红升水库枢纽工程金属结构设计综述

张安生

(盘山县水利建筑工程处，辽宁 盘锦 124000)

1 工程概况

1.1 基本情况

红升水库位于抚顺市新宾县红升乡苏子河干流上，是一座以城镇供水、灌溉为主，兼顾防洪、养鱼、发电等综合利用的中型水库。枢纽工程等别为Ⅲ等，永久性建筑物为三级，设计和校核洪水标准为50a、2000a一遇洪水，水工建筑物有拦河坝、溢洪道、泄洪输水洞、电站等。控制流域面积78.5km2，坝址以上河长13.5km，比降1.56%。总库容3071.15万m3，正常蓄水位377.95m，兴利库容2869万m3，水库死水位360.15m，相应库容为70.84万m3。

1.2 存在问题

由于水库施工质量差，经40多年运行，主体工程存在严重问题，水库属带病运行状态。隐患产生原因：有施工中遗留问题、有运行中产生的问题、有原设计问题、有施工质量问题。经鉴定，该水库防洪标准定为A级，结构安全为C级，渗流安全B级，金属结构为C级[1-3]。大坝安全类别综合评定Ⅲ类，安全隐患主要表现在：

1)大坝工程存在的问题。坝体上部坝坡较陡，抗滑稳定不满足规范要求；上下游护坡不规整；防浪墙有纵向裂缝，且与心墙连接不好；护坡块石冻胀、风化现象严重，护坡厚度未达到设计标准。

2)大坝坝体渗透稳定存在的问题。大坝坝基截水槽施工质量不佳，而且在实际运行中，曾发现下游坝脚有集中渗漏。

3)溢洪道工程存在的问题[4]。溢洪道弧形闸门发生变形，启闭不畅；闸门面板厚度、主梁强度、支臂稳定性不满足要求；溢洪道部分洞身未衬砌，经多年运行混凝土结构存在冻融、骨料外露、边墙有纵向裂缝等问题。

4)输水洞工程存在的问题。输水洞进口闸门锈蚀严重，混凝土结构表面破损较严重，洞身部分未按设计要求衬砌。

5)大坝公路工程存在的问题。整体上坝公路存在设计标准低，路面狭窄，坡陡落石，路面质量差的问题，尤其左岸上坝路更明显。溢洪道下游交通桥桥体破损比较严重；输水洞进口处和通向进口的道路存在陡坡、落石等问题。

1.3 总体布置

除险加固设计主要包括：土坝、溢洪道、泄洪输水洞及上坝公路等工程。其中，土坝为黏土心墙砂砾坝，大坝加固后坝顶高程379.95m，防浪墙顶高程381.15m，坝长280m，坝顶宽8.5m，行车路面宽6m，最大坝高29.0m。上游为干砌石护坡，下游碎石护坡。

溢洪道位于土坝及泄洪输水洞右侧，进口距大坝约300m，实用堰后接溢洪洞，溢洪道闸门为1孔闸门，洞身长162m，出口后接差动式挑流坎和尾水渠，除险加固对溢流堰面采用SPC聚合物水泥砂浆进行修补，弧门铰座加固，溢洪洞未衬砌段混凝土衬砌，更换闸门、启闭机，重建启闭机室，改建尾水渠并加固桥梁。

泄洪输水洞工程位于右岸坝端山体中，全长258m，其中洞身长192.3m，洞径为1.8m。除险加固对泄洪输水洞竖井混凝土加固，洞体混凝土衬砌，进口岩坡喷锚支护。

更换进口闸门、拦污栅、启闭机，对启闭机室加固处理，改建泄洪输水洞尾水渠。红升水库的原有上坝公路和溢洪道段路线不做改动，对原有路面进行加宽路面改建设计，增设大坝安全观测系统。

2 金属结构设计

2.1 金属工程概况

红升水库金属结构工程主要由溢洪道、泄洪输水洞两部分组成。溢洪道金属结构为弧形工作闸门和启闭机，闸门为1孔露顶式弧形钢闸门，孔口尺寸位10.4m×4.4m。弧门启闭机为前拉式布置，双吊点固定卷扬式，容量为2×200kN。溢流堰为实用堰，堰顶高程373.55m。

