横泉水库金属结构优化设计

原玉英

（山西省水利水电勘测设计研究院 太原 030024）

1 问题的提出

水工建筑物的总体布置设计是水库设计成败的关键，也是设计水平的集中体现。而金属结构的选型、布置设计直接影响工程总体布置设计。横泉水库工程金属结构设备的布置本着经济性、实用性和美观性相结合的宗旨，反映到工程建设中就是工期短、成本控制严格、有效的利用资源、最大限度地发挥设备的作用。因此，提高了对设计的要求和难度。在这一前提下，紧密结合工程实际情况，严格遵守规程、规范，大胆地对金属结构整体布置、设备选型进行了优化设计，在满足使用功能的前提下，使得金属结构选型合理、布置新颖、结构紧凑、协调、节省投资，加速了整个工程进度，有效地改善了相关水工建筑物的总体布置，增加了工程的总体美观性和使用效果。

2 工程任务及主要建筑物

横泉水库枢纽工程位于山西省吕梁地区三川河支流，北川河干流上的方山县班庄村与横泉村之间，是一座以城市生活、工业供水、农业灌溉为主，并兼顾防洪、发电等综合利用的中型水利枢纽工程。水库控制流域面积800km2，总库容0.81亿m3。该工程包括大坝、泄洪系统、供水发电系统、水电站及灌区几大部分，金属结构设备分别布置在这几部分建筑物的相关部位。

3 金属结构布置与设计

3.1 泄洪洞金属结构布置

泄洪建筑物布置在大坝右侧，泄洪闸主要承担着枢纽泄洪、控制水流的任务，沿水流方向依次设有事故检修闸门和工作闸门。

3.1.1 事故检修闸门

事故检修闸门设置在泄洪洞进口，其运行工况是：当洞身或工作门出现事故时，动水闭门；正常检修时静水闭门。该闸门为定轮式平板钢闸门，孔口尺寸 8.0m×8.0m，设计水头 27m，闸底高程1107.0m，检修平台高程 1138.00m。总体布置由闸门、门槽、拉杆和启闭机四部分组成。闸门在启门前由设在门叶顶部的充水阀充水平压，待上、下游水位差小于3m后，利用2×1600kN的固定式卷扬机通过拉杆静水启门。启闭机安装在高程为1153.00 m的机房内。为满足运输要求，闸门沿高度方向分成两节制造，在工地现场拼焊成整体。

3.1.2 工作闸门

由于弧形闸门无门槽，水流条件好，而且具有启门力小、闸门局部开启运行安全可靠的优点，因此泄洪洞出口工作闸门选用弧形闸门，孔口尺寸6.6m×6.6m，设计水头30.46m，闸底高程1103.54m。闸门为动水启闭。

该闸门选用2×800kN的固定式卷扬机起吊。经闭门力计算，闸门靠自重难以落到闸底，以截断水流，封闭孔口，为此，在门叶下主梁腹板上增加35t铸铁块，以增加闸门重量，克服闸门下降时的摩擦阻力，使其顺利关闭到底槛。考虑运输尺寸限制，闸门分门叶、支臂(在裤衩处分段)和支铰几部分，分件运往工地后现场拼焊、组装。闸门检修和维护在孔口内进行。

3.2 供水发电洞金属结构布置

本工程建设中，重点对供水发电洞金属结构布置和选型进行了优化设计，其主要特点如下：

（1）重叠布置、分层取水。供水发电洞是一条多功能隧洞，同时担负着施工导流、供水发电、千年一遇洪水位时参与泄洪等多项任务。如何既解决施工导流问题，又满足不同水位下引取表层清水及校核情况下参与泄洪的要求，是设计中的一大技术难题。经多方案比较论证，采用了先进的分层取水技术，即进水塔塔筒采用三侧封闭槽形钢筋混凝土结构，根据水库多功能的要求，设上部开敞式泄洪取水口、下部取水口,上、下取水口之间设胸墙、底部施工导流孔口以及通长的拦污栅槽。各孔口作用如下：1）上部取水口采用开敞式叠梁门挡水，主要目的为取水兼千年一遇泄洪；2）当水位降低到上部泄洪取水口不能满足供水要求时，采用下部取水口取水（设平板钢闸门）；3）底部施工导流孔口（孔口尺寸3.9m×3.9m）用于施工期导流，施工完毕后采用混凝土封堵。该项设计技术的应用既成功地解决了施工导流问题，又满足了不同水头下引取表层清水、校核情况下参与泄洪的运行要求，同时解决了多功能隧洞调度运用的技术难题。

