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石河水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

文檔作者：張延忠朱建和劉燕強(qiáng) 文檔來(lái)源：河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年06月07日
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上一篇：受泥石流影響的某水電站處理方式研究

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收稿日期：２０１６ - ０３ - １５
作者簡(jiǎn)介 ：張延忠 （１９８２ - ） ，男 ，工程師 ，主要從事水利 工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。
石河水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
張延忠，朱建和， 劉燕強(qiáng)
（河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河北石家莊０５００２１）
摘 要：水庫(kù)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備針對(duì)不同的建筑物應(yīng)采取不同的布置型式。結(jié)合石河水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)
程，對(duì)其布置形式進(jìn)行了詳細(xì)介紹，其設(shè)計(jì)滿足了水庫(kù)蓄水和安全運(yùn)用的要求。圖２ 幅。
關(guān)鍵詞：水庫(kù)； 除險(xiǎn)加固；金屬結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)
1 工程概況
石河水庫(kù)位于河北省秦皇島市山海關(guān)西北約
６ km 的石河上， 是１ 座以城市生活、工農(nóng)業(yè)供水為
主， 同時(shí)兼顧防洪、發(fā)電、養(yǎng)殖、旅游等綜合利用
的中型水利樞紐工程。樞紐工程由大壩（溢流壩和
非溢流壩） 、泄水洞、輸水洞、發(fā)電洞和電站等建
筑物組成。工程于１９７２ 年動(dòng)工興建， １９７５ 年竣工
投入運(yùn)用。
石河水庫(kù)原金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備包括： 溢流壩段９ 扇
升臥式平板鋼閘門， 閘門尺寸（寬× 高） ８ m ×
１０.２ m ， 啟閉機(jī)為固定卷?yè)P(yáng)BTQ — ２ × ４０ t ； 泄水洞
進(jìn)口１ 扇２.０ m × ２.５ m 平板檢修鋼閘門， 出口設(shè)
２ m × １.５ m （寬× 高） 弧形鋼閘門１ 扇， 配W L —
３２／２５ 電動(dòng)螺桿啟閉機(jī)； 輸水洞進(jìn)口１ 扇
２.５ m × ３.０ m 平板檢修鋼閘門， 配Q PQ — ２ × １６ t固
定卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)， 出口設(shè)２ m × １.５ m （寬× 高） 弧形
鋼閘門１ 扇， 配W L — ３２／２５ 電動(dòng)螺桿啟閉機(jī)； 發(fā)
電洞進(jìn)口１ 扇２.５ m × ３.０ m 檢修鋼閘門， 閘門后設(shè)
有１ 扇攔污柵。
根據(jù)水庫(kù)大壩安全鑒定報(bào)告， 石河水庫(kù)閘門和
啟閉機(jī)已運(yùn)行３３ a ， 均已大大超過(guò)使用折舊年限。
泄水洞和輸水洞進(jìn)口現(xiàn)為檢修閘門， 不符合現(xiàn)行規(guī)
范要求， 應(yīng)更新為事故閘門。溢流壩閘門門葉材料
為A ３F ， 根據(jù)當(dāng)?shù)貧鉁貤l件， 不符合現(xiàn)行規(guī)范要
求。本次水庫(kù)除險(xiǎn)加固金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容為： 拆除
更新溢流壩工作閘門和啟閉機(jī)， 增加檢修閘門及啟
閉機(jī)。將泄水洞和輸水洞進(jìn)口檢修閘門更新為事故
閘門， 更換啟閉機(jī)； 更換發(fā)電洞進(jìn)口攔污柵和檢修
閘門及啟閉機(jī)。由于大壩下游貼坡加固， 泄水洞和
輸水洞出口工作閘門及啟閉機(jī)也要拆除更新。
２０１２ — ２０１５ 年對(duì)水庫(kù)主要建筑物進(jìn)行了除險(xiǎn)加
