紅升水庫樞紐工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計綜述

張安生

(盤山縣水利建筑工程處，遼寧 盤錦 124000)

1 工程概況

1.1 基本情況

紅升水庫位于撫順市新賓縣紅升鄉(xiāng)蘇子河干流上，是一座以城鎮(zhèn)供水、灌溉為主，兼顧防洪、養(yǎng)魚、發(fā)電等綜合利用的中型水庫。樞紐工程等別為Ⅲ等，永久性建筑物為三級，設(shè)計和校核洪水標準為50a、2000a一遇洪水，水工建筑物有攔河壩、溢洪道、泄洪輸水洞、電站等?？刂屏饔蛎娣e78.5km2，壩址以上河長13.5km，比降1.56%?？値烊?071.15萬m3，正常蓄水位377.95m，興利庫容2869萬m3，水庫死水位360.15m，相應(yīng)庫容為70.84萬m3。

1.2 存在問題

由于水庫施工質(zhì)量差，經(jīng)40多年運行，主體工程存在嚴重問題，水庫屬帶病運行狀態(tài)。隱患產(chǎn)生原因：有施工中遺留問題、有運行中產(chǎn)生的問題、有原設(shè)計問題、有施工質(zhì)量問題。經(jīng)鑒定，該水庫防洪標準定為A級，結(jié)構(gòu)安全為C級，滲流安全B級，金屬結(jié)構(gòu)為C級[1-3]。大壩安全類別綜合評定Ⅲ類，安全隱患主要表現(xiàn)在：

1)大壩工程存在的問題。壩體上部壩坡較陡，抗滑穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求；上下游護坡不規(guī)整；防浪墻有縱向裂縫，且與心墻連接不好；護坡塊石凍脹、風(fēng)化現(xiàn)象嚴重，護坡厚度未達到設(shè)計標準。

2)大壩壩體滲透穩(wěn)定存在的問題。大壩壩基截水槽施工質(zhì)量不佳，而且在實際運行中，曾發(fā)現(xiàn)下游壩腳有集中滲漏。

3)溢洪道工程存在的問題[4]。溢洪道弧形閘門發(fā)生變形，啟閉不暢；閘門面板厚度、主梁強度、支臂穩(wěn)定性不滿足要求；溢洪道部分洞身未襯砌，經(jīng)多年運行混凝土結(jié)構(gòu)存在凍融、骨料外露、邊墻有縱向裂縫等問題。

4)輸水洞工程存在的問題。輸水洞進口閘門銹蝕嚴重，混凝土結(jié)構(gòu)表面破損較嚴重，洞身部分未按設(shè)計要求襯砌。

5)大壩公路工程存在的問題。整體上壩公路存在設(shè)計標準低，路面狹窄，坡陡落石，路面質(zhì)量差的問題，尤其左岸上壩路更明顯。溢洪道下游交通橋橋體破損比較嚴重；輸水洞進口處和通向進口的道路存在陡坡、落石等問題。

1.3 總體布置

除險加固設(shè)計主要包括：土壩、溢洪道、泄洪輸水洞及上壩公路等工程。其中，土壩為黏土心墻砂礫壩，大壩加固后壩頂高程379.95m，防浪墻頂高程381.15m，壩長280m，壩頂寬8.5m，行車路面寬6m，最大壩高29.0m。上游為干砌石護坡，下游碎石護坡。

溢洪道位于土壩及泄洪輸水洞右側(cè)，進口距大壩約300m，實用堰后接溢洪洞，溢洪道閘門為1孔閘門，洞身長162m，出口后接差動式挑流坎和尾水渠，除險加固對溢流堰面采用SPC聚合物水泥砂漿進行修補，弧門鉸座加固，溢洪洞未襯砌段混凝土襯砌，更換閘門、啟閉機，重建啟閉機室，改建尾水渠并加固橋梁。

