力達(dá)到95 500 kN。在建的廣西大藤峽樞紐低孔弧形閘門孔口尺寸9 m×18 m，水頭39 m，總水壓力達(dá)到72 600 kN，屬國內(nèi)先進(jìn)水平。由于總體布置原因，該工程弧形閘門支鉸采用露天整體鋼梁支承，在國內(nèi)尚屬首例，鋼梁重量達(dá)230 t，其設(shè)計(jì)、制造及安裝均具有較大的挑戰(zhàn)性。

在低水頭大孔口閘門設(shè)計(jì)方面，結(jié)合防洪、航運(yùn)及城市景觀等要求，也開展了較多的創(chuàng)新和實(shí)踐，例如南京三汊河40 m寬護(hù)鏡閘門，是目前最大的護(hù)鏡閘門[4]。江蘇常州大運(yùn)河90 m寬、引江濟(jì)漢60 m寬雙開弧門(三角閘門)，以及安徽塘西河口30 m寬立軸旋轉(zhuǎn)閘門等，均已建成投運(yùn)。目前，國內(nèi)尚在研究設(shè)計(jì)更大孔口的水閘。這些特殊型式的閘門是在特定的設(shè)計(jì)條件下，經(jīng)充分技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較和論證后實(shí)施的。

隨著國內(nèi)機(jī)械制造水平提高和液壓技術(shù)完善，啟閉機(jī)性能和容量有了較大的提高，高揚(yáng)程、大容量固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)的應(yīng)用愈來愈多，液壓啟閉機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。例如向家壩導(dǎo)流洞固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)容量達(dá)到2×10 000 kN，溪洛渡水電站進(jìn)口快速閘門液壓啟閉機(jī)也達(dá)到10 000 kN。目前，已開工或?qū)⒁_工建設(shè)的高壩，啟閉機(jī)容量已達(dá)到或超過上述水平。

新材料的應(yīng)用使定輪閘門輪壓有了較大提高，例如西藏旁多水庫泄洪兼導(dǎo)流洞事故閘門設(shè)計(jì)輪壓達(dá)到6 350 kN。高水頭鏈輪事故閘門技術(shù)日趨成熟，得到較廣泛應(yīng)用，孔口尺寸和設(shè)計(jì)水頭有了較大幅度的提高。

1.2 升船機(jī)及船閘閘門規(guī)模達(dá)到世界先進(jìn)水平

三峽5級(jí)船閘是目前世界上最大規(guī)模的船閘，最大人字閘門尺寸為34.0 m×38.5 m，船閘已運(yùn)行近15 a，年通過量達(dá)到1.1億t，運(yùn)行情況良好。三峽3 000 t級(jí)爬升式升船機(jī)提升高度113 m，是世界上最大的升船機(jī)。景洪500 t級(jí)水力浮筒式升船機(jī)，是我國首創(chuàng)的升船機(jī)型式，目前已建成通航。

在建的大藤峽水利樞紐3 000 t船閘，下閘首人字閘門高度達(dá)47.5 m，是目前規(guī)模最大的人字閘門，設(shè)計(jì)、制造和安裝難度極大。另外，在建的引江濟(jì)淮工程樅陽樞紐雙向擋水船閘，三角閘門的規(guī)模也達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平。

1.3 新技術(shù)新材料應(yīng)用取得良好效果

近些年，在技術(shù)創(chuàng)新和采用新材料、新技術(shù)方面進(jìn)行了大量探索，取得了較好的效果。通過學(xué)習(xí)、借鑒國際先進(jìn)技術(shù)，以及不斷探索和改進(jìn)，高水頭偏心鉸弧形閘門、伸縮水封弧形閘門及鏈輪閘門設(shè)計(jì)更加完善，應(yīng)用越來越多，為我國建設(shè)世界級(jí)高壩創(chuàng)造了條件。啟閉機(jī)設(shè)計(jì)引進(jìn)折線卷筒技術(shù)，解決了卷筒多層纏繞問題，使高揚(yáng)程、大容量卷揚(yáng)式啟閉機(jī)的應(yīng)用愈加廣泛。在清污機(jī)設(shè)計(jì)方面，通過借鑒前蘇聯(lián)帶導(dǎo)向槽液壓抓斗技術(shù)，基本解決了困擾多年的水電站進(jìn)口清污問題。自主開發(fā)了回轉(zhuǎn)式清污機(jī)，在低水頭渠道大污物量清污方面取得較好效果。在防海水腐蝕方面，有些工程采用了鑄鐵合金門槽，取得良好的防腐蝕效果，等等。