固， 現(xiàn)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備均已安裝并投入運(yùn)行， 設(shè)備運(yùn)
行良好。
2 溢流壩金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
溢流壩金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備改造內(nèi)容為拆除更新溢流
壩工作閘門及其啟閉設(shè)備； 增加檢修閘門及啟閉設(shè)
備；改造后溢流壩設(shè)９ 扇工作閘門和１ 扇檢修
閘門。
２.１ 溢流壩工作閘門及啟閉機(jī)
溢流壩工作閘門尺寸（寬× 高） ８ m × １０.２ m ，
設(shè)計(jì)水頭９.７ m ， 共９ 扇。閘門型式比較了升臥式
閘門、弧形閘門和直升式平面閘門。水庫(kù)原閘門型
式為升臥式， 該型閘門不宜調(diào)節(jié)閘門開度運(yùn)行， 難
以控制閘門下泄流量?；⌒伍l門需要較長(zhǎng)閘墩， 因
水庫(kù)需保持供水， 不能空庫(kù)施工， 這給閘墩的改造
帶來(lái)較大難度。因此溢流壩工作閘門型式采用直升
式露頂平面鋼閘門。閘門自重每扇２９ t ， 埋件重每
孔５.５ t。閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用實(shí)腹式多主梁焊接結(jié)
構(gòu)，雙吊點(diǎn)， 主梁為變截面組合梁。門體材質(zhì)為
Q ２３５C 。閘門為懸臂式滾輪支承， 主輪為鑄鋼件，
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規(guī)劃設(shè)計(jì) SM A LL H Y D RO POW ER ２０１６ N o.3 ， Total N o.189
直徑為φ ８００ m m ， 共８ 個(gè)。止水采用前水封， 側(cè)
止水為“P” 型， 底止水為板條形。閘門主輪軸承
選用自潤(rùn)滑圓柱軸承。閘門埋件的主軌、反軌、底
軌均為鋼板與型鋼焊接件， 反軌設(shè)有不銹鋼止水
座板。
閘門操作方式為動(dòng)水啟閉， 啟閉機(jī)為固定卷?yè)P(yáng)
式啟閉機(jī)， 工作級(jí)別為Q ２_輕， 容量２ × ４００ kN ， 揚(yáng)
程１３ m ， 一門一機(jī)， 共９ 臺(tái)?；啽堵蕿椋?， 卷筒
直徑φ６００ m m ， 為雙聯(lián)、鋼絲繩多層纏繞； 鋼絲繩
采用線接觸金屬芯鍍鋅鋼絲繩， 制動(dòng)器采用Y W Z
型液壓制動(dòng)器， 減速器采用Q JS 系列中硬齒面減
速器。
２.２ 溢流壩檢修閘門及啟閉機(jī)
檢修閘門布置在工作閘門的上游， 閘門尺寸
（寬× 高） ８ m × １０ m ， 共１ 扇， ９ 孔共用。閘門型
式為疊梁鋼閘門， 共分４ 節(jié)， 每節(jié)門高２.５ m ， 閘
門自重２１.５ t。閘門設(shè)計(jì)采用實(shí)腹式多主梁焊接結(jié)
構(gòu)， 主梁為變截面組合梁， 滑塊支承。門體材質(zhì)為
Q ２３５C 。主滑塊材質(zhì)為鋼基工程塑料合金。止水采
用前水封， 側(cè)止水為“P” 型， 底止水為板條形。
門槽埋件利用原升臥式工作閘門槽埋件并進(jìn)行改
造， 具體做法為將原工作門槽下游側(cè)圓弧段埋件拆
除， 然后接長(zhǎng)豎直埋設(shè)至墩頂。
閘門操作方式為靜水啟閉， 平壓方式采用節(jié)間
充水。啟閉設(shè)備選用同軸驅(qū)動(dòng)移動(dòng)式電動(dòng)葫蘆， 雙
吊點(diǎn)， 配合自動(dòng)掛脫梁起吊， 容量２ × １００ kN ， 揚(yáng)
程１８ m ， 共１ 臺(tái)。門葉平時(shí)通過(guò)鎖定梁橫擔(dān)在閘墩
上。電動(dòng)葫蘆工作制度為A ３ 級(jí)， 型號(hào)為M D 雙鉤，
起升機(jī)構(gòu)采用雙電機(jī)組。卷筒采用厚壁無(wú)縫鋼管，
鋼絲繩繞繩對(duì)稱并排， 鋼絲繩采用線接觸金屬芯鍍
鋅鋼絲繩， 減速器采用硬齒面減速器。
3 泄水洞及輸水洞金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范要求， 將泄水洞和輸水洞進(jìn)口檢
修閘門更新為事故閘門， 更換門槽埋件和啟閉設(shè)
備； 由于大壩下游貼坡加固， 泄水洞和輸水洞出口
工作閘門及啟閉機(jī)也要拆除更新。改造后泄洪洞和
輸水洞進(jìn)口設(shè)事故閘門１ 扇， 出口還設(shè)工作閘門
１ 扇。
３.１ 進(jìn)口事故閘門及啟閉機(jī)
泄水洞進(jìn)口事故閘門共１ 孔， 孔口尺寸２.０ m
× ２.５ m （寬× 高） ， 設(shè)計(jì)水頭３３.６１ m ， 閘門自重
５.０ t ，埋件重３.１ t。輸水洞進(jìn)口事故閘門共１ 孔，
