册田水库工程金属结构更新改造设计

马银珍

（水利部山西水利水电勘测设计研究院，太原 030024）

1 问题的提出

水工金属结构是水工建筑物的重要组成部分之一，其运行是否正常直接影响水工建筑物的正常运行，若其中某一部件结构布置和选型不合理，势必造成闸门漏水、或操作不方便、抑或运行不灵活，从而导致水头和水量的损失，造成经济损失、影响维修工作的正常进行、甚至引起闸门振动和威胁下游人群生命和财产安全。因此，为了水库金属结构的正常运行和建筑物的安全，合理布置水工金属结构和合理进行闸门各部件的选型与布置在水工金属结构设计中至关重要。

2 水库金属结构布置

册田水库金属结构部分包括正常溢洪道弧形工作闸门和叠梁检修闸门、北干渠放水洞平板工作闸门、大同引水放水闸平板工作闸门、阳源灌渠放水闸平板工作闸门、放水闸叠梁检修闸门、非常溢洪道弧形工作闸门和叠梁检修闸门，以及与各闸门配套的门槽埋件和起吊设备。

3 金属结构存在问题及改造设计

根据册田水库工程金属结构实际存在问题进行更新改造设计。

3.1 正常溢洪道

原正常溢洪道弧形工作门共4孔，孔口尺寸为8.0m×6.0m，设计水头12.7m，动水启闭。各弧形闸门前均设叠梁检修门槽1孔，共用一套叠梁检修闸门，叠梁门的孔口尺寸为8.0m×9.6m，设计水头12.7m，静水启闭。

3.1.1 弧形工作闸门

1）存在问题及原因

闸门因年久失修锈蚀严重；由于止水橡皮老化、破损，漏水严重。

2）改造设计原闸门及与其配套的起吊设备运行基本正常，此次除险加固对该闸门和卷扬式启闭机进行防腐处理，闸门更换止水橡皮，卷扬机进行大修后，方可投入运行。

3.1.2 叠梁检修闸门

1）存在问题

根据现场查勘，册田水库正常溢洪道叠梁检修闸门实际存在以下问题：闸门严重锈蚀，止水效果很差，运行极不灵活，操作极为不便。

由于正常溢洪道叠梁检修闸门存在问题较多，为此，本次水库金属结构除险加固设计，重点就放在该闸门的更换设计上。

2）出现问题的原因

根据存在问题对闸门结构形式进行了分析，找出原设计方案的缺陷。有针对性地对该闸门进行了优化设计，新设计的闸门达到了预期的运行效果。

闸门门体：

①依据目前《水利水电工程钢闸门设计规范》的有效版本，对该闸门进行了结构计算，其主梁强度不满足规范要求。原叠梁闸门主梁所有钢板厚度偏薄，又未设主梁上翼缘，经过对闸门主梁的强度、刚度和稳定性复核验算，其计算结果：主梁前翼缘正应力 σ1=298N/mm2＞［σ］（［σ］=160N/mm2），主梁后翼缘正应力σ2=327.2N/mm2＞［σ］，可见主梁强度不满足规范要求。

②因年久失修，受自然条件影响，闸门严重锈蚀；

③底止水和节间止水采用木材，止水效果很差。侧止水P头方向布置不合理，影响止水效果；

④闸门支承采用简支轮，已完全锈死，不能转动。

门槽埋件：

①门槽埋件变形严重；

②没有止水不锈钢板；

③门槽埋件锈蚀严重，水面以上部分有10m长的门槽未设埋件，水面以下情况尚不清楚；

④门体难以入槽，严重影响工作闸门的正常检修。

启吊方式：在每节叠梁两边梁外侧，各设置1个吊环，通过钢丝绳，完全由人工操作对闸门进行起吊。而且每节叠梁左右两侧都各配一套钢丝绳，该闸门共9节叠梁，所有叠梁入槽后，多根钢丝绳经常缠绕在一起（尤其在12.7m深的水下），操作极为不便。

堆放：该叠梁闸门未设门库，平时将9节叠梁全部锁定在各门槽上方，每孔门槽上至少堆放2节，使用该闸门时，由于操作空间太小，对本来就不方便的操作系统来说，更增加了操作难度。

3）改造设计

针对该闸门存在问题，为了更好地、彻底地从根本上解决闸门漏水问题，设计方案定为将叠梁门、门槽埋件及启闭机全部拆除，进行更新设计。

改造后的检修叠梁门共分7节，增加了主梁上翼缘，选取合理的钢板厚度，增大了主梁截面面积。经计算其主梁强度、刚度均满足规范要求。计算结果见表1。

表1 正常溢洪道新叠梁门主梁受力计算结果

该闸门每节叠梁均由门体、主滑块、侧滑块、反向滑块、封水及吊耳等构件组成。门体由面板、两根主梁、边梁及隔板拼焊而成。所有封水均采用P型橡皮，侧止水改变了P头方向，闸门封水跨度为8.16m，底止水和节间止水改用P型橡皮，可大大改善了叠梁闸门的止水效果。支承采用自润滑滑块，支承跨度为8.41m，利用该支承形式可减小支承摩阻力。闸门门体和门槽埋件材料均采用Q235B钢。

门槽埋件由主轨、反轨、门楣及底槛组成，各部分均为焊接钢结构。此次改造后的门槽埋件下游与闸门止水配合处，增加4mm不锈钢板，这不仅改善了止水效果，而且还起到保护橡皮的作用。该门槽宽度尺寸比叠梁门自然厚度总尺寸小2mm，这样进行改进后，不仅解决了本闸门止水问题，而且改善了一般叠梁闸门漏水量大的缺点。