泄洪输水洞金属结构由泄洪输水洞进口拦污栅、进口事故检修闸门与启闭机、出口闸阀和铸铁闸门与启闭机等组成。拦污栅1孔，设在泄洪输水洞进口，孔口尺寸3m×6m，分2节，采用临时设备启闭。在拦污栅后设1扇事故检修闸门，潜孔式平面定轮钢闸门，孔口尺寸为1.6m×2，启闭机采用1×400kN固定卷扬配拉杆启闭。泄洪输水洞进口底坎高程356.95m，最大泄量为25.4m3/s。泄洪输水洞出口为平板闸阀控制，闸阀直径1.6m。闸阀后的尾水与电站尾水合在一起后，由8扇铸铁闸门进行配水运行。

自水库建成以来未对金属结构更新改造，溢洪道闸门为大伙房水库淘汰设备。根据安全鉴定结果，金属结构安全评价为C级，溢洪道弧形闸门启闭不畅，面板厚度、主梁强度、支臂稳定性均不满足要求，泄洪输水洞进口闸门锈蚀严重。

2.2 溢洪道金属结构

2.2.1 工作闸门及启闭机

工作闸门及启闭机大坝安全鉴定结论，应报废并重新设计闸门和启闭机。根据溢洪道现场情况，为减少工程量、缩短改建工期、节省投资，仍采用弧形钢闸门。原牛腿位置高于校核水位时泄流水面线，故支铰轴心位置不变，弧门曲率半径为10m。闸门底坎高程373.55m不变，支铰高程375.55m，闸门最高挡水位377.95m，孔口尺寸10.4×4.9m(设0.5m超高)。闸门动水启闭，为使闸门运行灵活，止水良好，门槽更换新构件，采用不锈钢止水座板[8]。

除险加固设计中，原闸门启闭机室位置不变，因此闸门启闭设备仍采用前拉式弧门启闭机，即1台固定卷扬式弧门启闭机，容量为2×200kN，扬程9m。

2.2.2 检修闸门

根据水库多年的运行资料，每年有25-30d水位低于闸门底坎高程，这些时间可以满足弧门检修要求，故不设检修闸门。

2.2.3 防冰设备

弧形闸门在冬季仍挡水，由于闸门不得承受冰压力，因此在闸门前采用防冰设施，设2台2吋潜水泵及管路设备，潜水泵1用1备。在结冰季节，将设备安装在弧门前的水中，根据天气情况，间断运行潜水泵，使闸门前形成一条不结冰的水带，冰压力不能传到闸门上，使闸门冬季运行安全可靠。在非结冰季节，将防冰设备拆除并妥善保管，为下一年冬季使用。

2.3 泄洪输水洞金属结构

2.3.1 进口拦污栅

自水库建成以来，拦污栅一直未进行检查和检修，据水库管理人员反映，泄洪输水洞内发现落石，估计拦污栅可能被山坡落石砸断。拦污栅运行已达30a，达到折旧年限，应重新设计，进行更换。本次设计拦污栅1孔，设计水头差4m，孔口尺寸为3×6m，为安装方便，分为2节。为方便施工，利用原栅槽。但由于原槽尺寸较小，需将横梁设计成中间高的变截面横梁，以满足应力要求。2节栅体共重4.2t，启闭方式仍按原来的临时方法。

拆除拦污栅和安装新拦污栅时，应有潜水员配合，并清除底部地堆积物，附近山体也应采取锚固措施，防止石块滚落到拦污栅孔口处。

2.3.2 进口事故检修闸门

1)根据大坝安全鉴定，原进口事故检修闸门及启闭系统报废，重新设计闸门。设计水位377.95m，底坎高程356.95m，设计水头21m。因原门槽在水下较深，施工困难，故原闸门门槽不变。原门槽无竣工图纸，应对现有闸门外缘尺寸进行测绘，确保闸门安装、启闭顺利。新闸门利用水柱下门。因闸门尺寸小、重量轻，一旦卡阻就不易关闭闸门，为此设计考虑门上增加1t加重铁，使下门顺利。

2)泄洪输水洞出口有平板闸阀和电站，在下游用水或发电时，进口闸门都是全开的。实际运行中，进口闸门大多时间是开的。电站不要求进口闸门快速关闭。因此，除险加固设计的进口闸门在开启时，闸门起升到检修室内锁定，取消多节拉杆，这样闸门维修方便，动滑轮组也避免经常泡在水中，增加使用寿命。

