馬洪雁
(黔南州水利水電工程質(zhì)量安全技術(shù)中心,貴州 黔南 558000)
水利樞紐具有改善生態(tài)環(huán)境、推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展多項(xiàng)作用,水利樞紐中含多類金屬結(jié)構(gòu),合理的布置方式及優(yōu)化選型設(shè)計(jì)是保證金屬結(jié)構(gòu)有效應(yīng)用的重要前提。不同水利樞紐的實(shí)際環(huán)境和功能需求各異,金屬結(jié)構(gòu)的選型布置方法有其獨(dú)特性和專業(yè)性,易由于選型不合理、布置不到位、優(yōu)化設(shè)計(jì)不全面等原因引起功能失效的狀況[1]。為此,需圍繞布置方式及優(yōu)化選型設(shè)計(jì)進(jìn)行探討,掌握工作方法,科學(xué)設(shè)置水庫金屬結(jié)構(gòu)。
甲曬水庫位于三都縣三合鎮(zhèn)甲曬河上,主要任務(wù)是向縣城供水及下游農(nóng)田灌溉供水。是一座綜合利用的小(1)型水庫,總庫容為885 萬m3,樞紐的主體工程由擋水壩段、溢流壩段、取水口兼放空孔及其建筑物組成。擋水建筑物為C15 混凝土重力壩,最大壩高34m。溢流壩段位于大壩中部,總寬24m,溢流凈寬15m。堰頂高程431.00m,布置3 孔工作弧形鋼閘門,工作閘門前設(shè)有3 孔檢修閘門。
水庫金屬結(jié)構(gòu)主要包含泄洪建筑物、引水建筑物、施工導(dǎo)流建筑物3 處的閘門及啟閉設(shè)備。工程共設(shè)6套啟閉設(shè)備和8 套閘門,閥門4 套。其中,泄水系統(tǒng)包含溢洪道檢修與工作閘門等,引水系統(tǒng)包含進(jìn)口攔污柵、進(jìn)口事故閘門和出口工作閥等,施工導(dǎo)流系統(tǒng)以導(dǎo)流封堵閘門為主。
水庫的特征水位如表1 所示。
表1 水庫特征水位
溢洪道的檢修閘門和工作閘門屬于泄水系統(tǒng)的重要金屬結(jié)構(gòu),布置與優(yōu)化選型設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下。
3.1.1 溢洪道檢修閘門及啟閉機(jī)的布置與選型設(shè)計(jì)
根據(jù)水庫運(yùn)行要求,水庫庫水位需控制在正常高水位438.00m 處,大壩堰頂高程為431.00m,壩頂溢洪道上設(shè)工作弧形鋼閘門3 扇,為保證工作弧門有檢修條件,在工作弧門前設(shè)檢修閘門。檢修閘門孔口尺寸為5m×7.5m-7.2m(寬×高-設(shè)計(jì)水頭),為露頂式平面鋼閘門,底檻設(shè)在430.80m 高程處,設(shè)計(jì)水頭為7.2m,閘門設(shè)計(jì)超高0.3m,閘門高7.5m。門體總水壓力為1322kN,門葉及埋件采用Q235B 碳素結(jié)構(gòu)鋼,門重11.9t,埋件重約4.1t,防腐采用涂漆防銹。
由于閘門高度較高,若閘門設(shè)計(jì)為常規(guī)平面鋼閘門,閘門啟閉機(jī)室將會(huì)高出壩頂10 余米。為了降低啟閉機(jī)室高度、節(jié)省土建工程量、提升工程外形美觀度,將檢修閘門設(shè)計(jì)為平面直升疊梁式鋼閘門。閘門由3節(jié)結(jié)構(gòu)完全相同的疊梁門組成,每節(jié)均設(shè)有吊耳和定位槽,閘門平時(shí)分別鎖定在3 個(gè)孔口內(nèi),當(dāng)工作弧形鋼閘門需要檢修時(shí),根據(jù)庫水位的情況可使用一節(jié)、二節(jié)、三節(jié)疊梁門擋水,節(jié)間通過自動(dòng)抓梁操作。閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按最大荷載進(jìn)行計(jì)算,即按最下面一節(jié)疊梁門的水頭進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[2]。閘門面板布置在下游面,止水形式為下游止水,門體采用多橫梁式實(shí)腹梁格結(jié)構(gòu),行走支承為滑塊。檢修閘門工作條件為靜水啟閉,平壓方式采用節(jié)間充水,三孔檢修閘門共用一套閘門和一套移動(dòng)式平門卷揚(yáng)啟閉機(jī),啟閉機(jī)型號為QPT-2×100kN-14m。圖1 為溢洪道檢修閘門、工作弧門。
圖1 溢洪道檢修閘門、工作弧門(單位:m)
3.1.2 溢洪道工作弧門及啟閉機(jī)的布置與選型設(shè)計(jì)
本水庫壩頂溢洪道上設(shè)工作閘門3 扇,當(dāng)閘門需檢修時(shí)關(guān)閉上游檢修閘門后進(jìn)行,該閘門為露頂式弧形鋼閘門,主要功能是泄洪。溢洪道堰頂高程431.00m,弧門底檻設(shè)在溢洪道堰頂靠下游面的430.80m 處,根據(jù)水庫運(yùn)行調(diào)度方案,工作閘門平時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài),當(dāng)水位超過正常高水位438.00m 時(shí)閘門打開控制庫水位,設(shè)計(jì)水頭按正常高水位計(jì)算為7.2m,頂部考慮0.3m 超高,閘門高為7.5m 設(shè)計(jì)。溢洪道工作閘門孔口尺寸為5m×7.5m(寬×高),門體總水壓力為1340kN。門葉及埋件采用Q235B 碳素結(jié)構(gòu)鋼,門重17.6t,埋件重約1.6t,防腐采用涂漆防銹。
本閘門系溢洪道露頂式弧形鋼閘門,高寬比為7.5:5=1:0.67,由于閘門尺寸不大,采用雙主橫梁、斜支臂、圓柱鉸形式,支鉸高度4.5m,弧形面板曲率半徑9m。為增強(qiáng)門體剛度和整體性,采用實(shí)腹式齊平連接。
閘門工作條件為動(dòng)水啟閉,每扇閘門均采用一套型號規(guī)格為QHLY-2×250kN-4m 的露頂式弧形閘門液壓啟閉機(jī)操作控制,啟門力為2×250kN,最大行程4m,工作泵組油泵型號63SCY14-1B,電機(jī)功率為15kW,備用泵組油泵型號253SCY14-1B,電機(jī)功率為5.5kW,3套閘門共設(shè)置一套工作泵組和一套備用泵組,共用一間啟閉機(jī)泵房。該閘門平時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài),僅在水庫需要泄水時(shí)才開啟[3]。本閘門設(shè)置有水位監(jiān)測系統(tǒng)和閘門開度儀,便于自動(dòng)控制和監(jiān)測閘門的開度及運(yùn)行,有利于閘門的安全運(yùn)行與操作。由于該閘門為泄水系統(tǒng)工作閘門,為確保大壩的安全運(yùn)行,其啟閉機(jī)應(yīng)有可靠的不間斷電源,故設(shè)置有30kW 備用動(dòng)力柴油發(fā)電機(jī)組。
3.2.1 取水口攔污柵及啟閉機(jī)的布置與選型設(shè)計(jì)
為防止較大的污物、雜物進(jìn)入引水管后造成破壞和事故,以保證引水系統(tǒng)的正常運(yùn)行,在取水口事故閘門的上游設(shè)置攔污柵1 扇,孔口尺寸2m×1.6m(寬×高)。底檻高程423.00m,設(shè)計(jì)水頭為4m。攔污柵的型式為潛孔平面直立活動(dòng)式攔污柵,采用滑道支承,運(yùn)行方式為靜水啟閉。取水流量為0.84m3/s,過柵流速0.4m3/s,攔污柵的清污方式為人工提柵清污。將攔污柵的檢修及清污平臺(tái)設(shè)置在正常高水位以上1m 處。