浅析水利枢纽工程金属结构设计
摘要:本文主要介绍了龙桥水电工程中泄水、引水及导流三个系统的金属结构的规模、型式、主要技术参数和布置方案。
关键词:龙桥；水利枢纽工程；金属结构；设计
0. 引言
龙桥水电站位于湖北沙溪乡斑竹园，龙桥水利水电枢纽工程为三等中型工程，属于郁江干流湖北境内三级水电梯级开发中的一级。龙桥水电枢纽工程金属结构主要分布在泄水系统、引水发电系统和施工导流系统, 承担着电站的正常蓄水、安全泄洪、机组正常检修和事故防护等任务, 是电站安全运行、正常发挥效益的前提和屏障。
1. 泄水系统的金属结构
龙桥水利水电枢纽工程溢流坝段共设三孔表孔泄洪闸, 每孔泄洪闸均设有一扇弧形工作闸门, 其孔口尺寸12mx10.28 m(宽x 高, 下同), 因溢流堰面曲线不同, 边表孔弧形门底槛高程574.72m, 设计挡水水头10.28m, 闸门超高0.5m, 支铰中心高程581.22m ；而中表孔弧形门底槛高程574.61m, 设计挡水水头10.39m, 总水压力6501.42kN, 总水压力与水平线夹角17.539b, 闸门超高0.39m, 支铰中心高程581.11m 。弧形门面板半径均为R=11m,为便于制作安装, 三扇闸门规格相同。闸门主材为Q235B, 门体均为双主横梁直支臂框架结构, 两支臂夹角28.856b, 主梁与支臂实际单位刚度比K0=4.9，支铰轴承采用自润滑球面滑动轴承, 适应变形调整能力强。侧止水采用L1型外R 直角橡皮, 与不锈钢止水座板接触面积小, 对延长橡皮使用寿命有利，该门门叶、支臂等部件在工厂制造, 整体予拼装合格后, 分为高度尺寸不大于3.7m 的运输单元, 在施工现场拼焊成整体, 闸门可在闸室内利用临时启吊设备安装。闸门由液压启闭机操作, 吊点设在下主梁的悬臂段。门槽侧轨及底槛均为二期埋件。溢洪道表孔弧形工作闸门的运行条件为动水启闭、可局部开启控制流量, 两边孔同时对称操作, 但须避开共振区域运行。闸门关闭时最高挡水位585m, 开启时闸门底缘最高位置按1000年一遇校核洪水时泄洪的水面线确定为586m 。每孔弧门选用1台容量为2*1250kN液压启闭机作为启闭设备,
启闭机油缸采用上翘式支承, 两端吊耳采用自润滑球面滑动轴承, 与闸门和铰支座联接。
弧门支铰为自润滑球面滑动轴承, 其材料特性参见表1。启闭机工作行程约4 845 mm, 启闭机由油缸总成、液压泵站总成、液压管道、埋件和电气设备等组成, 主要技术参数见表2。考虑到三孔弧形闸门为本工程主要泄洪设施, 并有同时开启要求, 故分别设单独液压泵站, 并要求配备可靠的备用电源。闸门配有独立的开度控制系统。通过试运行, 确认闸门共振区间, 除共振区间外, 可以予置任何开度开启。三个液压泵站设置在闸墩前部的启闭机房内。
表1 支铰自润滑球面滑动轴承材料特性表
表2 QHLY-2x250kN液压启闭机主要技术参数
2. 引水发电系统金属结构
发电引水系统由进水口、引水隧洞、调压井、压力管道、岔洞和支洞等组成。
2.1 发电洞进口拦污栅
拦污栅为斜面式拦污栅, 单孔孔口尺寸6.0 m*9.0m,倾角80b, 设计水头差3m, 底槛高程560.60m, 共两孔。拦污栅分成3节, 节间销轴联接, 拦污栅经吊杆连接于589.0m 平台。拦污栅主材为Q235B, 拦污栅主梁为焊接组合工字梁, 支承型式采用HT20-40铸铁滑块。
2.2 发电洞进口事故检修闸门及启闭机
发电洞进口处设一扇平面事故检修门, 孔口尺寸。5.0 mx5.0m,底槛高程