泄洪輸水洞工程位于右岸壩端山體中，全長258m，其中洞身長192.3m，洞徑為1.8m。除險加固對泄洪輸水洞豎井混凝土加固，洞體混凝土襯砌，進口巖坡噴錨支護。

更換進口閘門、攔污柵、啟閉機，對啟閉機室加固處理，改建泄洪輸水洞尾水渠。紅升水庫的原有上壩公路和溢洪道段路線不做改動，對原有路面進行加寬路面改建設(shè)計，增設(shè)大壩安全觀測系統(tǒng)。

2 金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 金屬工程概況

紅升水庫金屬結(jié)構(gòu)工程主要由溢洪道、泄洪輸水洞兩部分組成。溢洪道金屬結(jié)構(gòu)為弧形工作閘門和啟閉機，閘門為1孔露頂式弧形鋼閘門，孔口尺寸位10.4m×4.4m。弧門啟閉機為前拉式布置，雙吊點固定卷揚式，容量為2×200kN。溢流堰為實用堰，堰頂高程373.55m。

泄洪輸水洞金屬結(jié)構(gòu)由泄洪輸水洞進口攔污柵、進口事故檢修閘門與啟閉機、出口閘閥和鑄鐵閘門與啟閉機等組成。攔污柵1孔，設(shè)在泄洪輸水洞進口，孔口尺寸3m×6m，分2節(jié)，采用臨時設(shè)備啟閉。在攔污柵后設(shè)1扇事故檢修閘門，潛孔式平面定輪鋼閘門，孔口尺寸為1.6m×2，啟閉機采用1×400kN固定卷揚配拉桿啟閉。泄洪輸水洞進口底坎高程356.95m，最大泄量為25.4m3/s。泄洪輸水洞出口為平板閘閥控制，閘閥直徑1.6m。閘閥后的尾水與電站尾水合在一起后，由8扇鑄鐵閘門進行配水運行。

自水庫建成以來未對金屬結(jié)構(gòu)更新改造，溢洪道閘門為大伙房水庫淘汰設(shè)備。根據(jù)安全鑒定結(jié)果，金屬結(jié)構(gòu)安全評價為C級，溢洪道弧形閘門啟閉不暢，面板厚度、主梁強度、支臂穩(wěn)定性均不滿足要求，泄洪輸水洞進口閘門銹蝕嚴重。

2.2 溢洪道金屬結(jié)構(gòu)

2.2.1 工作閘門及啟閉機

工作閘門及啟閉機大壩安全鑒定結(jié)論，應(yīng)報廢并重新設(shè)計閘門和啟閉機。根據(jù)溢洪道現(xiàn)場情況，為減少工程量、縮短改建工期、節(jié)省投資，仍采用弧形鋼閘門。原牛腿位置高于校核水位時泄流水面線，故支鉸軸心位置不變，弧門曲率半徑為10m。閘門底坎高程373.55m不變，支鉸高程375.55m，閘門最高擋水位377.95m，孔口尺寸10.4×4.9m(設(shè)0.5m超高)。閘門動水啟閉，為使閘門運行靈活，止水良好，門槽更換新構(gòu)件，采用不銹鋼止水座板[8]。

除險加固設(shè)計中，原閘門啟閉機室位置不變，因此閘門啟閉設(shè)備仍采用前拉式弧門啟閉機，即1臺固定卷揚式弧門啟閉機，容量為2×200kN，揚程9m。

2.2.2 檢修閘門

根據(jù)水庫多年的運行資料，每年有25-30d水位低于閘門底坎高程，這些時間可以滿足弧門檢修要求，故不設(shè)檢修閘門。

2.2.3 防冰設(shè)備

弧形閘門在冬季仍擋水，由于閘門不得承受冰壓力，因此在閘門前采用防冰設(shè)施，設(shè)2臺2吋潛水泵及管路設(shè)備，潛水泵1用1備。在結(jié)冰季節(jié)，將設(shè)備安裝在弧門前的水中，根據(jù)天氣情況，間斷運行潛水泵，使閘門前形成一條不結(jié)冰的水帶，冰壓力不能傳到閘門上，使閘門冬季運行安全可靠。在非結(jié)冰季節(jié)，將防冰設(shè)備拆除并妥善保管，為下一年冬季使用。

