柏叶口水库金属结构设计

2017-04-07尚广萍

山西水利 2017年4期

关键词：弧门拦污栅启闭机

尚广萍

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西太原 030024）

柏叶口水库金属结构设计

尚广萍

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西太原 030024）

介绍了水库水工建筑物的布置，在充分考虑了枢纽工程的特点和满足水工建筑物运行、检修要求的基础上，对溢洪道金属结构、泄洪发电洞金属结构、水电站金属结构进行了优化设计。

溢洪道；泄洪发电洞；水电站；金属结构；柏叶口水库

柏叶口水库位于山西省吕梁市交城县文峪河干流上，柏叶口村上游500 m处，距下游的文峪河水库约30.7 km，总库容9 712万m3。是一座提供城市生活用水、工业供水和解决文峪河水库防洪为主要目的，同时提高现有灌区灌溉率和提供发电的综合中型水利枢纽工程。柏叶口水库主要由大坝、溢洪道、泄洪发电洞和水电站等水工建筑物组成。水库金属结构及设备包括溢洪道部分、泄洪发电洞部分和水电站部分等闸门、拦污栅及与之配套的启闭设备。

1 溢洪道金属结构设计

1.1 溢洪道水工布置

溢洪道进口处位于大坝的左端，出口处距离下游的坝脚约90 m，中轴线的走向为正北向。它由进口段、控制段、泄槽段和挑流消能段等部分组成。进口段为喇叭形，平底，底高程1 128 m；控制段为平底宽顶堰，堰顶高程1 128 m，共布置3孔闸室，闸室长19.8 m，单孔净宽8 m，设置3扇弧形工作门挡水；泄槽段长177 m，净宽27～16 m，纵坡1/2.888；挑流消能段长15.15 m，净宽16 m，反弧半径20 m，挑射角25°，挑流鼻坎高程1 067.5 m。溢洪道总长度305.45 m，最大泄量894 m3/s。

1.2 工作闸门及启闭设备

溢洪道进口布置3扇工作闸门，工作闸门选用露顶式弧形闸门，孔口宽度8.0 m，设计水头7.66 m，闸门高度8.0 m，面板外缘曲率半径10.0 m，支铰高度6.5 m，总水压力2 608 kN。

弧门的主框架采用主横梁、带悬臂的斜支臂结构布置形式，从而减少主梁跨中弯矩，不仅节约了主梁的用钢量，也减少了竖向联接系的高度，减轻了闸门的重量。弧门面板的梁格，在采用实腹截面形式的主横梁时，面板的纵横梁格与主横梁均采用齐平连接，这样可使闸门在受水压力荷载和启闭时的刚度较好。因闸门孔口宽度较大，所以门叶和支臂的截面形式均采用工字型截面的焊接式组合型。闸门的支铰高度选择要保证在校核洪水位时支铰不能受门后水流及漂浮物冲击，高于最大过流曲线水位。闸门在设计时通过受力分析计算，需要满足强度、刚度及稳定性的要求。

闸门门叶结构主要材料为Q 235B钢材，侧止水为“L”形橡皮，底止水为条形橡皮。弧门支铰轴承采用自润滑轴承，支铰轴材料采用45号锻钢调质处理，固定支铰和活动支铰均为ZG 270-500。闸门动水启闭，双吊点，吊耳设置在闸门迎水面底横梁部位。

弧门门槽侧轨采用钢板、角钢焊接的断面结构，止水座板采用4 mm厚的机加工不锈钢板，底槛采用钢板和工字钢的焊接组合断面。

弧形闸门由弧门卷扬式启闭机操作，吊点间距4.8 m，启门力2×225 kN，启门高度18 m，启门速度1.5 m/min，电机功率2×7.5 kW。弧门卷扬机日常维护保养操作简单，成本低廉。

1.3 检修闸门及启闭设备

在工作闸门上游布置3孔共用1扇的检修闸门，用于弧形工作闸门门槽的检修与维护。

闸门选用叠梁式滑动平板钢闸门，孔口宽度8.0 m，设计水头5.0 m，闸门高度5.4 m，共分4节，总水压力1071kN。闸门材料为Q235B，支承滑块为HT15-33。

闸门选用叠梁式，可以在相同孔口尺寸的情况下，选用容量较小的启闭机，并降低了排架的高度，从而降低了工程的造价。

门槽埋件由主轨、反轨及底槛组成，各部分均为焊接钢结构，材料为Q 235B。

闸门由电动葫芦配合机械式自动抓梁起吊叠梁门。电动葫芦吊点间距5.5 m，容量2×100 kN，起升高度18 m，起升速度7.0 m/min，运行速度20.0 m/min，起升电机功率2×13.0 kW，运行电机功率2×0.8 kW。自动抓梁为机械式全自动抓梁，运行时与2台100 kN的电动葫芦相连接以共同起吊叠梁门。

自动抓梁由梁体、吊钩及吊耳组成，吊钩上设置有防脱钩装置并配有重锤，能够有效地完成挂钩和脱钩的操作，实现叠梁门水下起吊的准确性。

2 泄洪发电洞金属结构设计

2.1 泄洪发电洞的水工布置

泄洪发电洞进口位于水库上游坝轴线的左岸约210 m处，出口位于水库下游文峪河河流弯道处。发电洞由进口段、洞身段、出口控制闸、急流槽和挑流消能段等部分组成。进口段包括进口喇叭段和进水塔，长22.7 m，喇叭口设置2扇拦污栅，单孔宽5.35 m，高8.5 m，进水塔内布置事故检修门，孔口尺寸5 m×5 m，闸门为平板钢闸门；洞身段长600 m，洞径5 m，纵坡2.25%；出口控制闸闸室长20 m，闸孔净宽4 m，设置1扇弧形工作门挡水，孔口尺寸4 m×4 m；急流槽和挑流消能段长49.5 m，急流槽长42 m，净宽4～8 m，纵坡1/20；挑流消能段长7.5 m，净宽8 m，反弧半径20 m，挑射角20°，挑流鼻坎高程1 054.12 m。泄洪洞总长度692.2 m，最大泄量402 m3/s。

