石河水库除险加固工程金属结构设计

张延忠，朱建和，刘燕强

(河北省水利水电第二勘测设计研究院，河北　石家庄　050021)

石河水库除险加固工程金属结构设计

张延忠，朱建和，刘燕强

(河北省水利水电第二勘测设计研究院，河北石家庄050021)

摘要：水库金属结构设备针对不同的建筑物应采取不同的布置型式。结合石河水库除险加固工程金属结构设计过程，对其布置形式进行了详细介绍，其设计满足了水库蓄水和安全运用的要求。图2幅。

关键词：水库；除险加固；金属结构；设计

1工程概况

石河水库位于河北省秦皇岛市山海关西北约6 km的石河上，是1座以城市生活、工农业供水为主，同时兼顾防洪、发电、养殖、旅游等综合利用的中型水利枢纽工程。枢纽工程由大坝(溢流坝和非溢流坝)、泄水洞、输水洞、发电洞和电站等建筑物组成。工程于1972年动工兴建，1975年竣工投入运用。

石河水库原金属结构设备包括：溢流坝段9扇升卧式平板钢闸门，闸门尺寸(宽×高)8 m×10.2 m，启闭机为固定卷扬BTQ—2×40 t；泄水洞进口1扇2.0 m×2.5 m平板检修钢闸门，出口设2 m×1.5 m(宽×高)弧形钢闸门1扇，配WL—32/25电动螺杆启闭机；输水洞进口1扇2.5 m×3.0 m平板检修钢闸门，配QPQ—2×16 t固定卷扬启闭机，出口设2 m×1.5 m(宽×高)弧形钢闸门1扇，配WL—32/25电动螺杆启闭机；发电洞进口1扇2.5 m×3.0 m检修钢闸门，闸门后设有1扇拦污栅。

根据水库大坝安全鉴定报告，石河水库闸门和启闭机已运行33 a，均已大大超过使用折旧年限。泄水洞和输水洞进口现为检修闸门，不符合现行规范要求，应更新为事故闸门。溢流坝闸门门叶材料为A3F，根据当地气温条件，不符合现行规范要求。本次水库除险加固金属结构设计内容为：拆除更新溢流坝工作闸门和启闭机，增加检修闸门及启闭机。将泄水洞和输水洞进口检修闸门更新为事故闸门，更换启闭机；更换发电洞进口拦污栅和检修闸门及启闭机。由于大坝下游贴坡加固，泄水洞和输水洞出口工作闸门及启闭机也要拆除更新。

2012—2015年对水库主要建筑物进行了除险加固，现金属结构设备均已安装并投入运行，设备运行良好。

2溢流坝金属结构设计

溢流坝金属结构设备改造内容为拆除更新溢流坝工作闸门及其启闭设备；增加检修闸门及启闭设备；改造后溢流坝设9扇工作闸门和1扇检修闸门。

2.1溢流坝工作闸门及启闭机

溢流坝工作闸门尺寸(宽×高)8 m×10.2 m，设计水头9.7 m，共9扇。闸门型式比较了升卧式闸门、弧形闸门和直升式平面闸门。水库原闸门型式为升卧式，该型闸门不宜调节闸门开度运行，难以控制闸门下泄流量。弧形闸门需要较长闸墩，因水库需保持供水，不能空库施工，这给闸墩的改造带来较大难度。因此溢流坝工作闸门型式采用直升式露顶平面钢闸门。闸门自重每扇29 t，埋件重每孔5.5 t。闸门结构设计采用实腹式多主梁焊接结构，双吊点，主梁为变截面组合梁。门体材质为Q235C。闸门为悬臂式滚轮支承，主轮为铸钢件，直径为φ800 mm，共8个。止水采用前水封，侧止水为“P”型，底止水为板条形。闸门主轮轴承选用自润滑圆柱轴承。闸门埋件的主轨、反轨、底轨均为钢板与型钢焊接件，反轨设有不锈钢止水座板。

