水电综合工程金属结构设计的特点例谈

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摘要：水电综合工程的主要功能是发电、防洪、旅游、交通、土地开发以及改善城市环境。这些水电综合工程主体工程中都有闸坝工程，其在金属结构设备方面的投资往往在枢纽工程总投资中占据着重比例。在水电综合工程中，金属结构设计有着自身的特点，它决定了金属结构设备的选型和具体设置，也对工程的投资产生了很大影响。本文主要结合三江水电站和宝鸡峡电站的案例，对水电综合工程中的金属结构设计特点进行分析。

关键词：水电工程；金属结构；设计特点

中图分类号：TV73 文献标识码：A 文章编号：

水电综合工程的功能丰富多样，发电、防洪、旅游、交通、环境改善及土地开发等都是其主要的功能。为满足其多功能需求，水电综合工程往往会有大量的枢纽建筑物。而在这些建筑物中，金属结构设备占据着不小的比重，对于整个水利工程意义重大。其金属结构设计有一定特点，它直接决定了水电工程的金属结构设备的选型、施工技术标准及工期安排，同时还对水电工程的成本投入产生了很大影响。本文将结合三江水电站及宝鸡峡电站的实际案例来分析水电综合工程的金属结构设计特点。

一、水电综合工程的金属结构设计

金属结构设备指的是以金属为主体结构的设备，例如钢结构设备。它在水电工程中是必不可少的组成部分，因而金属结构设计对水电工程而言也有着重要意义。水电综合工程的金属结构设计主要包括了冲沙系统、泄洪系统、电站引水系统、事故检修系统等多方面的闸门和启闭机以及电站的压力钢管的设计问题。其设计原则主要如下：

首先，金属结构设计要满足水电综合工程的性能要求，水电综合工程的用途广泛，对应不同的功能需求也要有不同的金属结构设计，如此才能保证水电工程金属结构设备安排的科学合理性，才能最大限度地发挥金属结构设备的效能，确保水电综合工程各项功能的正常运行。例如闸门泄水能力要大，无严重空蚀、无强烈振动，在各种开度下泄水时，水力性能要好。

其次，金属结构设计要考虑到水电枢纽的资金投入情况。水电综合工程是一项投资巨大的基础项目建设工程，很容易造成资金浪费或资金使用不当的问题。而金属结构设备的资金投入在工程总资金投入占据了不小的比重，在金属结构设计的时候就要优化设计方案，考虑金属结构设备的资金投入，确保每一分钱都用在了刀刃上，既不会造成资金浪费也不会出现由资金投入不当引发的某些关键设备施工资金不足的现象。从这一层面来说，金属结构设计方案优化也是有效控制水电综合工程成本的重要方法。

第三，金属结构设计应综合考虑水电工程的各项因素。水电综合工程是一项复杂的土木工程项目，它受到地理环境、气候情况等多方面因素的综合作用影响。因此金属结构设计时，也要重视对各方因素的综合研究分析，选择最适合的金属结构设备，确定最合理的金属结构设备安排，以确保水电综合工程最大限度的发挥其效能，并延长其使用年限。

最后，金属结构设计需要立足于金属材料本身的属性。金属结构以金属材料为结构主体，在进行设计时就不能忽略金属材料的属性。尤其在环境条件比较复杂的水电综合工程当中，很多金属材料会不同程度地遭遇腐蚀、氧化、生锈等状况。因此，在进行金属结构设备选型时要从金属材料的属性出发，发挥优势性，巧妙避免可能出现的物理、化学反应，以延长金属结构设备的寿命，保证其效能。

二、三江水电站案例分析

在三江水电枢纽工程中，拦河闸坝是一项主体工程，闸坝的金属结构部分分为两部分：冲沙系统和泄洪系统。三江水电枢纽工程的拦河闸门基本采用大型的平板闸门，控制枢纽工程的下泄流量就是其主要功能。基于三江枢纽工程的重要性，设计17扇大型平板门保证技术的先进性与可靠性，所以借鉴了先进设计经验与改良措施，保证了设计工期与设计质量。

（一）冲沙及泄洪系统工作闸门与启闭机设计

三江水电站工程的冲沙及泄洪系统均采用露顶式平板定轮钢闸门，闸顶高程451.5m，冲沙系统设计闸孔数3孔，孔口宽度14m，底坎高程432.5m，正常水位挡水高度为16m。泄洪系统设计闸孔数12孔，孔口宽度14m，底坎高程为433.5m，正常水位挡水高度为15m。由于下游洪水位较高，闸门设计在满足水库运行要求的基础上，应尽量做到布置科学、结构简单、经济合理以及制造、运输、安装、检修、维护与运行灵活方便。