560.60m, 设计水头27.51m, 总水压力6346.12kN 。闸门主材为Q235B, 门体为整体焊接结构, 分为2节, 在现场拼焊成整体, 闸门为简支定轮支承, 闸门运行方式为动闭静启, 平压方式为平压阀充水平压。电站运行时, 闸门必须位于孔口之上, 并处于待命状态, 随时准备动水下门。闸门不允许任何开度下控制运行。门槽埋件为二期安装, 主体材料为Q235B, 止水座板材料为1Cr18Ni9Ti 。选用一台QPG-1 600kN 型高扬程固定卷扬机作为事故检修门的启闭设备, 布置于进水口599.00m 高排架上, 最大扬程为35m 。启闭机由卷筒装置、钢丝绳、主滑轮组、吊具、减
速器、负荷限制安全装置、高度指示器、电控柜、机架、埋件等组成, 基主要技术参数见表3。
表3 QPG-1600kN固定卷扬机主要技术参数
2.3 输水压力钢管
龙桥水利水电枢纽工程压力钢管有明管和埋管两种类型。明管总长81m, 内径
4.5m, 壁厚14mm, 设计水头28.945m, 主材Q345C 。钢管支墩间距5.0m, 采用滑动支承形式,MGB 自润滑材料滑块, 不锈钢轨道板, 两者之间摩擦系数低于0.1。另外, 在钢管中部设置一个普通套筒伸缩节, 防止钢管伸缩变形产生巨大温度应力破坏结构, 影响工程运行安全。埋管布置在调压塔后部至发电机组前, 与蝶阀伸缩节前钢管焊接连接。压力钢管主材为Q345C, 由主管、岔管和支管三部分组成, 岔管结构通过有限元计算分析确定，最后确定压力钢管管壁厚度(外水折减系数取0.5) 取值, 即上弯段和斜直段上半部钢管厚度采用14 mm, 斜直段下半部、下弯段、下平段至平面转弯末端钢管厚度采用16 mm, 其后至分岔管钢管厚度采用14mm, 并配置相应的加劲环。由于外水折减系数取了0.5, 钢管外围采取了相应的排水措施。水电站引水系统钢岔管的内水压力较高, 围岩条件相对较好, 按埋藏式钢岔管进行设计。岔管采用贴边岔形式, 根据计算结果, 岔管壁厚度采用26mm, 主管内、外各贴边一层, 贴边厚度为26 mm ；支管外贴边一层, 贴边厚度为26mm ；岔管最大应力为230.9MPa, 小于钢岔管局部应力抗力限值(260MPa),满足结构要求。
2.4 发电洞检修孔封堵闸门
为便于以后检修需要, 在调压塔底部与支洞相交处, 设1个检修孔, 配设1扇封堵闸门, 其孔口尺寸(b*h)为0.8 m*1.8m,支洞侧底槛高程539.23 m,发电洞侧底槛高程538.98 m, 设计水头59.826m, 总水压力1225.17kN 。门体及埋件主材均为Q345B, 门铰轴、固定铰、活动铰及紧固件均为1Cr18Ni9Ti, 防止以后生锈而拆卸不便。止水螺栓一半数量直接与门体连接, 固定止水；另一半穿过门体与埋件连接, 固定闸门。
2.5 厂房尾水检修闸门
尾水闸门孔口尺寸6.1m*2.3m,共两孔, 两孔共设一扇尾水闸门, 底槛高程455m, 设计水头17.3m, 总水压力2294.8kN 。闸门主材为16Mn, 门体为整体焊接结构, 主支承为自润滑钢基铜塑复合材料滑块, 闸门运行方式为静水启闭, 闸门顶部设有充水平压阀，平时锁定于高程为468.8m 的检修平台。机组停机检修时, 下放闸门挡水, 启门时, 启闭机先作小开度提升200mm 行程后停机, 利用门顶充水平压阀向门后充水, 待平压充分后再继续提升至全开位置。本电站两台机尾水流道原设计共用一扇检修闸门, 由台车式启闭机提门运行至各个孔口上部, 供两台机轮流检修。施工期为满足两台机组同时安装要求, 又增设一扇检修闸门, 台式启闭机的主要技术参数列于表4。