闸门操作方式为动水启闭，启闭机为固定卷扬式启闭机，工作级别为Q2_轻，容量2×400 kN，扬程13 m，一门一机，共9台。滑轮倍率为4，卷筒直径φ600 mm，为双联、钢丝绳多层缠绕；钢丝绳采用线接触金属芯镀锌钢丝绳，制动器采用YWZ型液压制动器，减速器采用QJS系列中硬齿面减速器。

2.2溢流坝检修闸门及启闭机

检修闸门布置在工作闸门的上游，闸门尺寸(宽×高)8 m×10 m，共1扇，9孔共用。闸门型式为叠梁钢闸门，共分4节，每节门高2.5 m，闸门自重21.5 t。闸门设计采用实腹式多主梁焊接结构，主梁为变截面组合梁，滑块支承。门体材质为Q235C。主滑块材质为钢基工程塑料合金。止水采用前水封，侧止水为“P”型，底止水为板条形。门槽埋件利用原升卧式工作闸门槽埋件并进行改造，具体做法为将原工作门槽下游侧圆弧段埋件拆除，然后接长竖直埋设至墩顶。

闸门操作方式为静水启闭，平压方式采用节间充水。启闭设备选用同轴驱动移动式电动葫芦，双吊点，配合自动挂脱梁起吊，容量2×100 kN，扬程18 m，共1台。门叶平时通过锁定梁横担在闸墩上。电动葫芦工作制度为A3级，型号为MD双钩，起升机构采用双电机组。卷筒采用厚壁无缝钢管，钢丝绳绕绳对称并排，钢丝绳采用线接触金属芯镀锌钢丝绳，减速器采用硬齿面减速器。

3泄水洞及输水洞金属结构设计

根据现行规范要求，将泄水洞和输水洞进口检修闸门更新为事故闸门，更换门槽埋件和启闭设备；由于大坝下游贴坡加固，泄水洞和输水洞出口工作闸门及启闭机也要拆除更新。改造后泄洪洞和输水洞进口设事故闸门1扇，出口还设工作闸门1扇。

3.1进口事故闸门及启闭机

泄水洞进口事故闸门共1孔，孔口尺寸2.0 m×2.5 m(宽×高)，设计水头33.61 m，闸门自重5.0 t，埋件重3.1 t。输水洞进口事故闸门共1孔，孔口尺寸2.5 m×3.0 m(宽×高)，设计水头27.56 m，闸门自重5.5 t，埋件重3.6 t。闸门结构均采用实腹式多主梁焊接结构，主梁为等截面组合梁，门体材质为Q235C。闸门为悬臂式滚轮支承，主轮为铸钢件，直径为φ700 mm。面板设在上游侧，水封采用后水封，侧止水为“P”型，底止水为板条形。闸门主轮轴承选用自润滑圆柱轴承。闸门埋件的主轨、反轨、门楣及底轨均为钢板与型钢焊接件，主轨及门楣上设有不锈钢止水座板。

闸门操作方式为动闭静启，利用水柱和门重关闭闸门，小开度提门充水平压。启闭设备均为固定卷扬式启闭机，工作级别为Q2_轻，单吊点，容量800 kN，泄水洞和输水洞进口事故闸门启闭机扬程分别为31 m和25 m，各1台。滑轮倍率为6，卷筒直径φ800 mm。

3.2出口工作闸门及启闭机

泄水洞出口工作闸门1孔，孔口尺寸1.8 m×1.5 m(宽×高)，设计水头33.56 m。输水洞出口工作闸门1孔，孔口尺寸1.8 m×1.5 m(宽×高)，设计水头27.62 m。闸门型式均为深孔弧形钢闸门，直支臂双主横梁，支承采用圆柱铰。闸门面板曲率半径为3.0 m，材质采用Q235C。闸门自重4.7 t，埋件重2.0 t。闸门铰座轴承选用自润滑圆柱轴承，闸门埋件的侧轨、门楣及底轨均为钢板与型钢焊接件。侧轨及门楣上设有不锈钢止水座板。顶止水设置2道，门叶上和门楣上各1道，结构型式采用圆滚浮子式顶止水结构，侧止水为方头“P”型，底止水为板条形。