2.3 泄洪輸水洞金屬結(jié)構(gòu)

2.3.1 進口攔污柵

自水庫建成以來，攔污柵一直未進行檢查和檢修，據(jù)水庫管理人員反映，泄洪輸水洞內(nèi)發(fā)現(xiàn)落石，估計攔污柵可能被山坡落石砸斷。攔污柵運行已達30a，達到折舊年限，應(yīng)重新設(shè)計，進行更換。本次設(shè)計攔污柵1孔，設(shè)計水頭差4m，孔口尺寸為3×6m，為安裝方便，分為2節(jié)。為方便施工，利用原柵槽。但由于原槽尺寸較小，需將橫梁設(shè)計成中間高的變截面橫梁，以滿足應(yīng)力要求。2節(jié)柵體共重4.2t，啟閉方式仍按原來的臨時方法。

拆除攔污柵和安裝新攔污柵時，應(yīng)有潛水員配合，并清除底部地堆積物，附近山體也應(yīng)采取錨固措施，防止石塊滾落到攔污柵孔口處。

2.3.2 進口事故檢修閘門

1)根據(jù)大壩安全鑒定，原進口事故檢修閘門及啟閉系統(tǒng)報廢，重新設(shè)計閘門。設(shè)計水位377.95m，底坎高程356.95m，設(shè)計水頭21m。因原門槽在水下較深，施工困難，故原閘門門槽不變。原門槽無竣工圖紙，應(yīng)對現(xiàn)有閘門外緣尺寸進行測繪，確保閘門安裝、啟閉順利。新閘門利用水柱下門。因閘門尺寸小、重量輕，一旦卡阻就不易關(guān)閉閘門，為此設(shè)計考慮門上增加1t加重鐵，使下門順利。

2)泄洪輸水洞出口有平板閘閥和電站，在下游用水或發(fā)電時，進口閘門都是全開的。實際運行中，進口閘門大多時間是開的。電站不要求進口閘門快速關(guān)閉。因此，除險加固設(shè)計的進口閘門在開啟時，閘門起升到檢修室內(nèi)鎖定，取消多節(jié)拉桿，這樣閘門維修方便，動滑輪組也避免經(jīng)常泡在水中，增加使用壽命。

3)取消拉桿，需要高揚程啟閉機。設(shè)計中考慮用63t固定卷揚式啟閉機(揚程16m、滑輪倍率6)進行改裝，將滑輪倍率6改為4，使揚程達到24m，啟門力為42t，滿足啟閉機揚程22m，40t啟門力的要求。因原門槽胸墻較高，故設(shè)1節(jié)2m長地拉桿解決動滑輪組與胸墻相碰問題。

4)事故檢修閘門應(yīng)是動水關(guān)閉，靜水啟門。因為此閘門較小，40t啟門力就可以實現(xiàn)動水啟閉，故不需要設(shè)充水裝置，同時此閘門還可起到工作閘門的作用。

2.3.3 出口閘閥

泄洪輸水洞出口閘閥為平板閘閥，直徑1.6m，電機功率10kw。1982年水庫曾對泄洪輸水洞出口閘閥進行了檢修，本次除險加固對閘閥進行檢修并做防腐處理。

2.3.4 尾水鑄鐵閘門

電站尾水經(jīng)3扇出口閘門后，入泄洪輸水洞尾渠，尾渠上設(shè)有3扇節(jié)制閘門控制水位，灌溉進水閘門2扇控制灌溉用水量。原均采用混凝土閘門，經(jīng)過多年運行，損壞嚴重、操作不靈活、漏水量大，為確保運行良好，安全可靠、運行管理方便，采用抗腐蝕的鑄鐵閘門，配上手、電兩用的螺桿啟閉機，各部位配置情況見表1。