表4 QT-12@160kN台车式启闭机主要技术参数
3. 施工导流洞系统金属结构
导流洞设一扇封堵闸门, 孔口尺寸(b*h)7m*9m,底槛高程516.5m, 下闸封堵水头为3.7m, 设计挡水水头68m, 总水压力40383.154kN 。闸门主材为Q345B, 门体
为焊接结构, 分为三节, 在现场通过边柱连接螺栓连成整体。面板及止水均布置在下游侧, 使闸门不产生水柱及上托力, 降低启闭容量, 对于闸门低水头下闸封堵有利。闸门主支承为MGA 弧面自润滑滑块, 摩擦系数小于0.12, 其优点为与滚轮支承相比较经济, 与平面自润滑滑块相比不锈钢轨道面加工难度小。闸门下闸利用临时启吊设备, 其启闭容量不小于1600kN 。闸门下闸后不考虑回收, 临时启吊设备有条件可考虑回收。下闸封堵前, 安装临时启闭机, 按闸门外形尺寸制作钢筋笼, 钢筋笼刚度满足下闸流速要求, 模拟下闸封堵，确认封堵门槽尺寸无误、槽内无异物后, 按设计条件及预定时间下闸封堵，封堵后迅速拆除启闭机, 运至安全地带存放。
4. 结束语
金属结构设备对电站的安全运行、事故保护及效益的发挥起着举足轻重的作用, 其规模、型式、主要技术参数和布置方案是否科学合理, 不容忽视。龙桥水电站金属结构设备的总体布置和选型充分考虑了工程本身的特点, 也降低了工程投资。
参考文献：
【1】丛景春；罗华. 龙桥水利水电枢纽工程金属结构设计. 湖北水力发电，2007
（69）
【2】李全星. 水利枢纽工程金属结构设计探讨. 城市建筑，2014（04）
【3】王英人. 小浪底水利枢纽金属结构设计的特点. 水电站设计，2002（04）
浅析水利枢纽工程金属结构设计
摘要:本文主要介绍了龙桥水电工程中泄水、引水及导流三个系统的金属结构的规模、型式、主要技术参数和布置方案。
关键词:龙桥；水利枢纽工程；金属结构；设计
0. 引言
龙桥水电站位于湖北沙溪乡斑竹园，龙桥水利水电枢纽工程为三等中型工程，属于郁江干流湖北境内三级水电梯级开发中的一级。龙桥水电枢纽工程金属结构主要分布在泄水系统、引水发电系统和施工导流系统, 承担着电站的正常蓄水、安全泄洪、机组正常检修和事故防护等任务, 是电站安全运行、正常发挥效益的前提和屏障。
1. 泄水系统的金属结构
龙桥水利水电枢纽工程溢流坝段共设三孔表孔泄洪闸, 每孔泄洪闸均设有一扇弧形工作闸门, 其孔口尺寸12mx10.28 m(宽x 高, 下同), 因溢流堰面曲线不同, 边表孔弧形门底槛高程574.72m, 设计挡水水头10.28m, 闸门超高0.5m, 支铰中心高程581.22m ；而中表孔弧形门底槛高程574.61m, 设计挡水水头10.39m, 总水压力6501.42kN, 总水压力与水平线夹角17.539b, 闸门超高0.39m, 支铰中心高程581.11m 。弧形门面板半径均为R=11m,为便于制作安装, 三扇闸门规格相同。闸门主材为Q235B, 门体均为双主横梁直支臂框架结构, 两支臂夹角28.856b, 主梁与支臂实际单位刚度比K0=4.9，支铰轴承采用自润滑球面滑动轴承, 适应变形调整能力强。侧止水采用L1型外R 直角橡皮, 与不锈钢止水座板接触面积小, 对延长橡皮使用寿命有利，该门门叶、支臂等部件在工厂制造, 整体予拼装合格后, 分为高度尺寸不大于3.7m 的运输单元, 在施工现场拼焊成整体, 闸门可在闸室内利用临时启吊设备安装。闸门由液压启闭机操作, 吊点设在下主梁的悬臂段。门槽侧轨及底槛均为二期埋件。溢洪道表孔弧形工作闸门的运行条件为动水启闭、可局部开启控制流量, 两边孔同时对称操作, 但须避开共振区域运行。闸门关闭时最高挡水位585m, 开启时闸门底缘最高位置按1000年一遇校核洪水时泄洪的水面线确定为586m 。每孔弧门选用1台容量为2*1250kN液压启闭机作为启闭设备,