闸门操作方式为动水启闭，启闭设备均采用摇摆式螺杆启闭机，工作级别Q2_轻，单吊点，容量500 kN/250 kN，扬程2.5 m，各1台。螺杆启闭机的电机轴与涡轮轴为直接连接方式。

4发电洞金属结构设计

发电洞金属结构设备改建包括更换进口拦污栅、检修闸门、埋件及启闭设备。改造后发电洞进口设检修闸门1扇，拦污栅1扇，闸门和拦污栅共槽。

4.1进口检修闸门、拦污栅及启闭机

发电洞进口设1扇检修闸门和1扇拦污栅，闸门和拦污栅共槽，共用1台启闭机。闸孔平时放置拦污栅，检修闸门锁定在检修平台上。

检修闸门孔口尺寸2.5 m×3.0 m(宽×高)，设计水头24.56 m。闸门结构设计采用实腹式多主梁焊接结构，主梁为变截面组合梁，门体材质为Q235C。闸门自重5.5 t，埋件重3.6 t。闸门为悬臂式滚轮支承，主轮为铸钢件，面板设在上游侧，止水采用后水封，侧止水为“P”型，底止水为板条形。闸门主轮轴承选用自润滑圆柱轴承。闸门埋件的主轨、反轨、底轨均为钢板与型钢焊接件，反轨设有不锈钢止水座板。

拦污栅尺寸2.8 m×3.3 m(宽×高)，设计水头差2.0 m，与检修闸门共槽。拦污栅栅叶由栅叶和支承框架构成。栅体材质为Q235C，拦污栅重2.0 t，采用滑块支承，材质为工程塑料合金。

闸门操作方式为静水启闭，小开度提门充水平压。启闭设备为固定卷扬式启闭机，工作级别为Q2_轻，容量630 kN，扬程22 m，共1台。滑轮倍率为6，卷筒直径φ600 mm。

4.2检修闸门与拦污栅互换

在启闭机室平台梁底布置手拉移动葫芦，用于检修闸门与拦污栅互换。手拉移动葫芦由手拉小车和手拉葫芦组成，起重量3 t，起升高度6 m，共4个。启闭机室平台梁底固定2根20a工字钢轨道(见图1)。

闸门和拦污栅吊装过程如下：一是拦污栅在槽内换闸门入槽。用固定卷扬机将拦污栅吊至孔口，然后用工字钢将拦污栅担在孔口。此时摘掉卷扬机吊钩，用2个手拉葫芦将拦污栅吊至上游侧，然后另用2个手拉葫芦将检修闸门移至孔口并锁定，摘钩换卷扬机吊钩，将检修闸门放入槽内。二是闸门在槽内换拦污栅入槽。用固定卷扬机将检修闸门吊出并担在孔口，此时摘掉卷扬机吊钩换手拉葫芦吊钩将检修闸门移至孔口上游侧，用另一组葫芦吊拦污栅入槽并担在孔口，然后换用固定卷扬机吊钩将拦污栅放入槽内。

图1闸门、拦污栅与启闭机布置示意

5金属结构设计要点

5.1主轮结构

(1)主轴结构

溢流坝工作闸门承受总水压力为4 162 kN，为减小启闭力，闸门结构采用滚动式行走支承，该支承型式综合摩擦系数仅为滑动支承的1/2～1/3，能有效地减小闸门启闭力。同时，为了减小门槽宽度，闸门采用8主轮布置型式；主轴采用偏心轴结构，利用偏心轴的转动，调整轮子使其踏面保证在同一平面上。闸门安装完成后，经过现场检查，闸门各滚轮与门槽埋件接触良好。