表1 尾水鑄鐵閘門配置表

2.4 電氣設(shè)備

2.4.1 運行現(xiàn)狀

水庫原變壓器為50kVA，容量不足，欲增容為100KVA變壓器1臺，變壓器10/0.4kV電壓等級。原380V/220V系統(tǒng)輸電線路部分絕緣線皮已經(jīng)龜裂，有的電桿還是木桿，急需改造。

水庫壩頂燈具，有的燈泡損壞，有的燈桿掉漆、銹蝕，導(dǎo)線明敷，既不美觀也不安全。溢洪道、泄洪輸水洞啟閉機設(shè)備老化陳舊，技術(shù)性能落后；電機、電源線絕緣嚴重老化，接法不規(guī)范；有的配電柜無側(cè)板，電器設(shè)備裸露，存在安全隱患；沒有荷重過載保護。水庫溢洪道和泄洪輸水洞啟閉機沒有備用電源，不符合規(guī)范要求。各配電柜均沒有安裝過電壓保護裝置，不符合規(guī)范要求。

總之，經(jīng)過多年的運行，現(xiàn)有電氣設(shè)備出現(xiàn)不同程度的老化，加之當(dāng)時施工條件、技術(shù)水平、設(shè)計標準等限制存在許多缺陷和不足，總體存在著一定的不安全因素以及影響設(shè)施正常運行和發(fā)揮效率的諸多問題，需要更新改造。

2.4.2 電氣改造任務(wù)

10kV輸電線路改造，線路長2.5km。新增變壓器S10-M-100/10一臺，原有的50kVA變壓器淘汰；主變以下的供電線路改造，低壓電桿41根，線路3.0km。配合溢洪道、泄洪輸水洞金屬結(jié)構(gòu)的更新，溢洪道、泄洪輸水洞的電氣設(shè)備也全部更新；溢洪道、泄洪輸水洞進出口閘門啟閉機采用常規(guī)控制；土壩、溢洪道、泄洪輸水洞進出口的照明，及設(shè)備的防雷、接地；增設(shè)溢洪道照明啟閉機的備用電源。

2.4.3 電氣設(shè)備布置

在辦公用房內(nèi)設(shè)低壓配電室、柴油發(fā)電機室。低壓配電室內(nèi)設(shè)置3面低壓配電盤呈一字排列，盤前操作距離≥1500mm，盤側(cè)維護通道寬度≥1200mm，盤后維護通道寬度≥1000mm。柴油發(fā)電機設(shè)在柴油發(fā)電機機房內(nèi)。柴油機端距墻距離≥1800mm，柴油發(fā)電機正面距門的距離≥1600mm。1個XL-21啟閉機配電箱設(shè)在溢洪道啟閉機室內(nèi)，2個XL-21啟閉機配電箱分別設(shè)在泄洪輸水洞進口啟閉機室、出口閘閥室內(nèi)。各啟閉機配電箱布置在對應(yīng)的啟閉機房內(nèi)。閘門開度傳感器、荷重傳感器安裝在啟閉機上，在啟閉機房內(nèi)采用穿鍍鋅鋼管方式敷設(shè)至啟閉機電控箱的動力和控制信號電纜，各啟閉機電控箱至啟閉機的電纜亦采用墻體內(nèi)穿鍍鋅鋼管敷設(shè)。戶外電纜采用架空、直埋、穿管或橋板下吊架等方式敷設(shè)[9]。

4 結(jié) 論

金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備對水電站效益的發(fā)揮、事故保護及安全運行發(fā)揮著不可替代的作用，對其其布置方案、技術(shù)參數(shù)、結(jié)構(gòu)型式和規(guī)模是否科學(xué)應(yīng)引起高度重視。充分考慮工程自身特點的紅升水庫金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計，其布置方案、選材、設(shè)備選型和設(shè)計原則等均符合現(xiàn)行規(guī)范要求，為滿足工程運行要求考慮了金屬結(jié)構(gòu)投入運行的檢修和維護條件，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，且能夠在一定程度上節(jié)省工程投資。