启闭机油缸采用上翘式支承, 两端吊耳采用自润滑球面滑动轴承, 与闸门和铰支座联接。
弧门支铰为自润滑球面滑动轴承, 其材料特性参见表1。启闭机工作行程约4 845 mm, 启闭机由油缸总成、液压泵站总成、液压管道、埋件和电气设备等组成, 主要技术参数见表2。考虑到三孔弧形闸门为本工程主要泄洪设施, 并有同时开启要求, 故分别设单独液压泵站, 并要求配备可靠的备用电源。闸门配有独立的开度控制系统。通过试运行, 确认闸门共振区间, 除共振区间外, 可以予置任何开度开启。三个液压泵站设置在闸墩前部的启闭机房内。
表1 支铰自润滑球面滑动轴承材料特性表
表2 QHLY-2x250kN液压启闭机主要技术参数
2. 引水发电系统金属结构
发电引水系统由进水口、引水隧洞、调压井、压力管道、岔洞和支洞等组成。
2.1 发电洞进口拦污栅
拦污栅为斜面式拦污栅, 单孔孔口尺寸6.0 m*9.0m,倾角80b, 设计水头差3m, 底槛高程560.60m, 共两孔。拦污栅分成3节, 节间销轴联接, 拦污栅经吊杆连接于589.0m 平台。拦污栅主材为Q235B, 拦污栅主梁为焊接组合工字梁, 支承型式采用HT20-40铸铁滑块。
2.2 发电洞进口事故检修闸门及启闭机
发电洞进口处设一扇平面事故检修门, 孔口尺寸。5.0 mx5.0m,底槛高程
560.60m, 设计水头27.51m, 总水压力6346.12kN 。闸门主材为Q235B, 门体为整体焊接结构, 分为2节, 在现场拼焊成整体, 闸门为简支定轮支承, 闸门运行方式为动闭静启, 平压方式为平压阀充水平压。电站运行时, 闸门必须位于孔口之上, 并处于待命状态, 随时准备动水下门。闸门不允许任何开度下控制运行。门槽埋件为二期安装, 主体材料为Q235B, 止水座板材料为1Cr18Ni9Ti 。选用一台QPG-1 600kN 型高扬程固定卷扬机作为事故检修门的启闭设备, 布置于进水口599.00m 高排架上, 最大扬程为35m 。启闭机由卷筒装置、钢丝绳、主滑轮组、吊具、减
速器、负荷限制安全装置、高度指示器、电控柜、机架、埋件等组成, 基主要技术参数见表3。
表3 QPG-1600kN固定卷扬机主要技术参数
2.3 输水压力钢管
龙桥水利水电枢纽工程压力钢管有明管和埋管两种类型。明管总长81m, 内径
4.5m, 壁厚14mm, 设计水头28.945m, 主材Q345C 。钢管支墩间距5.0m, 采用滑动支承形式,MGB 自润滑材料滑块, 不锈钢轨道板, 两者之间摩擦系数低于0.1。另外, 在钢管中部设置一个普通套筒伸缩节, 防止钢管伸缩变形产生巨大温度应力破坏结构, 影响工程运行安全。埋管布置在调压塔后部至发电机组前, 与蝶阀伸缩节前钢管焊接连接。压力钢管主材为Q345C, 由主管、岔管和支管三部分组成, 岔管结构通过有限元计算分析确定，最后确定压力钢管管壁厚度(外水折减系数取0.5) 取值, 即上弯段和斜直段上半部钢管厚度采用14 mm, 斜直段下半部、下弯段、下平段至平面转弯末端钢管厚度采用16 mm, 其后至分岔管钢管厚度采用14mm, 并配置相应的加劲环。由于外水折减系数取了0.5, 钢管外围采取了相应的排水措施。水电站引水系统钢岔管的内水压力较高, 围岩条件相对较好, 按埋藏式钢岔管进行设计。岔管采用贴边岔形式, 根据计算结果, 岔管壁厚度采用26mm, 主管内、外各贴边一层, 贴边厚度为26 mm ；支管外贴边一层, 贴边厚度为26mm ；岔管最大应力为230.9MPa, 小于钢岔管局部应力抗力限值(260MPa),满足结构要求。
