水库金属结构合理布置及优化选型设计

马洪雁

（黔南州水利水电工程质量安全技术中心，贵州 黔南 558000）

0 引言

水利枢纽具有改善生态环境、推动社会经济发展多项作用，水利枢纽中含多类金属结构，合理的布置方式及优化选型设计是保证金属结构有效应用的重要前提。不同水利枢纽的实际环境和功能需求各异，金属结构的选型布置方法有其独特性和专业性，易由于选型不合理、布置不到位、优化设计不全面等原因引起功能失效的状况[1]。为此，需围绕布置方式及优化选型设计进行探讨，掌握工作方法，科学设置水库金属结构。

1 工程概况

甲晒水库位于三都县三合镇甲晒河上，主要任务是向县城供水及下游农田灌溉供水。是一座综合利用的小（1）型水库，总库容为885 万m3，枢纽的主体工程由挡水坝段、溢流坝段、取水口兼放空孔及其建筑物组成。挡水建筑物为C15 混凝土重力坝，最大坝高34m。溢流坝段位于大坝中部，总宽24m，溢流净宽15m。堰顶高程431.00m，布置3 孔工作弧形钢闸门，工作闸门前设有3 孔检修闸门。

2 水库金属结构设计

水库金属结构主要包含泄洪建筑物、引水建筑物、施工导流建筑物3 处的闸门及启闭设备。工程共设6套启闭设备和8 套闸门，阀门4 套。其中，泄水系统包含溢洪道检修与工作闸门等，引水系统包含进口拦污栅、进口事故闸门和出口工作阀等，施工导流系统以导流封堵闸门为主。

水库的特征水位如表1 所示。

表1 水库特征水位

3 水库金属结构的布置与优化选型设计

3.1 泄水系统的金属结构

溢洪道的检修闸门和工作闸门属于泄水系统的重要金属结构，布置与优化选型设计要点如下。

3.1.1 溢洪道检修闸门及启闭机的布置与选型设计

根据水库运行要求，水库库水位需控制在正常高水位438.00m 处，大坝堰顶高程为431.00m，坝顶溢洪道上设工作弧形钢闸门3 扇，为保证工作弧门有检修条件，在工作弧门前设检修闸门。检修闸门孔口尺寸为5m×7.5m-7.2m（宽×高-设计水头），为露顶式平面钢闸门，底槛设在430.80m 高程处，设计水头为7.2m，闸门设计超高0.3m，闸门高7.5m。门体总水压力为1322kN，门叶及埋件采用Q235B 碳素结构钢，门重11.9t，埋件重约4.1t，防腐采用涂漆防锈。

由于闸门高度较高，若闸门设计为常规平面钢闸门，闸门启闭机室将会高出坝顶10 余米。为了降低启闭机室高度、节省土建工程量、提升工程外形美观度，将检修闸门设计为平面直升叠梁式钢闸门。闸门由3节结构完全相同的叠梁门组成，每节均设有吊耳和定位槽，闸门平时分别锁定在3 个孔口内，当工作弧形钢闸门需要检修时，根据库水位的情况可使用一节、二节、三节叠梁门挡水，节间通过自动抓梁操作。闸门结构设计按最大荷载进行计算，即按最下面一节叠梁门的水头进行结构设计[2]。闸门面板布置在下游面，止水形式为下游止水，门体采用多横梁式实腹梁格结构，行走支承为滑块。检修闸门工作条件为静水启闭，平压方式采用节间充水，三孔检修闸门共用一套闸门和一套移动式平门卷扬启闭机，启闭机型号为QPT-2×100kN-14m。图1 为溢洪道检修闸门、工作弧门。

图1 溢洪道检修闸门、工作弧门（单位：m）

3.1.2 溢洪道工作弧门及启闭机的布置与选型设计

本水库坝顶溢洪道上设工作闸门3 扇，当闸门需检修时关闭上游检修闸门后进行，该闸门为露顶式弧形钢闸门，主要功能是泄洪。溢洪道堰顶高程431.00m，弧门底槛设在溢洪道堰顶靠下游面的430.80m 处，根据水库运行调度方案，工作闸门平时处于关闭状态，当水位超过正常高水位438.00m 时闸门打开控制库水位，设计水头按正常高水位计算为7.2m，顶部考虑0.3m 超高，闸门高为7.5m 设计。溢洪道工作闸门孔口尺寸为5m×7.5m（宽×高），门体总水压力为1340kN。门叶及埋件采用Q235B 碳素结构钢，门重17.6t，埋件重约1.6t，防腐采用涂漆防锈。