近幾年，隨著環(huán)保意識(shí)加強(qiáng)，開展了升魚機(jī)、魚道金屬結(jié)構(gòu)研究，通過學(xué)習(xí)借鑒國際先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，取得了初步成效。另外，在閘門防冰凍、無電起閘及閘門在線監(jiān)測等方面也進(jìn)行了有益的探索研究。

2 若干設(shè)計(jì)問題研討

由于工作原因，在水利水電工程前期設(shè)計(jì)報(bào)告審查中，遇到一些金屬結(jié)構(gòu)方面常見的問題，結(jié)合工程實(shí)際運(yùn)行情況，提出來供同行研討，以期達(dá)到拋磚引玉的效果。

2.1 施工導(dǎo)流封堵閘門設(shè)計(jì)問題

近幾年，曾發(fā)生數(shù)起導(dǎo)流閘門失事情況，引起了各方的關(guān)注。導(dǎo)流封堵閘門作為施工期臨時(shí)設(shè)備，其運(yùn)用具有較強(qiáng)的特殊性，一旦失事?lián)p失巨大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以充分重視。

首先應(yīng)合理確定閘門設(shè)計(jì)水頭，相關(guān)專業(yè)提供的最高擋水水位由于下閘時(shí)段變動(dòng)會(huì)出現(xiàn)較大差異，影響到閘門和水工結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)用。因此，對(duì)下閘條件應(yīng)進(jìn)行分析、研判，宜按最不利下閘時(shí)段確定設(shè)計(jì)水頭，并以此確定啟閉機(jī)容量。同時(shí)，考慮下閘時(shí)水位壅高提升閘門的要求。由此會(huì)增加一些工程量，但相對(duì)于工程安全來說是適宜的。

其次是底檻需設(shè)置鋼襯，防止因氣、磨蝕發(fā)生破壞，致使閘門封堵失效。對(duì)于施工導(dǎo)流期較長的，例如達(dá)5 a以上的，宜設(shè)置護(hù)槽裝置。

第三是合理確定施工期生態(tài)水泄放方案，不能采用閘門局開泄流或閘門上設(shè)置充水閥等形式泄流孔泄流(易發(fā)生堵塞，造成關(guān)閉不嚴(yán))，防止因生態(tài)放水影響工程整體安全。

2.2 溢洪道檢修閘門設(shè)置問題

溢洪道是重要的泄洪設(shè)施，確保工作閘門安全運(yùn)用至關(guān)重要，因此需要設(shè)置檢修閘門。因布置或投資原因取消或簡化檢修閘門設(shè)置的設(shè)計(jì)是不恰當(dāng)?shù)摹?/p>

根據(jù)水工鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范[5]的規(guī)定，僅在每年工作閘門有足夠的檢修時(shí)間時(shí)，方可不設(shè)檢修閘門。判斷是否滿足，應(yīng)根據(jù)水庫調(diào)節(jié)計(jì)算成果，例如30 a或以上的逐月水位變動(dòng)計(jì)算成果進(jìn)行判斷，需剔出汛期數(shù)月(不能在汛期檢修)，若每年至少有2個(gè)月以上庫水位低于工作閘門底檻，則可判定不用設(shè)置檢修閘門，否則應(yīng)設(shè)置檢修閘門。

由于水庫調(diào)節(jié)計(jì)算是按水庫正常運(yùn)用年份進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)水庫某些功能不能及時(shí)投入時(shí)，計(jì)算結(jié)果會(huì)失真，例如有的水庫灌溉、供水等功能在工程投運(yùn)數(shù)年或十幾年后才開始建設(shè)。因此，即使計(jì)算成果滿足，仍需設(shè)置檢修閘門。

2.3 閘門水力學(xué)設(shè)計(jì)問題

近些年曾發(fā)生個(gè)別工程閘門振動(dòng)嚴(yán)重，無法正常運(yùn)用，建成不久即進(jìn)行了更換，有的出現(xiàn)啟閉機(jī)鋼絲繩瞬時(shí)拉斷，或發(fā)生氣爆造成閘門破壞等。在前期設(shè)計(jì)審查中也常見水力學(xué)設(shè)計(jì)缺陷或不合理，由于水工布置原因修改困難等，閘門水力學(xué)問題愈顯突出。

