大兴水利枢纽工程金属结构设计

李润芝 胡国智 杨春娟 刘璐

1 工程及金属结构概况

大兴水利枢纽工程主要由首部枢纽工程、输水线路工程和引水发电工程组成。首部枢纽由拦河坝、左岸输水建筑物、右岸发电引水建筑物组成。拦河坝为常态混凝土重力坝，由溢流坝段和挡水坝段组成，溢流坝段位于河床中部，设3孔泄流表孔用于泄洪及控制水位。取水输水建筑物布置在左岸挡水坝段，发电引水建筑物布置在右岸挡水坝段。电站为引水式电站，地面电站厂房位于右岸坝轴线下游320 m处，厂内布置2台单机容量为2.5 MW卧轴混流式水轮发电机组。导流洞1条，进口位于大坝右岸上游侧。

根据工程布置，大兴水利枢纽工程的金属结构设备布置于溢流坝段、输水洞进口、发电引水洞进口、厂房尾水及导流洞等处。设备共计包括拦污栅2套，平面闸门6套，弧形闸门3套，门（栅）槽埋件14套，启闭设备9台，金属结构设备总工程量约417.67 t（未含液压启闭机重量）。

2 金属结构设计总体思路

根据工程任务、功能、规模、环境、设备工作水头等条件，本着节能降耗、运行便利等原则，设计上采用紧凑、环保、便利、节能的布置及设计准则。

考虑工程环境地处温热地带，多年平均气温16.3℃，多年平均相对湿度80.5%，多年平均风速1.0 m/s，水质良好，因此，无需使用特殊材料。考虑供水任务，防腐采用环保型材料。

工程地区地震烈度小于Ⅵ度，根据抗震规范，可不进行抗震计算。

闸门操作无特殊要求，考虑近年来自动化程度在不断提高，除溢流道工作闸门采用可远程集中控制外，对未设置远程控制的各主要闸门启闭机预留了远程控制接口。

3 溢流坝段金属结构

3.1 溢流坝段金属结构布置

为了泄洪及控制水位，在大坝中部2个坝段设3个溢流表孔，每孔设1套露顶式弧形工作钢闸门。弧形工作闸门的启闭由液压启闭机操作，3扇溢流坝闸门共用1套液压站。由于工作闸门及埋件的检修，可以利用枯水期进行，故未设置检修闸门。考虑有特殊意外情况发生，为保证枢纽的正常运行，设1道检修闸门槽，为特殊情况下可检修工作闸门准备基础条件。

（3）微观组织检验 对端面裂纹附近齿部进行磨制抛光后腐蚀，如图4所示，按照JB/T6141.3标准检测，组织检测结果为碳化物1级，马氏体2级，表面局部存在较长的马氏体针，残留奥氏体2级，心部铁素体1级。

3.2 溢流坝弧形闸门及启闭设备

溢流坝设3孔弧形工作闸门，闸门的孔口宽度为10 m，堰顶高程517.00 m，闸门底槛高程506.905 m，设计及最大操作水位为正常蓄水位即514.00 m，总水压力3 006.7 kN。闸门由门叶、支臂、支铰、水封、侧轮等组成，支臂与门叶、支臂与支铰之间均采用螺栓联接。弧门半径为9 m（至面板内缘），支铰中心至底槛中心距离为4 m。门叶为主梁、面板、次梁焊接结构，主梁采用实腹焊接工字型变截面梁，主要材料为Q235B。支臂采用实腹焊接工字型截面，主要材料为Q235B。支铰装置由固定铰座、活动铰座、支铰轴、轴承等组成。固定铰座、活动铰座材料为ZG310-570，支铰轴直径Φ260 mm，材料为40Cr，轴套为球面自润滑轴承，内径为360 mm，外径为370 mm。闸门止水布置在上游面板侧，侧止水为“L”型橡皮，底止水为“Ⅰ”型橡皮。侧向设有简支式导向轮，每侧各设4套。

弧形闸门由双缸液压启闭机操作，闸门运行方式为动水启闭，可以局部开启。运行方式为先启升中间1孔闸门，再对称启升两侧边孔。启闭机容量为2×630 kN，吊点间距为9.3 m，工作行程4.6 m，最大行程4.8 m，启闭速度约0.5 m/min。油缸外径299 mm、内径250 mm，活塞杆直径140 mm，工作压力18.7 MPa。3台液压启闭机设有1个油泵站，泵站设4套油泵电机组，3用1备。原液压机泵站考虑布置在517.0 m高程的溢流坝工作桥的中间位置，后改为布置于右岸回车场边缘处，油泵站距启闭机最远油缸约92 m。为安全考虑，闸门平时运行时不可提出孔口，在特殊工况或检修维护闸门时可完全提出孔口。闸门既可远程集中控制，亦可现地操作。

