水工设计中水库工程金属结构的方案分析--以重庆市云阳县幸福水库工程为例

水工设计中水库工程金属结构的方案分析

--以重庆市云阳县幸福水库工程为例

王高翔

重庆市水利电力建筑勘测设计研究院有限公司（重庆 401120）

摘要：为做好水利工程设计工作，本文结合重庆市云阳县幸福水库工程，就其水工设计中水库工程金属结构的方案进行分析，分别对大坝枢纽工程金属结构、供水及灌溉工程金属结构及防腐设计进行探究，并以期为此类工程或相关人员提供一定的参考和借鉴。

关键词：水利工程；水工设计；金属结构；方案研究；

0 引言

‌幸福水库位于重庆市云阳县蔈草镇西阳村，距离云阳县56km，是云阳县长江以南第一座中型水库。该水库位于泥溪河支流兰子河上游，坝址以上控制集水面积为24.47km2，正常蓄水位为429m，总库容达到1062万m3。幸福水库的建设旨在为云阳县及周边乡镇提供综合水利服务，包括灌溉、场镇饮水和农村人畜用水等。工程由枢纽工程和灌溉工程组成，枢纽工程包括挡水建筑物、泄水建筑物和取（放）水建筑物，灌区部分包括灌溉、供水管线等。水库建成后，将保障蔈草、泥溪、龙角、普安、外郎五个乡镇5.4万城乡居民和5.2万头牲畜的饮用水水源，以及29个村（社区）3.4万余亩耕地的灌溉用水‌12。

1项目分析

重庆市云阳县幸福水库工程金属结构分为大坝枢纽工程和供水与灌溉输水工程两部分。大坝枢纽工程金属结构包括大坝溢洪道工作闸门、导流洞封堵闸门、取水口拦污网、取水管道、管道检修阀门和工作阀门、大坝生态管及阀门、放空管及阀门等相应的附件与启闭设备。供水及灌溉工程金属结构包括总干管、左干管、右干管、泥溪支管各管段的检修阀、排泥阀、排气阀、超压泄压阀以及相应的附属设备。设计方案依据有关规程规范进行。启闭设备参照国内系列标准和已建、在建工程资料选择。

2大坝枢纽工程金属结构

2.1大坝溢洪道工作闸门

根据本阶段水文规划专业的调洪计算成果以及水工专业的布置，大坝泄水系统推荐2孔6.0×6.6m的溢洪道工作闸门方案。水库水位一年中有超过一个月的时间位于堰顶422.50m以下，本工程只有2孔泄洪闸，闸门尺寸不大，2孔同时检修时间也不超过十天，且该地区在此时期气温符合检修要求，故在工作闸门上游侧不设检修闸门。

由于平面闸门及弧形闸门的投资相差较小，工作闸门承担着水库控制水位的任务，因此优先选择泄流边界水力学条件较好、美观、运行安全、开度灵活，所需启闭力相对较小的弧形钢闸门。溢洪道工作闸门的启闭机选用后拉式液压式启闭机。

（1）工作闸门布置

大坝溢洪道设置工作闸门2扇。闸门孔口尺寸为（宽×高）6.0×7.1m，水库校核洪水位为429.91m，正常蓄水位429.00m，闸门底坎高程422.40m，设计水头为6.6m，2孔共设2套埋件，2扇弧形工作闸门。闸门动水启闭，可局部开启。闸门超高按0.4m设计，总水压力1507kN。

（2）工作闸门结构

闸门高度设计为7.0m，弧面半径9m，弧门支铰高程为426.40m，支铰中心距底槛4m。弧形闸门为焊接钢结构，主框架为斜支臂π型框架，主梁与支臂均为工字形结构，主梁等高齐平连接的结构布置型式，门叶及支臂结构主材为Q355B，支铰轴承为自润滑球面轴承，铰座、铰链材质选ZG310-570，支铰轴材质为45#钢。闸门设为双吊点，吊耳布置在两侧边梁上，闸门两侧设导向轮。闸门侧止水采用L型橡塑复合止水，底水封采用I型止水橡皮。闸门按运输要求分节制造，在工地拼焊成整体。门槽由侧轨及底槛埋件组成，均为型钢与钢板焊接件，型钢材质为Q235，板材主要为Q355B。