本闸门系溢洪道露顶式弧形钢闸门，高宽比为7.5:5=1:0.67，由于闸门尺寸不大，采用双主横梁、斜支臂、圆柱铰形式，支铰高度4.5m，弧形面板曲率半径9m。为增强门体刚度和整体性，采用实腹式齐平连接。

闸门工作条件为动水启闭，每扇闸门均采用一套型号规格为QHLY-2×250kN-4m 的露顶式弧形闸门液压启闭机操作控制，启门力为2×250kN，最大行程4m，工作泵组油泵型号63SCY14-1B，电机功率为15kW，备用泵组油泵型号253SCY14-1B，电机功率为5.5kW，3套闸门共设置一套工作泵组和一套备用泵组，共用一间启闭机泵房。该闸门平时处于关闭状态，仅在水库需要泄水时才开启[3]。本闸门设置有水位监测系统和闸门开度仪，便于自动控制和监测闸门的开度及运行，有利于闸门的安全运行与操作。由于该闸门为泄水系统工作闸门，为确保大坝的安全运行，其启闭机应有可靠的不间断电源，故设置有30kW 备用动力柴油发电机组。

3.2 引水系统的金属结构

3.2.1 取水口拦污栅及启闭机的布置与选型设计

为防止较大的污物、杂物进入引水管后造成破坏和事故，以保证引水系统的正常运行，在取水口事故闸门的上游设置拦污栅1 扇，孔口尺寸2m×1.6m（宽×高）。底槛高程423.00m，设计水头为4m。拦污栅的型式为潜孔平面直立活动式拦污栅，采用滑道支承，运行方式为静水启闭。取水流量为0.84m3/s，过栅流速0.4m3/s，拦污栅的清污方式为人工提栅清污。将拦污栅的检修及清污平台设置在正常高水位以上1m 处。该拦污栅配1 套型号规格为CD50kN—8m 的电动葫芦启吊，启门容量为50kN，扬程8m。拦污栅设置一套水位差仪，与事故闸门共用，同时满足拦污栅和下游事故闸门的共同监测要求，保证拦污栅和事故闸门的安全运行。当栅体上、下游水位差大于3m 时，动水关闭栅后的事故闸门，拦污栅静水提门至检修平台进行人工清污，清污完成后，静水关闭拦污栅，事故闸门小开度提门平压（提门高100mm），当事故闸门上下游水位差小于3m 时，静水将事故闸门提出孔口锁定在检修平台上[4]。

3.2.2 进口事故闸门的布置与选型设计

大坝取水口进口事故闸门设置于拦污栅的下游，该闸门孔口尺寸为1.2m×1.2m（宽×高），底板高程423.00m，设计水头17.5m，闸门为潜孔式平面定轮钢闸门，门体采用多横梁式实腹梁格结构，行走支承为滚轮行走装置。面板和止水设在下游侧，底止水向上游上移300mm，门体利用水重闭门，事故闸门工作条件为动闭静启，采用小开度提门平压。在紧靠闸门下游的孔口顶部设置1 个直径为0.3m 的通气孔，并在通气孔上方设置防护设施。

该闸门启闭设备选用启闭机为QPQ-160kN-19m，单吊点启吊闸门。闸门的检修、更换可在检修平台441.0m 上进行。闸门平时锁定在检修平台上，当工作阀门或管道需要检修时，事故闸门动水闭门，待工作阀门或管道完成检修后。事故门小开度提门充水平压，当闸门上、下游水位差小于3m 时，将事故闸门提出孔口锁定在检修平台上。

3.2.3 大坝取水阀门的布置与选型设计

根据枢纽布置在取水出口ϕ1000mm 主管上设三根岔管，ϕ700mm 供水管、ϕ250mm 灌溉管和ϕ400mm生态放水管，均采用阀门进行控制。主管上设ϕ1000mm阀门供水库放空用。