該攔污柵配1 套型號規(guī)格為CD50kN—8m 的電動(dòng)葫蘆啟吊,啟門容量為50kN,揚(yáng)程8m。攔污柵設(shè)置一套水位差儀,與事故閘門共用,同時(shí)滿足攔污柵和下游事故閘門的共同監(jiān)測要求,保證攔污柵和事故閘門的安全運(yùn)行。當(dāng)柵體上、下游水位差大于3m 時(shí),動(dòng)水關(guān)閉柵后的事故閘門,攔污柵靜水提門至檢修平臺(tái)進(jìn)行人工清污,清污完成后,靜水關(guān)閉攔污柵,事故閘門小開度提門平壓(提門高100mm),當(dāng)事故閘門上下游水位差小于3m 時(shí),靜水將事故閘門提出孔口鎖定在檢修平臺(tái)上[4]。
3.2.2 進(jìn)口事故閘門的布置與選型設(shè)計(jì)
大壩取水口進(jìn)口事故閘門設(shè)置于攔污柵的下游,該閘門孔口尺寸為1.2m×1.2m(寬×高),底板高程423.00m,設(shè)計(jì)水頭17.5m,閘門為潛孔式平面定輪鋼閘門,門體采用多橫梁式實(shí)腹梁格結(jié)構(gòu),行走支承為滾輪行走裝置。面板和止水設(shè)在下游側(cè),底止水向上游上移300mm,門體利用水重閉門,事故閘門工作條件為動(dòng)閉靜啟,采用小開度提門平壓。在緊靠閘門下游的孔口頂部設(shè)置1 個(gè)直徑為0.3m 的通氣孔,并在通氣孔上方設(shè)置防護(hù)設(shè)施。
該閘門啟閉設(shè)備選用啟閉機(jī)為QPQ-160kN-19m,單吊點(diǎn)啟吊閘門。閘門的檢修、更換可在檢修平臺(tái)441.0m 上進(jìn)行。閘門平時(shí)鎖定在檢修平臺(tái)上,當(dāng)工作閥門或管道需要檢修時(shí),事故閘門動(dòng)水閉門,待工作閥門或管道完成檢修后。事故門小開度提門充水平壓,當(dāng)閘門上、下游水位差小于3m 時(shí),將事故閘門提出孔口鎖定在檢修平臺(tái)上。
3.2.3 大壩取水閥門的布置與選型設(shè)計(jì)
根據(jù)樞紐布置在取水出口?1000mm 主管上設(shè)三根岔管,?700mm 供水管、?250mm 灌溉管和?400mm生態(tài)放水管,均采用閥門進(jìn)行控制。主管上設(shè)?1000mm閥門供水庫放空用。
(1)放空管工作閥門。
在大壩放空管口上設(shè)置有一套工作閥門,工作閥選用SD943H-10C 電動(dòng)蝶閥,公稱通徑為?1000mm,閘閥中心高程423.60m,最大設(shè)計(jì)水頭為17m,公稱壓力為0.6MPa,蝶閥的運(yùn)行方式為動(dòng)水啟閉,操作方式為電動(dòng),該蝶閥在水庫需要放空時(shí)開啟放水,檢修時(shí)關(guān)閉大壩取水口進(jìn)口事故閘門即可。為便于蝶閥的安裝、拆卸及檢修等,在蝶閥前設(shè)置1 套法蘭式管道伸縮節(jié)。
(2)供水管工作閥門。
在供水管上設(shè)工作閥門一套,閥門選用SD943H-10C 電動(dòng)蝶閥,公稱通徑為?700mm,蝶閥中心高程423.60m,最大設(shè)計(jì)水頭為17m,公稱壓力為0.6MPa。蝶閥的運(yùn)行方式為動(dòng)水啟閉,操作方式為電動(dòng)。該工作蝶閥在下游需要取水時(shí)開啟放水,檢修時(shí)關(guān)閉取水口進(jìn)口事故閘門即可。為便于蝶閥的安裝、拆卸及檢修等,在蝶閥前設(shè)置1 套法蘭式管道伸縮節(jié)。
(3)灌溉管工作閥門。