因溢流坝弧形闸门有泄洪功能要求，为保证运行可靠，除正常供电外，另设柴油发电机作为备用电源。

4 输水洞进口金属结构

4.1 输水洞进口金属结构布置

输水洞进口共设1孔，为防止污物进入输水系统，在其进口设有1套拦污栅，拦污栅采用固定卷扬式启闭机通过拉杆操作，提栅后人工清污。为检修输水洞及发生事故时及时切断水流，在拦污栅槽下游设有1套事故检修闸门，闸门的启闭由固定卷扬启闭机操作。

4.2 输水洞进口拦污栅及启闭设备

拦污栅共1套，布置于进水口前端，采用平面直立活动式拦污栅，底槛高程482.0 m，孔口尺寸为4.0 m×3.0 m，设计水头差4 m。拦污栅前后设有投入式水位变送器用以监控水位差。考虑对下游泵组的保护，栅条净间距为50 mm。拦污栅栅体由框架、栅条组成，材料为Q235B。栅体上设有4套主支承滑块，主滑块采用自润滑复合材料。

拦污栅为潜孔式，通过拉杆与启闭机相连。启闭机采用固定卷扬式，容量为400 kN，总扬程8 m。考虑拦污栅为潜孔式，栅前污物量相对较小，并结合工程规模及节约投资原则，另设清污机必要性不大，因此，采用提栅结合人工的清污方式进行栅体污物清理工作。平时拦污栅关闭于孔口，为减少启闭机钢丝绳长期受力，将拉杆锁于孔口上方。

4.3 输水洞进口事故检修闸门及启闭设备

事故检修闸门共1套，紧邻拦污栅下游布置，采用平面滚动式平面闸门，孔口尺寸为2.0 m×2.0 m，底槛高程482.00 m，闸门按校核洪水位515.30 m设计，设计水头33.3 m，总水压力1 502 kN。闸门采用实腹式多主梁焊接结构。闸门主梁为等截面工字梁，闸门主材为Q235B。闸门采用简支轮支承，每侧设3个主轮，主轮材料为铸钢310-570，直径为Φ550 mm，轴承采用自润滑复合轴承。闸门止水和面板均设在下游侧，顶、侧止水采用“P”型橡皮（预压缩4 mm），底止水采用“Ⅰ”型橡皮。门槽设计采用Ⅱ型门槽，其宽深比为1.5，埋件中反轨、门楣及底槛均为组合焊接结构，材料为Q235B钢板及型钢，主轨采用铸钢轨道，材料为铸钢310-570，截面按定轮支承的最大线荷载设计。

事故闸门的启闭由固定卷扬式启闭机操作，启闭机容量为400 kN，总扬程40 m，启闭机采用了折线式卷筒。钢丝绳采用镀锌钢丝绳。启闭机与闸门长期直连，平时用锁定装置锁定在检修平台上。闸门的操作方式为动水闭门，充水阀充水平压后启门，由于闸门靠自重不能闭门，因此，辅以铸铁块设于门体内保证可靠闭门。闸门现地操作，控制箱预留远程接口。

5 发电引水进口金属结构

5.1 发电引水进口金属结构布置

发电引水进口共设1孔，为防止污物进入引水管道在其进口设有1套拦污栅，拦污栅采用固定卷扬式启闭机通过拉杆操作，拦污栅采用提栅后人工清污方式。在拦污栅槽下游，为检修发电引水洞及下游设备事故时及时切断水流，设有1套事故检修闸门，闸门的启闭由固定卷扬启闭机操作。

5.2 发电引水进口拦污栅及启闭设备

发电引水进口拦污栅共1套，布置于进水口前端，采用平面直立活动式拦污栅，底槛高程480.6 m，孔口尺寸为5.0 m×4.5 m，设计水头差4 m。拦污栅前后设有投入式水位变送器用以监控水位差。考虑对机组的保护，栅条净间距为50 mm。拦污栅栅体由框架、栅条组成，材料为Q235B。栅体上设4套主支承滑块，主滑块采用自润滑复合材料。

拦污栅为潜孔式，通过拉杆与启闭机相连。启闭机采用固定卷扬式，容量为400 kN，总扬程8 m。拦污栅同样采用提栅结合人工的清污方式进行栅体污物清理工作。平时拦污栅关闭于孔口，为减少启闭机钢丝绳长期受力，将拉杆锁于孔口上方。