孔口尺寸２.５ m × ３.０ m （寬× 高） ， 設(shè)計(jì)水頭
２７.５６ m ，閘門自重５.５ t ， 埋件重３.６ t。閘門結(jié)構(gòu)
均采用實(shí)腹式多主梁焊接結(jié)構(gòu)， 主梁為等截面組合
梁， 門體材質(zhì)為Q ２３５C 。閘門為懸臂式滾輪支承，
主輪為鑄鋼件， 直徑為φ７００ m m 。面板設(shè)在上游
側(cè)，水封采用后水封， 側(cè)止水為“P” 型， 底止水
為板條形。閘門主輪軸承選用自潤(rùn)滑圓柱軸承。閘
門埋件的主軌、反軌、門楣及底軌均為鋼板與型鋼
焊接件， 主軌及門楣上設(shè)有不銹鋼止水座板。
閘門操作方式為動(dòng)閉靜啟， 利用水柱和門重關(guān)
閉閘門， 小開度提門充水平壓。啟閉設(shè)備均為固定
卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)， 工作級(jí)別為Q ２_輕， 單吊點(diǎn)， 容量
８００ kN ， 泄水洞和輸水洞進(jìn)口事故閘門啟閉機(jī)揚(yáng)程
分別為３１ m 和２５ m ， 各１ 臺(tái)。滑輪倍率為６ ， 卷筒
直徑φ８００ m m 。
３.２ 出口工作閘門及啟閉機(jī)
泄水洞出口工作閘門１ 孔， 孔口尺寸１.８ m ×
１.５ m （寬× 高） ， 設(shè)計(jì)水頭３３.５６ m 。輸水洞出口
工作閘門１ 孔， 孔口尺寸１.８ m × １.５ m （寬× 高） ，
設(shè)計(jì)水頭２７.６２ m 。閘門型式均為深孔弧形鋼閘門，
直支臂雙主橫梁， 支承采用圓柱鉸。閘門面板曲率
半徑為３.０ m ， 材質(zhì)采用Q ２３５C 。閘門自重４.７ t ，
埋件重２.０ t。閘門鉸座軸承選用自潤(rùn)滑圓柱軸承，
閘門埋件的側(cè)軌、門楣及底軌均為鋼板與型鋼焊接
件。側(cè)軌及門楣上設(shè)有不銹鋼止水座板。頂止水設(shè)
置２ 道， 門葉上和門楣上各１ 道， 結(jié)構(gòu)型式采用圓
滾浮子式頂止水結(jié)構(gòu)， 側(cè)止水為方頭“P” 型， 底
止水為板條形。
閘門操作方式為動(dòng)水啟閉， 啟閉設(shè)備均采用搖
擺式螺桿啟閉機(jī)， 工作級(jí)別Q ２_輕， 單吊點(diǎn)， 容量
５００ kN ／２５０ kN ， 揚(yáng)程２.５ m ， 各１ 臺(tái)。螺桿啟閉機(jī)
的電機(jī)軸與渦輪軸為直接連接方式。
4 發(fā)電洞金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
發(fā)電洞金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備改建包括更換進(jìn)口攔污
柵、檢修閘門、埋件及啟閉設(shè)備。改造后發(fā)電洞進(jìn)
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小水電 ２０１６ 年第３ 期（總第１８９ 期） 規(guī)劃設(shè)計(jì)
口設(shè)檢修閘門１ 扇， 攔污柵１ 扇， 閘門和攔污柵
共槽。
４.１ 進(jìn)口檢修閘門、攔污柵及啟閉機(jī)
發(fā)電洞進(jìn)口設(shè)１ 扇檢修閘門和１ 扇攔污柵， 閘
門和攔污柵共槽， 共用１ 臺(tái)啟閉機(jī)。閘孔平時(shí)放置
攔污柵， 檢修閘門鎖定在檢修平臺(tái)上。
檢修閘門孔口尺寸２.５ m × ３.０ m （寬× 高） ，
設(shè)計(jì)水頭２４.５６ m 。閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用實(shí)腹式多主
梁焊接結(jié)構(gòu)， 主梁為變截面組合梁， 門體材質(zhì)為
Q ２３５C 。閘門自重５.５ t ， 埋件重３.６ t。閘門為懸臂
式滾輪支承， 主輪為鑄鋼件， 面板設(shè)在上游側(cè)， 止
水采用后水封， 側(cè)止水為“P” 型， 底止水為板條
形。閘門主輪軸承選用自潤(rùn)滑圓柱軸承。閘門埋件
的主軌、反軌、底軌均為鋼板與型鋼焊接件， 反軌
設(shè)有不銹鋼止水座板。
攔污柵尺寸２.８ m × ３.３ m （寬× 高） ， 設(shè)計(jì)水
頭差２.０ m ， 與檢修閘門共槽。攔污柵柵葉由柵葉
和支承框架構(gòu)成。柵體材質(zhì)為Q ２３５C ， 攔污柵重
２.０ t ， 采用滑塊支承， 材質(zhì)為工程塑料合金。
閘門操作方式為靜水啟閉， 小開度提門充水平
壓。啟閉設(shè)備為固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)， 工作級(jí)別為
Q ２_輕， 容量６３０ kN ， 揚(yáng)程２２ m ， 共１ 臺(tái)?；啽?