（2）共用门槽。由于地形条件所限，布置叠梁门的存放门库成为问题，该工程设计中采用了借用门槽堆放的方式成功解决了这一问题的同时节省了工程投资。当上部取水口水位降低不需要所有叠梁门挡水时，非工作叠梁门可借用下部取水口门槽存放在下部取水口闸门顶部。当水位降至上部取水口叠梁门槽底高程以下时，将叠梁门放回自己的门槽内，再打开下部取水口闸门取水。

（3）共用拦污栅。依据取水口布置要求，在供水发电洞进口上、下部取水口闸门前面设平面直立露顶式拦污栅（分节制造），该拦污栅可以在任何水位情况下工作。当水位高于上部取水口叠梁门底槛时，拦污栅位于上部取水口拦污，将其最上节的锁定装置抬起固定放置在锁定槽内，使拦污栅吊起来工作。当水位低于上部取水口叠梁门底槛时，将锁定装置收回，拦污栅放到其底槛上工作。这一结构布置的优化，降低了拦污栅的高度。

（4）共用起吊设备。拦污栅、上部取水口叠梁闸门、下部取水口平板闸门与供水发电洞进口平板事故闸门全部集中布置在供水发电洞进水塔内，如果每扇闸门（或拦污栅）各选用一台启吊设备，势必增大塔体面积，同时增大启闭机室面积，导致塔体自重加大，塔体承重结构布置困难，而且增加投资，延长工期。设计中结合水工建筑物总体布置情况，选用了拦污栅、上部取水口叠梁闸门及下部取水口平板闸门共用一台 2×250kN的台车式启闭机配合自动抓梁起吊的布置方案。

3.2.1 拦污栅

组合结构或构件火灾(高温)后抗震性能的研究已有丰富的成果[7-10]，由于钢管再生混凝土研究起步晚，对其高温后的性能研究目前还较少。杨有福等[11]通过试验和数值方法，提出了高温后钢管再生混凝土轴压短柱的应力-应变关系模型和强度计算公式。查晓雄等[12]基于平均温度场理论，推导出高温下钢管再生混凝土柱承载力计算式。王兵等[13]采用有限元方法，研究不同温度、取代率作用下方钢管再生混凝土柱的荷载-应变全过程曲线，深入分析了高温后轴压承载力折减系数的影响规律。陈宗平等[14,15]对高温后方钢管再生混凝土柱轴压和偏压性能进行试验研究，建立了剩余承载力计算理论。

拦污栅孔口净宽4 m，设计水位差为3m，底高程 1140.00 m，检修平台高程 1138.00 m，静水启闭。栅条截面尺寸 8mm×80mm,栅条间距 80mm。根据运输和降低塔体高度的要求，将拦污栅沿栅叶高度方向分为5节，每节高2.5m，总高12.5m。节间用连接板配合螺栓连接。将拦污栅整扇栅叶提至1138.0m高程检修平台上，逐节拆卸后，进行人工清污和检修工作。

3.2.2 上部取水口叠梁门

根据供水及泄洪要求，为适应不同水头下取表面清水，进水塔上部取水口设置开敞式叠梁闸门，随着库水位升降调节叠梁门挡水高度。闸门孔口净宽4m，设计水头11.55 m，底槛高程1123.5m，检修平台高程1138.00m，静水启闭。该闸门共分7节，每节1.5m，闸门总高10.5m。每节叠梁之间上下要求能互换方便使用。

3.2.3 下部取水口闸门

当库水位降低至1123.5m高程以下，上部取水口不能满足供水要求，则采用下部取水口取水，该取水口设置潜孔式滑动平板钢闸门，其孔口尺寸4.0m×2.0m，设计水头20m，操作水头9.5m，静水启闭。闸底高程1114.00m，检修平台高程1138.00m。