5.3 发电引水进口事故检修闸门及启闭设备

发电引水进口事故检修闸门共1套，紧邻拦污栅下游布置，采用平面滚动式平面闸门，孔口尺寸为3.0 m×3.0 m，底槛高程480.6 m，闸门按校核洪水位515.30 m设计，设计水头34.4 m，总水压力3437 kN。闸门采用实腹式多主梁焊接结构。闸门主梁为等截面工字梁，闸门主材为Q235B。闸门采用简支轮支承，每侧设4个主轮，主轮材料为铸钢310-570，直径为Φ550 mm，轴承采用自润滑复合轴承。闸门止水和面板均设在下游侧，顶、侧止水采用“P”型橡皮（预压缩4 mm），底止水采用“Ⅰ”型橡皮。门槽设计采用Ⅱ型门槽，其宽深比为1.5，埋件中反轨、门楣及底槛为组合焊接结构，材料为Q235B钢板及型钢，主轨采用铸钢轨道，材料为铸钢310-570，截面按定轮支承的最大线荷载设计。

事故闸门的启闭由固定卷扬式启闭机操作，启闭机容量为630 kN，总扬程40 m，启闭机采用了折线式卷筒。钢丝绳采用镀锌钢丝绳。启闭机与闸门长期直连，平时用锁定装置锁定在检修平台上。闸门的操作方式为动水闭门，充水阀充水平压后启门，由于闸门凭自重不能闭门，因此，辅以铸铁块设于门体内保证可靠闭门。闸门现地操作，控制箱预留远程接口。

6 厂房尾水金属结构

电站厂房设有2台机组，每台机组设有1条尾水管。为施工便利，设置2套尾水检修闸门，闸门孔口尺寸为4.4 m×2.6 m，底槛高程460.40 m，按校核尾水位472.96 m设计，设计水头12.56 m。闸门采用潜孔平面滑动式，为实腹式多主梁焊接结构。闸门主梁为等截面工字梁，闸门主材为Q235B。门叶上设4套主支承滑块，主滑块采用自润滑复合材料，反向设有4套弹性反轮。闸门止水和面板均设在上游侧，顶、侧止水采用“P”型橡皮（预压缩5 mm），底止水采用“Ⅰ”型橡皮。

尾水检修闸门由2×100 kN电动葫芦通过机械自动抓梁操作，电动葫芦总扬程18 m。闸门静水闭门，通过充水阀充水平压后启门。尾水检修闸门平时存放在尾水平台的门库内。

7 导流洞金属结构

导流洞共1条，在导流洞进口设1孔导流闸门，施工导流期结束后下闸蓄水封堵导流洞。导流闸门孔口尺寸为5.7 m×6.6 m，底槛高程470.0 m，设计最高挡水水位514.0 m，设计水头为44 m，下闸水位473.09 m，24 h内最大可提门水位487.2 m。导流洞封堵闸门采用潜孔平面滑动钢闸门，采用实腹式多主梁焊接结构。闸门主梁为等截面工字梁，闸门主材为Q235B。闸门采用滑块支承，设8套主支承滑块。主滑块采用自润滑复合材料。闸门止水和面板均设在下游侧，顶、侧止水采用“P”型橡皮（预压缩4 mm），底止水采用“Ⅰ”型橡皮。

闸门通过固定式卷扬启闭机操作，启闭机容量为1 600 kN，总扬程20 m。为防止汛期启闭机浸水，启闭机安装于高程497.8 m混凝土平台上。导流结束后，启闭机可根据条件进行拆除回收。

8 金属结构设计总结

（1）溢流坝弧形工作闸门常规设计为1孔设置1个油泵站，每一个油泵站设2套油泵电机组互为备用。为节省工程投资，本工程3孔液压启闭机共用1个油泵站，油泵站设4套油泵电机组，3用1备。既能满足各闸门启闭速度要求，又节约油泵站数量。

（2）溢流坝弧形闸门支铰下端及弧门上未设置爬梯及锁锭装置，对今后弧门的检修维护带来不便。

（3）本工程操作输水洞及发电引水进口事故检修闸门的高扬程固定卷扬启闭机采用了折线式卷筒这一新技术，这一新技术对闸门启闭的平稳运行和钢丝绳的使用寿命都有较大的提升，为闸门和启闭设备的正常运行提供了保障。

（4）输水洞进口事故检修闸门及发电引水进口事故检修闸门现均为现地控制，均在启闭机控制箱中预留了远程控制接口，为今后的工程自动化管理提供改善条件。