(2)轴承材质

工程中采用了工程塑料合金自润滑轴承。该轴承是一种单体复合材料，不仅其硬度小，耐磨性更为优越，有一定的弹性变形能力，利于闸门的安装及运用。该轴承变形能力强，抗压强度大，达50 MPa，较好地满足了强度要求。同时，该轴承具有自润滑性能，在工作中不需要添加润滑剂，给管理维护带来了方便。除此之外，轴承与轴的摩擦系数小，无润滑时0.16，水润滑时0.05，降低了闸门的启门力。轴承与轮子采用的配合为H8，轴承与轴采用的配合为f8。各闸门轴承均采用工程塑料合金自润滑轴承。安装后，闸门的滚轮转动灵活。

5.2顶水封结构

泄洪洞、输水洞进口事故闸门以及发电洞进口检修闸门均采用后水封型式，为防止顶止水在与埋件的摩擦和水流的冲击下橡皮圆头产生翻卷，损坏橡皮，将水封压板边缘略加弯转，形成倒“L”型，在闸门开启时，橡皮与压板充分接触，从而有效地保护了橡皮(见图2)。

图2顶水封结构示意

5.3启闭机安全装置

固定卷扬式启闭机和摇摆式螺杆启闭机均配有机械限位开关，闸门运行达到上、下极限位置时能自动断开回路，使启闭机停止运行。另外，启闭机均配有闸门开度测控装置和荷重测控装置，测控装置包括传感器、配套线缆及二次仪表。卷扬式启闭机闸门开度传感器与卷筒轴联接，荷重传感器置于平衡滑轮轴内。摇摆式螺杆启闭机闸门开度传感器与齿轮联接，荷重传感器安装在机座内。开度传感器及荷重传感器均能通过二次仪表进行显示，并向可编程逻辑控制器(PLC)输出报警信号。启闭机现地控制柜装有开度测控装置及荷重测控装置的二次仪表，可监视闸门启闭的全过程。

电动葫芦设有起升机构上升、下降极限保护装置，并有可靠的制动装置，设有紧急手动释放装置。由于溢洪道检修闸门宽度较大，闸门设计为双吊点启闭，电动葫芦采用机械传动轴连接，同轴驱动，解决了双吊点的同步问题。

6结语

(1)金属结构结构布置、选型合理，设计符合现行规范、技术标准有关规定。通过水库除险加固工程，将影响水库安全运用的金属结构设备进行了改建。目前金属结构设备均已安装并投入运行，均满足水库蓄水和安全运用的要求。

(2)将泄水洞和输水洞进口检修闸门更新为事故闸门，操作方式为动闭静启，满足事故发生时动水闭门的运行要求。

(3)各闸门主轮采用了自润滑轴承，降低了启闭机容量，提高了闸门运用的可靠性，减少了日常维护工作量。

(4)在启闭机选型中，平面钢门采用固定卷扬式启闭机，弧形闸门采用摇摆式螺杆启闭机，均配有闸门开度和荷重测控装置，可实现现场和远程集中控制，提高了工程的自动化水平。

参考文献：

[1]刘细龙，陈福荣.闸门与启闭设备[M].北京：中国水利水电出版社，2002.

[2]黄希元，唐怡生.小型水电站机电设计手册(金属结构)[M].北京：水利电力出版社，1991.

[3]水利部水利水电规划设计总院.水工设计手册：第7卷，泄水与过坝建筑物(第2版)[M].北京：中国水利水电出版社，2014.

[4]杨克昌.临城水库除险加固工程金属结构设计[J].水科学与工程技术，2012(2)：39_41.

[5]安徽省水利局勘测设计院.水工钢闸门设计[M].北京：水利出版社，1980.

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责任编辑吴昊

收稿日期：2016-03-15

作者简介：张延忠(1982-)，男，工程师，主要从事水利工程金属结构设计工作。