（3）工作闸门启闭机

工作闸门运行方式为动水启闭，靠自重闭门，选用操作灵活，减震性好、安全度高，超载保护等技术性能优，端部铰接后拉式液压启闭机操作，容量为2×320kN-3.6m，液压启闭机的启闭速度为0.5m/min。闸门采用一门一机布置，即每扇闸门设一套启闭机，一套有泵站操作。油缸支铰高程为430.151m，液压泵站安装在坝顶（高程为431.00m）的液压泵房内。

每台液压启闭机含一套液压泵组和油箱，一台工作电机和一台备用电机，一面电气现地控制柜。电气控制柜柜面配置PLC自动控制触摸屏，并预留远程控制的信号接口，现地及中控室均能实现对弧形工作闸门的操作。液压油缸内的活塞杆采用表面金属氧化陶瓷涂层的陶瓷活塞杆，油缸的行程检测采用集成式(与陶瓷活塞杆结合一体的)行程检测装置，无接触扫描陶瓷活塞杆。油缸配套独立的上、下极限工作位、检修位置行程开关。传感器输出的信号经采集转换模块转换后，输出信号至现地PLC，在触摸屏显示闸门开度、启门力及其他设定的参数。

液压泵站动力电源由电气专业配备一回永久供电线路提供，并另设置1台柴油发电机组作为备用电源。

（4）工作闸门主要构件设计方法及计算成果

弧形工作闸门主框架采用平面体系假定进行分析计算，面板按四边支撑弹性薄板进行计算，并考虑2mm防锈层，所有承重构件的验算方法采用许用应力法进行计算，小横梁按多跨连续梁计算。其他零部件均按《水利水电工程钢闸门设计规范》(SL74-2019)有关规定验算其强度、挠度及稳定

[1]。主梁腹板的局部稳定h0/δ=46.7，无需要配置横向加劲肋。

2.2导流洞封堵闸门

本工程导流系统共设1孔1扇导流封堵闸门，孔口尺寸为3.0×4.0m。闸门底坎高程370.0m，闸门最高挡水水位根据水工专业提供，按照库内校核洪水位429.91m设计，闸门设计水头为60m，采用临时启吊设备操作，闸门下闸水深不超过2m。

（1）导流闸门结构设计

导流闸门主梁为组合工字梁，面板厚20mm，面板及水封均在下游侧，侧止水为“P”型橡皮，底止水“Ⅰ”型橡皮。闸门主支承采用8只工程塑料合金材质的弧面滑块支撑。反向支承采用8只铸铁滑块，侧向导向采用简支轮。闸门整体制造、运输，闸门水封及滑块等零部件分开运至工地组装为整体，闸门主要材料为Q355B。

导流闸门反轨、底坎为Q235B材料组合焊接结构，主轨为Q355B厚钢板材料和1Cr18Ni9Ti组合焊接结构，门楣为Q235B钢板、型钢材料和1Cr18Ni9Ti组合焊接结构。

（2）导流洞闸门及启闭机主要参数见表1

表1导流洞封堵闸门及启闭机主要技术参数表

（3）导流洞封堵闸门主要构件设计方法及计算成果

导流洞封堵闸门设计计算采用平面体系假定进行分析，闸门面板按四边支撑弹性薄板进行计算。承重构件的验算方法采用容许应力法进行计算，小横梁按多跨连续梁计算，主梁按均布荷载简支梁计算，滑块支承采用线荷载进行分析计算。其他零部件均按《水利水电工程钢闸门设计规范》(SL74-2019)有关规定计算其强度、挠度及稳定。主梁腹板局部稳定h0/δ=38.6，满足要求。导流洞闸门主要构件设计计算成果见下表2。

表2主要构件设计计算成果

2.3大坝取水塔金属设备

为满足下游供水及灌溉取水的要求，在大坝旁边布置圆筒形取水竖井，共设六层取水塔，分别在每层设置工作平台。每层工作平台设置安装吊物孔，吊物孔尺寸2.51m×2.69m。控制及检修平台高程431.40m，位于取水塔最顶部。