良好的水力學(xué)條件是保證閘門安全運(yùn)用的基礎(chǔ)，除了閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素，水力學(xué)條件往往與水工結(jié)構(gòu)布置有關(guān)，而對(duì)于閘門運(yùn)行要求，相關(guān)專業(yè)人員不一定十分了解，需要金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)人員密切配合，提出合理的水力學(xué)設(shè)計(jì)要求。例如，某工程工作閘門采用平面定輪閘門，其后設(shè)置了消力池和較高的消力坎，回水打在閘門上造成閘門振動(dòng)嚴(yán)重。因此設(shè)計(jì)中需要對(duì)水工布置進(jìn)行了解，充分重視閘門水力學(xué)設(shè)計(jì)。

2.4 引調(diào)水工程清污機(jī)型式選擇問題

近些年，已建某些大型泵站或排澇河道倒虹吸進(jìn)口，由于清污機(jī)選擇不當(dāng)給運(yùn)用帶來較多的問題。例如某渠道泵站，每年清除的水草達(dá)5 000 t，某倒虹吸進(jìn)口污物延綿達(dá)數(shù)公里，采用液壓抓斗清污機(jī)清污效果較差。有些工程已進(jìn)行了改造，有的尚在改建。

流量較大的渠道或河道，由于汛期洪水裹挾污物較多，不宜采用斷續(xù)抓取、效率較低的液壓抓斗清污，而應(yīng)采用連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)效率較高的回轉(zhuǎn)式清污機(jī)[6]。一般而言，當(dāng)流量大于20 m3/s且污物較多時(shí)，應(yīng)采用回轉(zhuǎn)式清污機(jī)，當(dāng)流量在5 m3/s～20 m3/s之間時(shí)，可采用液壓抓斗清污，當(dāng)流量小于5 m3/s時(shí)，可采用人工清污。當(dāng)流量大于50 m3/s時(shí)，還可增設(shè)液壓長臂挖斗清除體積較大污物，此時(shí)需在泵站或倒虹吸前池進(jìn)口設(shè)置回轉(zhuǎn)清污機(jī)橋。在渠道上設(shè)置攔污浮排的方式，實(shí)踐證明效果不好。

布置在大江大河岸邊取水的泵站，由于分流比較小，大量污物被主流帶走，在泵站進(jìn)口設(shè)置液壓抓斗即可，必要時(shí)也可在引渠設(shè)置攔污浮排，利用清污船清除攔污排污物。流量小于5 m3/s的泵站可不設(shè)清污設(shè)備。

2.5 防洪高水位問題

有些水庫需要承擔(dān)下游防洪任務(wù)，設(shè)置了防洪高水位，該水位可能與設(shè)計(jì)洪水位相同，也可能相差較大。其目的是防止水庫泄洪與下游區(qū)間洪水疊加對(duì)下游城鎮(zhèn)造成危害。例如下游支流發(fā)生了較大洪水，危及下游城鎮(zhèn)安全，此時(shí)水庫就不能隨意泄水，須采用控泄方式下泄。如果水庫上游洪水也較大，控泄運(yùn)用使庫水位升高超過防洪高水位，則轉(zhuǎn)入保壩運(yùn)用，閘門敞泄。

這類水庫溢洪道工作閘門設(shè)計(jì)擋水水位分兩種情況確定，一是防洪高水位低于或等于設(shè)計(jì)洪水位，按設(shè)計(jì)洪水位設(shè)計(jì)；二是防洪高水位高于設(shè)計(jì)洪水位，按防洪高水位設(shè)計(jì)，其他部位閘門設(shè)計(jì)水頭也按防洪高水位確定。

2.6 金屬結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)問題

近些年開工建設(shè)或即將開工的高壩大庫地震烈度較高，加強(qiáng)金屬結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)尤為迫切。黃河勘測設(shè)計(jì)研究有限公司主持修編完成了《水利水電工程啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL41)，目前處于報(bào)批階段。規(guī)范修訂加強(qiáng)了啟閉機(jī)抗震設(shè)計(jì)的規(guī)定，在條文說明中對(duì)具體計(jì)算方法進(jìn)行了補(bǔ)充、細(xì)化，提高了可操作性。