为降低闸门自身重量，便于运输，将冲沙闸门叶设计为四段五节，泄洪闸门叶设计为三段五节。每段门叶的结构都采取双主梁单腹板组合，门叶段之间使用轴联接，段间设置了中间止水闸，闸门的主支撑是定轮装置，其轮子的型式为双曲踏面。冲沙系统闸门的水压力由16个简支的定轮传递到主轨，泄洪闸则设计为12个定轮。定轮轴套选择钢基铜塑的新型复合材料，它具有低摩擦系数、高承压强度的特点。

冲沙及泄洪系统闸门启闭机的设备选择了固定式的卷扬机，其启门力达到了2*1600KN，而其启闭的高度达22m，设置高程在472m高的平台上面。

（二）冲沙及泄洪系统检修闸门与启闭机设计

冲沙及泄洪系统的工作闸门设有上游检修门，其作用为枯水期的冲沙及泄洪系统工作闸门、门槽以及流道的检修。15孔的工作闸门需要两扇检修门，其设备选型是平面的滑动钢闸门，在静水状态下启闭。

为降低闸门自身重量，将检修闸的门叶设计为荷载分段，每段门叶的结构都采取双主梁单腹板组合，门叶段之间使用轴联接。闸门的主支撑是滑道装置，由于滑道材料的选择会影响到闸门稳定运行、启闭容量大小以及门槽的合理性与经济性，因此滑道材料选择动静摩擦系数都较小而且稳定的钢基铜塑复合材料，型号为TSG-2。该种新材料较以往滑道材料而言综合性能较高，但其滑道磨损的裕度小，对钢轨制造、安装要求精度高，不适合操作频繁的工作闸门。

冲沙及泄洪系统检修门的启闭设备选择一台单向门机，其主要起升的启门力达2*800KN，辅助起升的启门力为800KN，坝顶的扬程达11.5m，总的扬程达15m，设计高程在451.5m的坝顶上部。

目前，三江水电工程的拦河闸门已经进入正常运行阶段，金属结构设备运行尚算稳定。

三、宝鸡峡电站案例分析

在宝鸡峡二期加闸加坝的水电工程中，金属结构设备主要有20套各类闸门、栅槽和门槽，16扇各类型闸门与拦污栅，1台坝顶门式启闭机，5台QPQ－2*1000KN固定式启闭机，3台QPQ—2500KN固定式启闭机，1台QPQ－1000KN固定式启闭机，所有金属设备总重为2300吨。

整个泄洪系统由左底孔、中孔和右底孔组成，主要功能为泄洪，兼带排沙与放空作用。中孔和底孔都有局开的要求，而底孔使用的频率高。中孔有5孔，尺寸为10*8.9m，坝顶的高程为615m。每个孔都设计了一扇工作弧门，结构模式采取双柱横梁斜支臂箱组合，门槽两边的闸墩上设计检修平台，用于侧止水的检修、更换。5孔中孔共用一扇检修闸门，设计为平面钢闸门，下游止水方式，以NL-150滑道为支撑材料，实现静水启闭。

底孔设计为左一右二，孔口尺寸为6.5*8m，底坎的高程为605m。每个孔都设计了工作弧门一扇，其结构形式是双柱横梁斜支臂的组合，门叶分四节，采取动水启闭方式。3孔底孔共用一扇检修闸门，设计为平面的定轮闸门，静水启动、动水关闭，检修平台的高程设计为614.5m。

中孔及底孔的弧门启闭设备均采用用固定卷扬式启闭机，采取单门单机设计，其吊头和弧门的门钉吊耳直接相接，其电气设备的功能应包括就地控制与中央集中控制。

目前，宝鸡峡水电工程的拦河闸门的二期工程已经进入正常的运行阶段，其金属结构设备运行稳定。

总结：

通过三江水电站和宝鸡峡电站的金属结构设计案例分析可得结论：在水电综合工程中，金属结构设计主要特点为复杂性、综合性、实用性以及实效性。金属结构设计是否符合规范可以由水电施工的监理和检测来确定，其具体的效果却要经过水电综合工程投入实际运营来进行检验。因此，金属结构设计的全过程，并非在设计产品投入施工以后或者工程完工以后就结束了，还要在水电综合工程稳定运行一段时间后对金属结构设计的科学合理性进行再次的检验，并及时将存在缺陷的金属结构设计完善起来。

参考文献：

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