水工金属结构发展情况及相关问题探讨

姚 宇 坚

(水利部 水利水电规划设计总院， 北京 100120)

近十几年来，我国水利水电建设进入了一个高速发展的时期，先后建成了三峡、南水北调、溪洛渡、小湾等一大批水利水电工程。近些年又开工建设了白鹤滩、大藤峡、乌东德、引江济淮、滇中引水等一批大型枢纽、引水调水及节水灌溉工程。目前，我国是水库大坝数量最多的国家，世界建成的200 m级以上高坝77座，我国有20座，占26%；在建的200 m级以上高坝19座，我国就有12座，占63%，其中超过300 m级的大坝占全球的2/3。世界高坝前100名中我国有27座，大库前100名中有10座。我国现有超过100 m的水库191座，库容大于10亿m3的水库有137座[1]。这些年水工金属结构设备也有了较大的发展，在某些方面已经达到或超过世界先进水平。

1 水工金属结构的发展情况

1.1 闸门及启闭机规模较大提高

随着高坝大库工程建设增多，已建成的闸门孔口尺寸越来越大、水头越来越高[1]。例如清江水布垭水电站放空洞偏心铰弧形闸门设计水头达到152 m，孔口尺寸6 m×7 m，总水压力达到89 600 kN[2]，小湾水电站放空底孔伸缩水封弧形闸门水头达到160 m，孔口尺寸5 m×7 m，总水压力达到115 000 kN[3]，这些指标均已达到或超过世界先进水平。除此之外，大孔口深孔闸门应用也逐渐增多，小湾泄洪洞弧形闸门孔口尺寸13 m×13.5 m，水头48 m，总水压力达到95 500 kN。在建的广西大藤峡枢纽低孔弧形闸门孔口尺寸9 m×18 m，水头39 m，总水压力达到72 600 kN，属国内先进水平。由于总体布置原因，该工程弧形闸门支铰采用露天整体钢梁支承，在国内尚属首例，钢梁重量达230 t，其设计、制造及安装均具有较大的挑战性。

在低水头大孔口闸门设计方面，结合防洪、航运及城市景观等要求，也开展了较多的创新和实践，例如南京三汊河40 m宽护镜闸门，是目前最大的护镜闸门[4]。江苏常州大运河90 m宽、引江济汉60 m宽双开弧门(三角闸门)，以及安徽塘西河口30 m宽立轴旋转闸门等，均已建成投运。目前，国内尚在研究设计更大孔口的水闸。这些特殊型式的闸门是在特定的设计条件下，经充分技术经济比较和论证后实施的。

随着国内机械制造水平提高和液压技术完善，启闭机性能和容量有了较大的提高，高扬程、大容量固定卷扬式启闭机的应用愈来愈多，液压启闭机得到了广泛的应用。例如向家坝导流洞固定卷扬式启闭机容量达到2×10 000 kN，溪洛渡水电站进口快速闸门液压启闭机也达到10 000 kN。目前，已开工或将要开工建设的高坝，启闭机容量已达到或超过上述水平。

新材料的应用使定轮闸门轮压有了较大提高，例如西藏旁多水库泄洪兼导流洞事故闸门设计轮压达到6 350 kN。高水头链轮事故闸门技术日趋成熟，得到较广泛应用，孔口尺寸和设计水头有了较大幅度的提高。

1.2 升船机及船闸闸门规模达到世界先进水平

三峡5级船闸是目前世界上最大规模的船闸，最大人字闸门尺寸为34.0 m×38.5 m，船闸已运行近15 a，年通过量达到1.1亿t，运行情况良好。三峡3 000 t级爬升式升船机提升高度113 m，是世界上最大的升船机。景洪500 t级水力浮筒式升船机，是我国首创的升船机型式，目前已建成通航。

在建的大藤峡水利枢纽3 000 t船闸，下闸首人字闸门高度达47.5 m，是目前规模最大的人字闸门，设计、制造和安装难度极大。另外，在建的引江济淮工程枞阳枢纽双向挡水船闸，三角闸门的规模也达到国内先进水平。