2.2 工作闸门及启闭设备

在泄洪发电洞的出口布置1扇潜孔式弧形工作闸门，孔口尺寸（宽×高）4.0 m×4.0 m，设计水头78.0 m，面板外缘曲率半径为8.5 m，支铰高度6.2 m，总水压力15 825.0 kN。

泄洪发电洞弧形工作闸门为柏叶口水库主要的泄洪闸门，因此要求弧门要操作灵活、运行可靠并能满足各种过流量的要求。

闸门布置为主横梁、带悬臂的直支臂式框架结构形式，主横梁和支臂的截面均采用工字型焊接组合的结构。在选定主框架的截面后，需进行框架内力计算，进而进行截面的应力验算，并就计算结果对截面进行修正。由于是深孔弧形闸门，为了减轻闸门的振动，闸门底缘尽量减薄，使水流平顺、流态良好。在任何开度下，门后的构件与支铰避免被水流冲击，因此最下根主梁不可布置过低，主梁腹板上开均匀分布的小孔，以保证门后及底缘有充分进气的条件，使门后成为稳定的明流流态。

弧门门叶结构选用的材料为Q 345A钢材，侧止水与顶止水选用P形橡皮，底止水选用条形橡皮，支铰轴采用45号锻钢调质处理，固定铰和活动铰材料选用ZG 45，轴套采用自润滑。

弧形闸门由单缸液压启闭机操作，启门力1 600 kN，闭门力320 kN，最大工作行程5.8 m，启闭速度0.5～1.5 m/min，电机功率45.0 kW。液压启闭机由单独泵站操作，泵站设2台油泵电机，1用1备。液压启闭机油缸布置在1 068.4 m高程处，采用油缸中部支铰支承摆动式布置。油缸活塞杆下端与布置在闸门顶梁上的吊耳相连接。泵站布置在闸墩上，电气控制柜布置在该泵房内。在启闭机的油缸内设置内置式位移传感器，以提高闸门的开度检测精度。

2.3 事故检修闸门及启闭设备

在泄洪发电洞进口处的进水塔内设置1扇平板事故检修闸门，用于工作闸门出现事故时快速闭门，也可用于弧门门槽及发电洞内需要检修时挡水工作。

闸门孔口尺寸（宽×高）5.0 m×5.0 m，设计水头64.5 m，总水压力17 736.0 kN。闸门采用下游封水，支承滑块采用自润滑材料，面板及止水布置考虑利用水柱闭门，门顶设置压盖式平压充水阀，动水闭门，充水平压后静水启门。

此次闸门设计中底缘上游倾角48.8°，下游倾角32.9°，满足规范要求其上游倾角45°～60°，下游倾角不小于30°的要求，在闸门运行期间，未发生危害性振动。

闸门选用固定式卷扬机配合拉杆，容量5 000 kN，扬程76.0 m，电机功率2×132 kW。启闭机设在检修平台上高程为1 152.3 m的启闭机房内，闸门在检修平台上拼装、检修，平时利用锁锭梁锁锭在门槽顶部。

2.4 拦污栅及启闭设备

泄洪发电洞进口处布置有2孔拦污栅，孔口尺寸5.35 m×8.5 m（宽×高），设计水头64.5 m。拦污栅主要用于拦截污物，避免污物对发电机组造成破坏和事故，以保证发电机组的正常运行。拦污栅平时处于关闭状态，当需要维护检修及清污时提升至检修平台上进行操作。

拦污栅为平面直立式焊接钢结构形式，考虑运输、安装及操作的问题，栅体共分2节，节间通过连接板和螺栓连接成整体。栅条间距60 mm，栅体材料采用Q345A。拦污栅采用人工清污，提扇水压差不大于3m。拦污栅选用固定式卷扬机操作，容量500 kN，扬程76.0 m，电机功率22.0 kW。

3 水电站金属结构设计

3.1 水电站的水工布置

柏叶口水库电站位于大坝下游的河床左侧，是一座坝后引水式电站，由发电支洞、引水压力钢管、厂房及尾水渠等部分组成。电站用水从发电支洞自泄洪发电洞内引出，再从压力钢管引入厂房，发电的尾水经过尾水渠排进下游河道。厂房由主、副厂房组成，主厂房内设置2台发电机组，机组的单机容量为1 600 kW，总装机容量为3 200 kW，尾水渠上设置2扇检修闸门。3.2 尾水检修闸门及启闭设备

为了便于发电机组的维修保养，2台机组下游各设1孔电站尾水检修闸门，该闸门采用潜孔式滑动平板钢闸门，孔口尺寸3.0 m×1.6 m（宽×高），设计水头4 m，闸门总水压力140 kN。闸门为下游封水，顶、侧止水采用P型止水橡皮，底止水采用条型止水橡皮，主滑块选用HT 15-33铸铁材料，门叶材料选用Q 235A钢材。尾水检修闸门的运行方式为静水启闭，闸门的平压方式是利用机组的排水系统从闸门下游充水实现平压。

该闸门各选1台2×50 kN的固定式电动葫芦起吊，以满足2台发电机组的维修和保养，启闭机的电机功率为2×7.5 kW，启门高度为9 m。该闸门在发电机组需要维护检修或电站不发电，厂房需要挡水时使用，平时处于开启状态。