率為６ ， 卷筒直徑φ ６００ m m 。
４.２ 檢修閘門與攔污柵互換
在啟閉機(jī)室平臺(tái)梁底布置手拉移動(dòng)葫蘆， 用于
檢修閘門與攔污柵互換。手拉移動(dòng)葫蘆由手拉小車
和手拉葫蘆組成， 起重量３ t ， 起升高度６ m ， 共４
個(gè)。啟閉機(jī)室平臺(tái)梁底固定２ 根２０a 工字鋼軌道
（見圖１） 。
閘門和攔污柵吊裝過(guò)程如下： 一是攔污柵在槽
內(nèi)換閘門入槽。用固定卷?yè)P(yáng)機(jī)將攔污柵吊至孔口，
然后用工字鋼將攔污柵擔(dān)在孔口。此時(shí)摘掉卷?yè)P(yáng)機(jī)
吊鉤， 用２ 個(gè)手拉葫蘆將攔污柵吊至上游側(cè)， 然后
另用２ 個(gè)手拉葫蘆將檢修閘門移至孔口并鎖定， 摘
鉤換卷?yè)P(yáng)機(jī)吊鉤， 將檢修閘門放入槽內(nèi)。二是閘門
在槽內(nèi)換攔污柵入槽。用固定卷?yè)P(yáng)機(jī)將檢修閘門吊
出并擔(dān)在孔口， 此時(shí)摘掉卷?yè)P(yáng)機(jī)吊鉤換手拉葫蘆吊
鉤將檢修閘門移至孔口上游側(cè)， 用另一組葫蘆吊攔
污柵入槽并擔(dān)在孔口， 然后換用固定卷?yè)P(yáng)機(jī)吊鉤將
攔污柵放入槽內(nèi)。
圖1 閘門、攔污柵與啟閉機(jī)布置示意
5 金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)
５.１ 主輪結(jié)構(gòu)
（１） 主軸結(jié)構(gòu)
溢流壩工作閘門承受總水壓力為４ １６２ kN ， 為
減小啟閉力， 閘門結(jié)構(gòu)采用滾動(dòng)式行走支承， 該支
承型式綜合摩擦系數(shù)僅為滑動(dòng)支承的１／２ ～ １／３ ，
能有效地減小閘門啟閉力。同時(shí)， 為了減小門槽寬
度， 閘門采用８ 主輪布置型式； 主軸采用偏心軸結(jié)
構(gòu)， 利用偏心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)， 調(diào)整輪子使其踏面保證在
同一平面上。閘門安裝完成后， 經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢查， 閘
門各滾輪與門槽埋件接觸良好。
（２） 軸承材質(zhì)
工程中采用了工程塑料合金自潤(rùn)滑軸承。該軸
承是一種單體復(fù)合材料， 不僅其硬度小， 耐磨性更
為優(yōu)越， 有一定的彈性變形能力， 利于閘門的安裝
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規(guī)劃設(shè)計(jì) SM A LL H Y D RO POW ER ２０１６ N o.3 ， Total N o.189
及運(yùn)用。該軸承變形能力強(qiáng)， 抗壓強(qiáng)度大， 達(dá)
５０ M Pa ，較好地滿足了強(qiáng)度要求。同時(shí)， 該軸承具
有自潤(rùn)滑性能， 在工作中不需要添加潤(rùn)滑劑， 給管
理維護(hù)帶來(lái)了方便。除此之外， 軸承與軸的摩擦系
數(shù)小， 無(wú)潤(rùn)滑時(shí)０.１６ ， 水潤(rùn)滑時(shí)０.０５ ， 降低了閘
門的啟門力。軸承與輪子采用的配合為H ８ ， 軸承
與軸采用的配合為f８ 。各閘門軸承均采用工程塑料
合金自潤(rùn)滑軸承。安裝后， 閘門的滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)靈活。
５.２ 頂水封結(jié)構(gòu)
泄洪洞、輸水洞進(jìn)口事故閘門以及發(fā)電洞進(jìn)口
檢修閘門均采用后水封型式， 為防止頂止水在與埋
件的摩擦和水流的沖擊下橡皮圓頭產(chǎn)生翻卷， 損壞
橡皮， 將水封壓板邊緣略加彎轉(zhuǎn)， 形成倒“L ”