1.3 新技术新材料应用取得良好效果

近些年，在技术创新和采用新材料、新技术方面进行了大量探索，取得了较好的效果。通过学习、借鉴国际先进技术，以及不断探索和改进，高水头偏心铰弧形闸门、伸缩水封弧形闸门及链轮闸门设计更加完善，应用越来越多，为我国建设世界级高坝创造了条件。启闭机设计引进折线卷筒技术，解决了卷筒多层缠绕问题，使高扬程、大容量卷扬式启闭机的应用愈加广泛。在清污机设计方面，通过借鉴前苏联带导向槽液压抓斗技术，基本解决了困扰多年的水电站进口清污问题。自主开发了回转式清污机，在低水头渠道大污物量清污方面取得较好效果。在防海水腐蚀方面，有些工程采用了铸铁合金门槽，取得良好的防腐蚀效果，等等。

近几年，随着环保意识加强，开展了升鱼机、鱼道金属结构研究，通过学习借鉴国际先进经验，取得了初步成效。另外，在闸门防冰冻、无电起闸及闸门在线监测等方面也进行了有益的探索研究。

2 若干设计问题研讨

由于工作原因，在水利水电工程前期设计报告审查中，遇到一些金属结构方面常见的问题，结合工程实际运行情况，提出来供同行研讨，以期达到抛砖引玉的效果。

2.1 施工导流封堵闸门设计问题

近几年，曾发生数起导流闸门失事情况，引起了各方的关注。导流封堵闸门作为施工期临时设备，其运用具有较强的特殊性，一旦失事损失巨大，设计时应予以充分重视。

首先应合理确定闸门设计水头，相关专业提供的最高挡水水位由于下闸时段变动会出现较大差异，影响到闸门和水工结构的安全运用。因此，对下闸条件应进行分析、研判，宜按最不利下闸时段确定设计水头，并以此确定启闭机容量。同时，考虑下闸时水位壅高提升闸门的要求。由此会增加一些工程量，但相对于工程安全来说是适宜的。

其次是底槛需设置钢衬，防止因气、磨蚀发生破坏，致使闸门封堵失效。对于施工导流期较长的，例如达5 a以上的，宜设置护槽装置。

第三是合理确定施工期生态水泄放方案，不能采用闸门局开泄流或闸门上设置充水阀等形式泄流孔泄流(易发生堵塞，造成关闭不严)，防止因生态放水影响工程整体安全。

2.2 溢洪道检修闸门设置问题

溢洪道是重要的泄洪设施，确保工作闸门安全运用至关重要，因此需要设置检修闸门。因布置或投资原因取消或简化检修闸门设置的设计是不恰当的。

根据水工钢闸门设计规范[5]的规定，仅在每年工作闸门有足够的检修时间时，方可不设检修闸门。判断是否满足，应根据水库调节计算成果，例如30 a或以上的逐月水位变动计算成果进行判断，需剔出汛期数月(不能在汛期检修)，若每年至少有2个月以上库水位低于工作闸门底槛，则可判定不用设置检修闸门，否则应设置检修闸门。

由于水库调节计算是按水库正常运用年份进行计算，当水库某些功能不能及时投入时，计算结果会失真，例如有的水库灌溉、供水等功能在工程投运数年或十几年后才开始建设。因此，即使计算成果满足，仍需设置检修闸门。

2.3 闸门水力学设计问题

近些年曾发生个别工程闸门振动严重，无法正常运用，建成不久即进行了更换，有的出现启闭机钢丝绳瞬时拉断，或发生气爆造成闸门破坏等。在前期设计审查中也常见水力学设计缺陷或不合理，由于水工布置原因修改困难等，闸门水力学问题愈显突出。

良好的水力学条件是保证闸门安全运用的基础，除了闸门结构设计因素，水力学条件往往与水工结构布置有关，而对于闸门运行要求，相关专业人员不一定十分了解，需要金属结构专业人员密切配合，提出合理的水力学设计要求。例如，某工程工作闸门采用平面定轮闸门，其后设置了消力池和较高的消力坎，回水打在闸门上造成闸门振动严重。因此设计中需要对水工布置进行了解，充分重视闸门水力学设计。