金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備抗震設(shè)計(jì)可借鑒的經(jīng)驗(yàn)較少。結(jié)合2008年汶川大地震紫坪鋪水庫啟閉機(jī)局部損壞情況，設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮以下要求：一是重要的泄水閘門啟閉機(jī)應(yīng)設(shè)置無電啟閘設(shè)備；二是固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)軸承座不能采用鑄鐵材料，應(yīng)采用鑄鋼制造；三是啟閉機(jī)薄弱部位應(yīng)按動(dòng)峰值加速度進(jìn)行水平力核驗(yàn)；四是塔頂?shù)雀卟课灰紤]“鞭梢”效應(yīng)的影響，并進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)算等。相關(guān)具體驗(yàn)算方法還需要進(jìn)行研究。有的設(shè)計(jì)院已經(jīng)對(duì)高震區(qū)新建水庫進(jìn)行了復(fù)核，復(fù)核成果對(duì)后續(xù)工程設(shè)計(jì)具有較好的指導(dǎo)作用。

2.7 重要閘門在線監(jiān)測問題

我國在20世紀(jì)60至70年代，建設(shè)了超過87 000座水庫，約3 700扇大、中型閘門投入運(yùn)行[7]，這些閘門中有許多已達(dá)到了折舊年限，有些甚至超過設(shè)計(jì)使用年限。近十余年國家投入大量資金對(duì)這些閘門進(jìn)行了更新和除險(xiǎn)加固，以保證其安全運(yùn)用。隨著運(yùn)用年限的延長及大量新建工程投入運(yùn)用，不可避免地會(huì)出現(xiàn)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備構(gòu)件老化、銹蝕、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低等諸多問題，應(yīng)引起足夠的重視，有必要采取監(jiān)測手段對(duì)重要閘門運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測和健康診斷。黃民水等[8]、何龍軍等[9]、鄭東健等[10]分別采用不同的方法對(duì)安全監(jiān)測布置進(jìn)行了優(yōu)化，彌補(bǔ)了以往布設(shè)經(jīng)驗(yàn)的不足。盛旭軍等[11]采用動(dòng)態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)對(duì)閘門的動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行了測試研究。Surre F等[12]、Matta F等[13]采用感測光纖粘貼在鋼結(jié)構(gòu)表面對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康安全監(jiān)測。隨著高新技術(shù)的發(fā)展，重點(diǎn)應(yīng)針對(duì)水工金屬結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)創(chuàng)新研究智能化檢測及遠(yuǎn)程智能監(jiān)測技術(shù)與方法，推進(jìn)水工金屬結(jié)構(gòu)在線監(jiān)測專項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定。同時(shí)，建立科學(xué)全面的安全評(píng)估方法及體系，確保實(shí)時(shí)準(zhǔn)確診斷與監(jiān)測水工金屬結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行狀況。

3 結(jié) 語

(1) 經(jīng)過不懈努力，水工金屬結(jié)構(gòu)這些年取得了可喜的發(fā)展，有些方面已走在世界的前列。目前已開工或即將開工的項(xiàng)目，金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備難度更高，具有更大的挑戰(zhàn)性，需要繼續(xù)努力去攻克難關(guān)。

(2) 金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備是保證大壩和工程安全的重要設(shè)施，結(jié)合工程實(shí)例和審查工作實(shí)踐，對(duì)若干常見的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)問題進(jìn)行研討，目的是通過研討交流引起重視，以保證金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的安全運(yùn)用。

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特邀作者簡介

姚宇堅(jiān)，男，漢族，山西垣曲人，教授級(jí)高級(jí)工程師，中國水利學(xué)會(huì)金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)委員會(huì)副主任委員。1982年1月畢業(yè)于華北水利水電學(xué)院工程機(jī)械專業(yè)，畢業(yè)后至今主要從事水工金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、研究和技術(shù)審查工作，先后參加了三門峽二期改建、萬家寨水利樞紐、引黃入晉、板橋水庫復(fù)建等工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，曾任設(shè)計(jì)院金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計(jì)總工程師。作為金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)主審人，參加了南水北調(diào)、大藤峽水利樞紐、阿爾塔什水利樞紐、黔中引水工程、引漢濟(jì)渭、引江濟(jì)淮、滇中引水等項(xiàng)目的前期設(shè)計(jì)審查，作為水利部技術(shù)預(yù)驗(yàn)收專家，參加了三峽、皂市、西霞院、大隆等水利樞紐的竣工驗(yàn)收，以及作為安全鑒定專家，參加了小浪底、西霞院、紫坪鋪、百色、恰甫其海等水利樞紐的安全鑒定工作。此外，還擔(dān)任《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL74)、《水利水電工程啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL41)等修訂的主要審查人。