3.2.4 进口事故检修闸门

电站进口事故闸门布置在拦污栅下游，弧形工作闸门上游。当门后的流道、弧门或机组出现事故时，闸门靠自重和铸铁配重动水下门关闭孔口，防止事故扩大，以便事故处理；在导水机构或隧洞需要检修时，静水闭门提供检修条件。机组发电时闸门与数节拉杆连接在一起锁定在孔口上方，以减少拉杆穿轴所需的时间，使事故闸门对其下游设施的保护功能得到加强。

该闸门为定轮式平板闸门,其孔口尺寸 3.4m×3.4m，设计水头26.93m，下游止水底高程1107.17m，检修平台高程 1138.00m。事故检修门后设 0.5m×0.8m的通气孔。闸门利用设在门叶顶部的充水阀充水平压后经800kN的固定式卷扬机配合拉杆静水启门。事故门采用长拉杆方案，连接闸门至坝顶，以避免台车动滑轮组和钢丝绳长期浸泡在水中影响使用寿命以及淤积物影响滑轮组正常工作。

3.2.5 出口弧形工作闸门

供水发电洞出口设潜孔式弧形工作闸门，孔口尺寸 2.8m×2.8m，设计水头 29.54m，闸底高程1104.46m。门体采用双主横梁，直支臂形式，弧形面板曲率半径为 6.0m，支铰位置选在离底槛以上4.5m处。面板布置在迎水面，在门叶和门楣上各设一道P型止水橡皮。选用630kN的固定式卷扬机动水启门，利用自重和配重（23t铸铁块）动水闭门。

闸门支铰采用常规较成熟的圆柱铰，支铰轴套为自润滑材料，支臂与铰链均采用高强度螺栓连接。弧形闸门的检修和维护在孔口内进行。

3.3 水电站金属结构布置

水电站位于大坝下游，采用钢管自供水发电洞引水，利用灌溉及工业用水进行发电，该电站为坝后引水式电站。根据站址地形条件，本电站机组采用一字形布置。水轮发电机组为卧式安装，电站厂房由主、副厂房组成，电站内设三台机组，单机容量160kW，总装机容量480kW。

3.3.1 尾水检修门

为了便于水轮发电机组的维修，3台机组下游尾水出口处各设一孔检修门槽，共设一扇检修闸门，以满足在不同时间内对3台水轮发电机组进行维修，实现一门多用，最大限度地发挥所配置闸门的功效。该闸门采用露顶式滑动平板钢闸门，孔口尺寸 2.15m×1.5m，设计水头 1.15m，闸底高程1104.85m，检修平台高程 1107.4m。闸门为动启静闭，选用1台2×20kN的移动式电动葫芦起吊。平时闸门锁定在孔口上部平台上。

3.3.2 消力池控制闸门

水轮机正常发电时，为防止水流倒灌需设一道消力池控制闸门，该闸门采用露顶式滑动平板钢闸门，孔口尺寸 2.0m×2.0m，设计水头 1.3m，闸底高程1104.7m，检修平台高程1106.9m，动启静闭。选用 50kN的固定式手电两用螺杆机起吊。螺杆机要求手摇机构能够自锁和外部防护罩带锁。

3.4 灌区工程

灌区工程中的所有闸门均采用铸铁闸门，起吊设备均采用手动螺杆机。螺杆机要求手摇机构能够自锁和外部防护罩带锁。

4 结语

横泉水库工程采用重叠布置、分层取水、共用门槽、共用拦污栅及共用起吊设备等优化设计方案，不但成功地解决了多功能隧洞调度运用技术的难题，而且最大限度地发挥所配置设备的功效，有效地减少了工程投资，该项技术属省内首创，国内也罕见。为以后同类水电站工程提供了设计经验和不断优化设计的基础。

本工程于2004年开工建设，2007年12月经过竣工验收合格后，2008年1月蓄水正式投运。经过三年多的运行和几个汛期的考验，在各种不同条件下运行情况一切良好。该项目的优化设计把工程的经济性、技术先进性、操作安全可靠性、运行简便性、维护方便性和观赏性有机地结合在一起，取得了较好的社会效益和经济效益。