2.4 引调水工程清污机型式选择问题

近些年，已建某些大型泵站或排涝河道倒虹吸进口，由于清污机选择不当给运用带来较多的问题。例如某渠道泵站，每年清除的水草达5 000 t，某倒虹吸进口污物延绵达数公里，采用液压抓斗清污机清污效果较差。有些工程已进行了改造，有的尚在改建。

流量较大的渠道或河道，由于汛期洪水裹挟污物较多，不宜采用断续抓取、效率较低的液压抓斗清污，而应采用连续运转效率较高的回转式清污机[6]。一般而言，当流量大于20 m3/s且污物较多时，应采用回转式清污机，当流量在5 m3/s～20 m3/s之间时，可采用液压抓斗清污，当流量小于5 m3/s时，可采用人工清污。当流量大于50 m3/s时，还可增设液压长臂挖斗清除体积较大污物，此时需在泵站或倒虹吸前池进口设置回转清污机桥。在渠道上设置拦污浮排的方式，实践证明效果不好。

布置在大江大河岸边取水的泵站，由于分流比较小，大量污物被主流带走，在泵站进口设置液压抓斗即可，必要时也可在引渠设置拦污浮排，利用清污船清除拦污排污物。流量小于5 m3/s的泵站可不设清污设备。

2.5 防洪高水位问题

有些水库需要承担下游防洪任务，设置了防洪高水位，该水位可能与设计洪水位相同，也可能相差较大。其目的是防止水库泄洪与下游区间洪水叠加对下游城镇造成危害。例如下游支流发生了较大洪水，危及下游城镇安全，此时水库就不能随意泄水，须采用控泄方式下泄。如果水库上游洪水也较大，控泄运用使库水位升高超过防洪高水位，则转入保坝运用，闸门敞泄。

这类水库溢洪道工作闸门设计挡水水位分两种情况确定，一是防洪高水位低于或等于设计洪水位，按设计洪水位设计；二是防洪高水位高于设计洪水位，按防洪高水位设计，其他部位闸门设计水头也按防洪高水位确定。

2.6 金属结构抗震设计问题

近些年开工建设或即将开工的高坝大库地震烈度较高，加强金属结构抗震设计尤为迫切。黄河勘测设计研究有限公司主持修编完成了《水利水电工程启闭机设计规范》(SL41)，目前处于报批阶段。规范修订加强了启闭机抗震设计的规定，在条文说明中对具体计算方法进行了补充、细化，提高了可操作性。

金属结构设备抗震设计可借鉴的经验较少。结合2008年汶川大地震紫坪铺水库启闭机局部损坏情况，设计中需要重点考虑以下要求：一是重要的泄水闸门启闭机应设置无电启闸设备；二是固定卷扬式启闭机轴承座不能采用铸铁材料，应采用铸钢制造；三是启闭机薄弱部位应按动峰值加速度进行水平力核验；四是塔顶等高部位要考虑“鞭梢”效应的影响，并进行复核验算等。相关具体验算方法还需要进行研究。有的设计院已经对高震区新建水库进行了复核，复核成果对后续工程设计具有较好的指导作用。

2.7 重要闸门在线监测问题

我国在20世纪60至70年代，建设了超过87 000座水库，约3 700扇大、中型闸门投入运行[7]，这些闸门中有许多已达到了折旧年限，有些甚至超过设计使用年限。近十余年国家投入大量资金对这些闸门进行了更新和除险加固，以保证其安全运用。随着运用年限的延长及大量新建工程投入运用，不可避免地会出现金属结构设备构件老化、锈蚀、结构强度降低等诸多问题，应引起足够的重视，有必要采取监测手段对重要闸门运行情况进行监测和健康诊断。黄民水等[8]、何龙军等[9]、郑东健等[10]分别采用不同的方法对安全监测布置进行了优化，弥补了以往布设经验的不足。盛旭军等[11]采用动态应变测试系统对闸门的动应力进行了测试研究。Surre F等[12]、Matta F等[13]采用感测光纤粘贴在钢结构表面对结构进行健康安全监测。随着高新技术的发展，重点应针对水工金属结构的特点创新研究智能化检测及远程智能监测技术与方法，推进水工金属结构在线监测专项技术标准的制定。同时，建立科学全面的安全评估方法及体系，确保实时准确诊断与监测水工金属结构的安全运行状况。