启闭设备：在每节叠梁顶端设置两个吊耳结构，采用双吊点起吊，吊点距5.5m。选用2×100kN移动式电动葫芦通过新增设的自动抓梁配合起吊，可灵活自如地在水下下放和提升叠梁门。增设自动抓梁，主要解决了操作不方便的问题。

原电动葫芦悬挂在混凝土L梁上，因为增加了自动抓梁，原排架高度不满足改造后的运行要求，为施工和安装方便，将混凝土L梁改造为门型钢梁。

堆放：由于现行环境条件所限，无法增建叠梁门库，只能将门型钢梁向左右两个方向各增加1孔，因而增大了操作空间，极大地改善了闸门使用过程中的操作性。对此建议：叠梁闸门设计中，在条件允许的情况下，考虑设置门库，不仅美观而且操作方便。

3.2 放水闸

册田水库放水闸包括北干渠放水洞平板工作闸门1孔、大同引水放水闸平板工作闸门2孔与阳源灌渠放水闸平板工作闸门1孔。各放水闸工作门孔口尺寸和设计水头完全相同，孔口尺寸3.0m×2.0m（宽×高），设计水头12.0m，动水启闭。这4孔工作闸门前各设1孔检修门槽，共用1套叠梁检修闸门（共4节），其孔口尺寸为3.0m×2.8m，设计水头均为13.5m，静水启闭。

3.2.1 放水闸工作闸门

1）存在问题及原因

原放水闸工作闸门为钢丝网混凝土闸门，顶、侧橡皮止水设置在门槽埋件上，闸门门体上未设置止水不锈钢板，在起吊和下放闸门过程中，止水与门体粗糙的混凝土表面直接摩擦，对橡皮磨损严重，甚至可将橡皮撕裂，严重影响止水效果，而且底止水设置在闸门上，为此顶、侧、底止水没有形成封闭形式，由此可见，漏水严重现象势必出现。另外更换门槽止水很困难，而且本混凝土闸门结构很笨重，本次改造将对此闸门及门槽埋件进行重新设计与更换。

2）改造设计

本次放水闸改造设计，首先考虑将止水设在闸门上，且使顶、侧、底止水橡皮接合面牢固粘接在一起，以形成封闭形式，改善止水效果。

改造后的放水闸工作闸门均为滑动式平板钢闸门，闸门由门体、支承滑块、侧滑块、反向滑块、封水及吊耳等构件组成。门体由面板、主梁、次梁、边梁及隔板拼焊而成。上游止水，顶、侧封水采用P型橡皮、底封水采用条型橡皮止水，闸门封水跨度为2.98m，支承跨度为3.44m。该闸门为双吊点起吊，吊点距2.6m。支承滑块采用自润滑滑块。

门槽埋件由主轨、反轨、门楣及底槛组成，各部分均为焊接钢结构。门楣埋件与上游埋件上焊接不锈钢板，以保证顶、侧止水效果和对橡皮的保护。由于钢闸门比混凝土闸门结构紧凑，厚度尺寸减小，此次改造后的门槽比原有门槽尺寸相应减小。

启闭设备：原有启闭机还可正常运行，本次改造延用原有2×250kN固定式卷扬机起吊，但应对该启闭机进行防腐处理和检修，保证闸门正常运行。

3.2.2 放水闸叠梁检修门

1）存在问题及原因

闸门锈蚀严重；由于止水橡皮老化、破损，漏水严重；与其配套的启闭设备已丢失。

2）改造设计

将原放水闸叠梁检修闸门进行防腐处理和更换止水橡皮后即可继续使用；新增加2台50kN手拉葫芦解决闸门起吊问题。

3.3 非常溢洪道

非常溢洪道设置6扇弧形工作闸门，孔口尺寸12.0m×9.6m（宽×高），设计水头10m，每扇弧形门前设1道检修叠梁门槽，6道门槽共用1套叠梁检修闸门，孔口尺寸12.0m×6.3 m（宽×高），设计水头10m。

1）存在问题及原因

闸门水封止水不严，漏水引起溢洪道泄槽底板产生冻融破坏，钢丝绳锈蚀严重，需要更换。

2）改造设计

非常溢洪道闸门（包括弧形工作闸门和叠梁检修闸门）运行时间较短，且门体质量好，可正常运行。但自1988年建成至今，运行20余年未进行过大修，本次改造，将弧形门与叠梁门进行防腐处理和更换橡皮，对卷扬式启闭机、移动式电动葫芦和移动式门型钢梁进行防腐处理和大修，更换卷扬机钢丝绳后，方可保证正常运行。

4 结语

册田水库经过除险加固后，设计情况下的泄流量可通过正常溢洪道安全下泄，校核情况下的泄流量可通过非常溢洪道安全下泄，确保大坝的稳定与安全，延长了水库运行期和使用寿命；使水库得以继续发挥作为山西水利骨干工程的作用，继续发挥城市工业供水、灌溉及防洪效益；提高了水库的防洪标准，消除了隐患，提高了水资源的利用率，解决北京地区社会经济发展中的水资源紧缺、水环境污染和生态失衡问题，确保21世纪初期首都水资源可持续利用；对保证山西省出境水量起到重要作用；还可开发本地区的养殖和旅游资源，将对本地区经济发展起到巨大的推动作用。