型， 在閘門開啟時(shí)， 橡皮與壓板充分接觸， 從而有
效地保護(hù)了橡皮（見圖２） 。
圖2 頂水封結(jié)構(gòu)示意
５.３ 啟閉機(jī)安全裝置
固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)和搖擺式螺桿啟閉機(jī)均配有
機(jī)械限位開關(guān)， 閘門運(yùn)行達(dá)到上、下極限位置時(shí)能
自動(dòng)斷開回路， 使啟閉機(jī)停止運(yùn)行。另外， 啟閉機(jī)
均配有閘門開度測(cè)控裝置和荷重測(cè)控裝置， 測(cè)控裝
置包括傳感器、配套線纜及二次儀表。卷?yè)P(yáng)式啟閉
機(jī)閘門開度傳感器與卷筒軸聯(lián)接， 荷重傳感器置于
平衡滑輪軸內(nèi)。搖擺式螺桿啟閉機(jī)閘門開度傳感器
與齒輪聯(lián)接， 荷重傳感器安裝在機(jī)座內(nèi)。開度傳感
器及荷重傳感器均能通過(guò)二次儀表進(jìn)行顯示， 并向
可編程邏輯控制器（PLC ） 輸出報(bào)警信號(hào)。啟閉機(jī)
現(xiàn)地控制柜裝有開度測(cè)控裝置及荷重測(cè)控裝置的二
次儀表， 可監(jiān)視閘門啟閉的全過(guò)程。
電動(dòng)葫蘆設(shè)有起升機(jī)構(gòu)上升、下降極限保護(hù)裝
置， 并有可靠的制動(dòng)裝置， 設(shè)有緊急手動(dòng)釋放裝
置。由于溢洪道檢修閘門寬度較大， 閘門設(shè)計(jì)為雙
吊點(diǎn)啟閉， 電動(dòng)葫蘆采用機(jī)械傳動(dòng)軸連接， 同軸驅(qū)
動(dòng)， 解決了雙吊點(diǎn)的同步問(wèn)題。
6 結(jié) 語(yǔ)
（１） 金屬結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)布置、選型合理， 設(shè)計(jì)符合
現(xiàn)行規(guī)范、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)規(guī)定。通過(guò)水庫(kù)除險(xiǎn)加固
工程， 將影響水庫(kù)安全運(yùn)用的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備進(jìn)行了
改建。目前金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備均已安裝并投入運(yùn)行， 均
滿足水庫(kù)蓄水和安全運(yùn)用的要求。
（２） 將泄水洞和輸水洞進(jìn)口檢修閘門更新為事
故閘門， 操作方式為動(dòng)閉靜啟， 滿足事故發(fā)生時(shí)動(dòng)
水閉門的運(yùn)行要求。
（３） 各閘門主輪采用了自潤(rùn)滑軸承， 降低了啟
閉機(jī)容量， 提高了閘門運(yùn)用的可靠性， 減少了日常
維護(hù)工作量。
（４） 在啟閉機(jī)選型中， 平面鋼門采用固定卷?yè)P(yáng)
式啟閉機(jī)， 弧形閘門采用搖擺式螺桿啟閉機(jī)， 均配
有閘門開度和荷重測(cè)控裝置， 可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程集
中控制， 提高了工程的自動(dòng)化水平。
參考文獻(xiàn)：
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責(zé)任編輯 吳 昊
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小水電 ２０１６ 年第３ 期（總第１８９ 期） 規(guī)劃設(shè)計(jì)

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