2.4 发电洞检修孔封堵闸门
为便于以后检修需要, 在调压塔底部与支洞相交处, 设1个检修孔, 配设1扇封堵闸门, 其孔口尺寸(b*h)为0.8 m*1.8m,支洞侧底槛高程539.23 m,发电洞侧底槛高程538.98 m, 设计水头59.826m, 总水压力1225.17kN 。门体及埋件主材均为Q345B, 门铰轴、固定铰、活动铰及紧固件均为1Cr18Ni9Ti, 防止以后生锈而拆卸不便。止水螺栓一半数量直接与门体连接, 固定止水；另一半穿过门体与埋件连接, 固定闸门。
2.5 厂房尾水检修闸门
尾水闸门孔口尺寸6.1m*2.3m,共两孔, 两孔共设一扇尾水闸门, 底槛高程455m, 设计水头17.3m, 总水压力2294.8kN 。闸门主材为16Mn, 门体为整体焊接结构, 主支承为自润滑钢基铜塑复合材料滑块, 闸门运行方式为静水启闭, 闸门顶部设有充水平压阀，平时锁定于高程为468.8m 的检修平台。机组停机检修时, 下放闸门挡水, 启门时, 启闭机先作小开度提升200mm 行程后停机, 利用门顶充水平压阀向门后充水, 待平压充分后再继续提升至全开位置。本电站两台机尾水流道原设计共用一扇检修闸门, 由台车式启闭机提门运行至各个孔口上部, 供两台机轮流检修。施工期为满足两台机组同时安装要求, 又增设一扇检修闸门, 台式启闭机的主要技术参数列于表4。
表4 QT-12@160kN台车式启闭机主要技术参数
3. 施工导流洞系统金属结构
导流洞设一扇封堵闸门, 孔口尺寸(b*h)7m*9m,底槛高程516.5m, 下闸封堵水头为3.7m, 设计挡水水头68m, 总水压力40383.154kN 。闸门主材为Q345B, 门体
为焊接结构, 分为三节, 在现场通过边柱连接螺栓连成整体。面板及止水均布置在下游侧, 使闸门不产生水柱及上托力, 降低启闭容量, 对于闸门低水头下闸封堵有利。闸门主支承为MGA 弧面自润滑滑块, 摩擦系数小于0.12, 其优点为与滚轮支承相比较经济, 与平面自润滑滑块相比不锈钢轨道面加工难度小。闸门下闸利用临时启吊设备, 其启闭容量不小于1600kN 。闸门下闸后不考虑回收, 临时启吊设备有条件可考虑回收。下闸封堵前, 安装临时启闭机, 按闸门外形尺寸制作钢筋笼, 钢筋笼刚度满足下闸流速要求, 模拟下闸封堵，确认封堵门槽尺寸无误、槽内无异物后, 按设计条件及预定时间下闸封堵，封堵后迅速拆除启闭机, 运至安全地带存放。
4. 结束语
金属结构设备对电站的安全运行、事故保护及效益的发挥起着举足轻重的作用, 其规模、型式、主要技术参数和布置方案是否科学合理, 不容忽视。龙桥水电站金属结构设备的总体布置和选型充分考虑了工程本身的特点, 也降低了工程投资。
参考文献：
【1】丛景春；罗华. 龙桥水利水电枢纽工程金属结构设计. 湖北水力发电，2007
（69）
【2】李全星. 水利枢纽工程金属结构设计探讨. 城市建筑，2014（04）
【3】王英人. 小浪底水利枢纽金属结构设计的特点. 水电站设计，2002（04）