在灌溉管上設(shè)工作閥門一套,閥門選用SD943H-10C 電動(dòng)蝶閥,公稱通徑為?250mm,閘閥中心高程423.60m,最大設(shè)計(jì)水頭為17m,公稱壓力為0.6MPa。蝶閥的運(yùn)行方式為動(dòng)水啟閉,操作方式為電動(dòng)。該工作蝶閥在下游需要灌溉用水時(shí)開啟放水,檢修時(shí)關(guān)閉取水口進(jìn)口事故閘門即可。為便于蝶閥的安裝、拆卸及檢修等,在蝶閥前設(shè)置1 套法蘭式管道伸縮節(jié)。
(4)生態(tài)放水管工作閥門。
在生態(tài)放水管上設(shè)工作閥門一套,選用SD943H-10C 電動(dòng)蝶閥,公稱通徑為?400mm,蝶閥中心高程423.60m,最大設(shè)計(jì)水頭為17m,公稱壓力為0.6MPa。生態(tài)放水管工作閥門配流量計(jì)一套,以監(jiān)測下放生態(tài)水的流量。蝶閥的運(yùn)行方式為動(dòng)水啟閉,操作方式為電動(dòng)。該工作蝶閥在下游需要放生態(tài)水時(shí)開啟放水,檢修時(shí)關(guān)閉取水口進(jìn)口事故閘門即可。為便于蝶閥的安裝、拆卸及檢修等,在蝶閥前設(shè)置1 套法蘭式管道伸縮節(jié)。圖2 為大壩取水閥門。
圖2 大壩取水閥門(單位:mm)
導(dǎo)流任務(wù)結(jié)束后需及時(shí)對導(dǎo)流洞進(jìn)行封堵,在施工導(dǎo)流洞進(jìn)口處設(shè)平面疊梁鋼閘門2 孔2 扇,門體分二段制作,底檻高程為415.00m,孔口尺寸2m×5.2m(寬×高),跟據(jù)施工組織設(shè)計(jì)閘門下閘在2~3 月,按5年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),閘前擋水水位為425.00m,設(shè)計(jì)水頭取10m。啟閉設(shè)備利用攔污柵的電動(dòng)葫蘆或臨時(shí)啟閉設(shè)施啟閉門體。
閘門高寬比為2.6,設(shè)計(jì)將此門設(shè)為疊梁閘門,閘門分2 節(jié)組成,閘門出廠前試拼裝復(fù)核后,按圖示位置點(diǎn)焊卡板,在工地拼焊就位且符合上述要求后將卡板鏟除,把門葉焊成整體。由于施工導(dǎo)流洞進(jìn)口閘門為臨時(shí)工程,門體下閘后立即進(jìn)行混凝土封堵,該閘門為一次性使用下閘后不再啟用。設(shè)計(jì)優(yōu)化在閘門進(jìn)口處分為二孔并將此門設(shè)計(jì)為疊梁閘門,減小了閘門尺寸,降低工程造價(jià)和施工難度。圖3 為施工導(dǎo)流洞進(jìn)口閘門門槽結(jié)構(gòu)布置。
圖3 施工導(dǎo)流洞進(jìn)口閘門門槽結(jié)構(gòu)布置(單位:mm)
綜上所述,在本文提及的工程中,水庫金屬結(jié)構(gòu)包含閘門、攔污柵、閥門等,經(jīng)過周全的考慮后,開展水庫金屬結(jié)構(gòu)的布置及優(yōu)化選型設(shè)計(jì)工作,根據(jù)各金屬結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和功能要求協(xié)調(diào)布設(shè)位置。結(jié)果表明,金屬結(jié)構(gòu)的型式和位置均合理,穩(wěn)定可靠;根據(jù)不同金屬結(jié)構(gòu)適配合適規(guī)格的啟閉機(jī),有效滿足水庫的正常運(yùn)行要求,金屬結(jié)構(gòu)選型、布置均符合相關(guān)規(guī)范,水庫建成后運(yùn)行效果與預(yù)期一致,設(shè)計(jì)方案具有可行性[5]。得益于水庫各類金屬結(jié)構(gòu)的有效使用,水資源的開發(fā)效率高,資源合理化利用所創(chuàng)造的生態(tài)環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著,工程效果值得肯定。