（1）放空管工作阀门。

在大坝放空管口上设置有一套工作阀门，工作阀选用SD943H-10C 电动蝶阀，公称通径为ϕ1000mm，闸阀中心高程423.60m，最大设计水头为17m，公称压力为0.6MPa，蝶阀的运行方式为动水启闭，操作方式为电动，该蝶阀在水库需要放空时开启放水，检修时关闭大坝取水口进口事故闸门即可。为便于蝶阀的安装、拆卸及检修等，在蝶阀前设置1 套法兰式管道伸缩节。

（2）供水管工作阀门。

在供水管上设工作阀门一套，阀门选用SD943H-10C 电动蝶阀，公称通径为ϕ700mm，蝶阀中心高程423.60m，最大设计水头为17m，公称压力为0.6MPa。蝶阀的运行方式为动水启闭，操作方式为电动。该工作蝶阀在下游需要取水时开启放水，检修时关闭取水口进口事故闸门即可。为便于蝶阀的安装、拆卸及检修等，在蝶阀前设置1 套法兰式管道伸缩节。

（3）灌溉管工作阀门。

在灌溉管上设工作阀门一套，阀门选用SD943H-10C 电动蝶阀，公称通径为ϕ250mm，闸阀中心高程423.60m，最大设计水头为17m，公称压力为0.6MPa。蝶阀的运行方式为动水启闭，操作方式为电动。该工作蝶阀在下游需要灌溉用水时开启放水，检修时关闭取水口进口事故闸门即可。为便于蝶阀的安装、拆卸及检修等，在蝶阀前设置1 套法兰式管道伸缩节。

（4）生态放水管工作阀门。

在生态放水管上设工作阀门一套，选用SD943H-10C 电动蝶阀，公称通径为ϕ400mm，蝶阀中心高程423.60m，最大设计水头为17m，公称压力为0.6MPa。生态放水管工作阀门配流量计一套，以监测下放生态水的流量。蝶阀的运行方式为动水启闭，操作方式为电动。该工作蝶阀在下游需要放生态水时开启放水，检修时关闭取水口进口事故闸门即可。为便于蝶阀的安装、拆卸及检修等，在蝶阀前设置1 套法兰式管道伸缩节。图2 为大坝取水阀门。

图2 大坝取水阀门（单位：mm）

3.3 施工导流系统的金属结构

导流任务结束后需及时对导流洞进行封堵，在施工导流洞进口处设平面叠梁钢闸门2 孔2 扇，门体分二段制作，底槛高程为415.00m，孔口尺寸2m×5.2m（宽×高），跟据施工组织设计闸门下闸在2～3 月，按5年一遇洪水标准设计，闸前挡水水位为425.00m，设计水头取10m。启闭设备利用拦污栅的电动葫芦或临时启闭设施启闭门体。

闸门高宽比为2.6，设计将此门设为叠梁闸门，闸门分2 节组成，闸门出厂前试拼装复核后，按图示位置点焊卡板，在工地拼焊就位且符合上述要求后将卡板铲除，把门叶焊成整体。由于施工导流洞进口闸门为临时工程，门体下闸后立即进行混凝土封堵，该闸门为一次性使用下闸后不再启用。设计优化在闸门进口处分为二孔并将此门设计为叠梁闸门，减小了闸门尺寸，降低工程造价和施工难度。图3 为施工导流洞进口闸门门槽结构布置。

图3 施工导流洞进口闸门门槽结构布置（单位：mm）

4 结语

综上所述，在本文提及的工程中，水库金属结构包含闸门、拦污栅、阀门等，经过周全的考虑后，开展水库金属结构的布置及优化选型设计工作，根据各金属结构的特点和功能要求协调布设位置。结果表明，金属结构的型式和位置均合理，稳定可靠；根据不同金属结构适配合适规格的启闭机，有效满足水库的正常运行要求，金属结构选型、布置均符合相关规范，水库建成后运行效果与预期一致，设计方案具有可行性[5]。得益于水库各类金属结构的有效使用，水资源的开发效率高，资源合理化利用所创造的生态环境效益和经济效益显著，工程效果值得肯定。