3 结 语

(1) 经过不懈努力，水工金属结构这些年取得了可喜的发展，有些方面已走在世界的前列。目前已开工或即将开工的项目，金属结构设备难度更高，具有更大的挑战性，需要继续努力去攻克难关。

(2) 金属结构设备是保证大坝和工程安全的重要设施，结合工程实例和审查工作实践，对若干常见的金属结构设计技术问题进行研讨，目的是通过研讨交流引起重视，以保证金属结构设备的安全运用。

参考文献：

[1] 王正中,张雪才,刘计良.大型水工钢闸门的研究进展及发展趋势[J].水力发电学报,2017,36(10):1-18.

[2] 廖仁强,向光红,汪鲁明.水布垭高水头放空洞设计技术创新与工程实践[J].人民长江,2008,39(19):1-2.

[3] 罗文强,余俊阳,曹以南.小湾水电站金属结构设备系统研究[J].水力发电,2004,30(10):39-41.

[4] 郑圣义,季 薇,邬显强.基于ANSYS的护镜门三维有限元分析[J].江南大学学报(自然科学版),2012,11(3):305-310.

[5] 水利水电工程钢闸门设计规范:SL 74—2013[S].北京:中国水利水电出版社,2013.

[6] 谢慧燕.齿耙回转式清污机在水电站的应用[J].广东水利水电,2010(2):46-47.

[7] Yang Guangming, GuChongshi, Huang Yong, et al. BP neural network integration model research for hydraulic metal structure health diagnosing[J]. International Journal of Computational Intelligence Systems, 2014,7(6):1148-1158.

[8] 黄民水,朱宏平,李炜明.基于改进遗传算法的桥梁结构传感器优化布置[J].振动与冲击,2008,27(3):82-86.

[9] 何龙军,练继建,马 斌.基于Moran's I指标的水工结构传感器优化布置[J].水力发电学报,2014,33(3):246-252.

[10] 郑东健,远 近.水工建筑物安全监测布置优化方法研究[J].水力发电学报,2012,31(5):236-240.

[11] 盛旭军,胡木生,张 兵,等.弧形闸门流激振动原型观测试验技术研究[J].水利技术监督,2016,24(1):7-11.

[12] Surre F, Sun T, Grattan K T. Fiber optic strain monitoring for long-term evaluation of a concrete footbridge under extended test conditions[J]. IEEE Sensors Journal, 2013,13(3):1036-1043.

[13] Matta F, Bastianini F, Galati N, et al. Distributed strainmeasurement in steel bridge with fiber optic sensors:validation throuIgh diagnostic load test[J]. Journal of Performance of Constructed Facilities, 2008,22(4):264-273.

特邀作者简介

姚宇坚，男，汉族，山西垣曲人，教授级高级工程师，中国水利学会金属结构专业委员会副主任委员。1982年1月毕业于华北水利水电学院工程机械专业，毕业后至今主要从事水工金属结构的设计、研究和技术审查工作，先后参加了三门峡二期改建、万家寨水利枢纽、引黄入晋、板桥水库复建等工程金属结构设计工作，曾任设计院金属结构专业设计总工程师。作为金属结构专业主审人，参加了南水北调、大藤峡水利枢纽、阿尔塔什水利枢纽、黔中引水工程、引汉济渭、引江济淮、滇中引水等项目的前期设计审查，作为水利部技术预验收专家，参加了三峡、皂市、西霞院、大隆等水利枢纽的竣工验收，以及作为安全鉴定专家，参加了小浪底、西霞院、紫坪铺、百色、恰甫其海等水利枢纽的安全鉴定工作。此外，还担任《水利水电工程钢闸门设计规范》(SL74)、《水利水电工程启闭机设计规范》(SL41)等修订的主要审查人。