3)取消拉杆，需要高扬程启闭机。设计中考虑用63t固定卷扬式启闭机(扬程16m、滑轮倍率6)进行改装，将滑轮倍率6改为4，使扬程达到24m，启门力为42t，满足启闭机扬程22m，40t启门力的要求。因原门槽胸墙较高，故设1节2m长地拉杆解决动滑轮组与胸墙相碰问题。

4)事故检修闸门应是动水关闭，静水启门。因为此闸门较小，40t启门力就可以实现动水启闭，故不需要设充水装置，同时此闸门还可起到工作闸门的作用。

2.3.3 出口闸阀

泄洪输水洞出口闸阀为平板闸阀，直径1.6m，电机功率10kw。1982年水库曾对泄洪输水洞出口闸阀进行了检修，本次除险加固对闸阀进行检修并做防腐处理。

2.3.4 尾水铸铁闸门

电站尾水经3扇出口闸门后，入泄洪输水洞尾渠，尾渠上设有3扇节制闸门控制水位，灌溉进水闸门2扇控制灌溉用水量。原均采用混凝土闸门，经过多年运行，损坏严重、操作不灵活、漏水量大，为确保运行良好，安全可靠、运行管理方便，采用抗腐蚀的铸铁闸门，配上手、电两用的螺杆启闭机，各部位配置情况见表1。

表1 尾水铸铁闸门配置表

2.4 电气设备

2.4.1 运行现状

水库原变压器为50kVA，容量不足，欲增容为100KVA变压器1台，变压器10/0.4kV电压等级。原380V/220V系统输电线路部分绝缘线皮已经龟裂，有的电杆还是木杆，急需改造。

水库坝顶灯具，有的灯泡损坏，有的灯杆掉漆、锈蚀，导线明敷，既不美观也不安全。溢洪道、泄洪输水洞启闭机设备老化陈旧，技术性能落后；电机、电源线绝缘严重老化，接法不规范；有的配电柜无侧板，电器设备裸露，存在安全隐患；没有荷重过载保护。水库溢洪道和泄洪输水洞启闭机没有备用电源，不符合规范要求。各配电柜均没有安装过电压保护装置，不符合规范要求。

总之，经过多年的运行，现有电气设备出现不同程度的老化，加之当时施工条件、技术水平、设计标准等限制存在许多缺陷和不足，总体存在着一定的不安全因素以及影响设施正常运行和发挥效率的诸多问题，需要更新改造。

2.4.2 电气改造任务

10kV输电线路改造，线路长2.5km。新增变压器S10-M-100/10一台，原有的50kVA变压器淘汰；主变以下的供电线路改造，低压电杆41根，线路3.0km。配合溢洪道、泄洪输水洞金属结构的更新，溢洪道、泄洪输水洞的电气设备也全部更新；溢洪道、泄洪输水洞进出口闸门启闭机采用常规控制；土坝、溢洪道、泄洪输水洞进出口的照明，及设备的防雷、接地；增设溢洪道照明启闭机的备用电源。

2.4.3 电气设备布置

在办公用房内设低压配电室、柴油发电机室。低压配电室内设置3面低压配电盘呈一字排列，盘前操作距离≥1500mm，盘侧维护通道宽度≥1200mm，盘后维护通道宽度≥1000mm。柴油发电机设在柴油发电机机房内。柴油机端距墙距离≥1800mm，柴油发电机正面距门的距离≥1600mm。1个XL-21启闭机配电箱设在溢洪道启闭机室内，2个XL-21启闭机配电箱分别设在泄洪输水洞进口启闭机室、出口闸阀室内。各启闭机配电箱布置在对应的启闭机房内。闸门开度传感器、荷重传感器安装在启闭机上，在启闭机房内采用穿镀锌钢管方式敷设至启闭机电控箱的动力和控制信号电缆，各启闭机电控箱至启闭机的电缆亦采用墙体内穿镀锌钢管敷设。户外电缆采用架空、直埋、穿管或桥板下吊架等方式敷设[9]。

4 结 论

金属结构设备对水电站效益的发挥、事故保护及安全运行发挥着不可替代的作用，对其其布置方案、技术参数、结构型式和规模是否科学应引起高度重视。充分考虑工程自身特点的红升水库金属结构设计，其布置方案、选材、设备选型和设计原则等均符合现行规范要求，为满足工程运行要求考虑了金属结构投入运行的检修和维护条件，结构设计合理，且能够在一定程度上节省工程投资。