圆筒形取水竖井外壁上开设6个DN1300分层取水孔，每层设一个取水孔，孔口中心高程391.40～426.4m，孔口中心垂直间距7.0m，每层孔口前贴竖井外壁后分别安装钢制拦污栅、喇叭口、焊接钢管、检修蝶阀、伸缩节、偏心半球阀和焊接钢管。横向焊接钢管垂直连通DN1300取水管，竖向管道沿岸坡布置到导流洞井口，后沿导流洞一直至洞口处。

为防止污物进入，取水口设置固定式圆形拦污网，圆形拦污网宽直径1.8m，每个重0.5t，采用80×8扁钢做栅条，拦污栅的清污采用人工清污的方式。六扇拦污网后的管道起端分别设置DN1300的检修蝶阀、伸缩节和工作半球阀，工作偏心半球阀型号为电动PQ94H-10C,采用软硬密封，上开盖结构，检修蝶阀型号为法兰式电动硬密封蝶阀，材料均为铸钢构件，压力等级均为1.0MPa，阀门单重约1.3t。DN1300取水管采用Q355B焊接钢管，壁厚8mm，长约821m，重240t。

12只DN1300阀门的安装和检修，考虑采用CD型10t电动葫芦，经安装吊物孔起吊。电动葫芦设于安装吊物孔上方，控制及检修平台上部。

2.4大坝生态管、放空管及阀门

为满足水库的放空及下游的生态流量要求，当取水管从导流洞穿出后，先在洞口处分岔出放空管，再从放空管分岔出生态管，并在洞口设置放空闸阀室，消力井。放空管末端依次设置DN1300的检修蝶阀、伸缩节和工作锥形阀，通过锥形阀消能减压，并控制锥形阀开启大小来控制放水流量至消力井中。放空管采用Q355B焊接钢管，壁厚8mm，长约16m，重7.5t。放空工作锥形阀型号为固定式电动锥形阀，材料均为铸钢构件，压力等级均为1.6MPa，重约1.6t。放空检修蝶阀型号为法兰式电动硬密封蝶阀，材料均为铸钢构件，压力等级均为1.6MPa，重约1.3t。

生态管从放空检修蝶阀前的岔管接出，布置到大坝下游弃渣场挡墙墙脚。生态管末端依次设置流量计、DN300工作减压阀，通过消能减压，来控制放水流量至大坝下游天然河道中。生态管采用Q355B焊接钢管，壁厚6mm，长约294m，重15.5t。生态工作减压阀型号为YB416减压稳压阀也称为内螺纹连接减压阀，材料均为铸钢构件，压力等级均为1.0MPa，重约0.5t。

3供水及灌溉工程金属结构

3.1管材选择

可研阶段选择PE管、钢管、球墨铸铁管、玻璃钢管几张管材经过比较后，推荐管材为钢管。

初设阶段选择管材时，主要应结合工程的实际情况，合理分析适用于本工程的管道，本阶段经过多次现场踏勘，对球墨铸铁管、钢管、玻璃钢管和PE管几种再次进行比较复核后发现，灌区位于山区，交通不便，管道管径较大，线路较长，压力较大（1.6-4.0MPa），而大管径球墨铸铁管单根重量较重，施工转运困难且二次安装费用较高，PE管适用的内水压力等级（0.6-1.6MPa）较低，夹砂玻璃钢管管道耐冲击较差，安全性较差，适应地形变化能力较弱，供水管道工程不宜采用，以上三种管材均不适宜本工程，因此本阶段管材仍推荐钢管。

初设阶段管材选定钢管后，继续对钢管中的焊接钢管和无缝钢管进行比较。焊接钢管采用钢板卷制的工艺，只适用于DN400mm以上管径，壁厚无局限性，无缝钢管为定型产品，管径范围DN6-DN1016mm，壁厚0.25-65mm，而本工程管径范围DN245-DN1300mm，管径小于400mm的管段较短只有0.4km，为便于采购，管径小于400mm的管段采用无缝钢管。

本工程管径大于400mm的管段较长，重量较多，经施工、加工方式、投资的综合比较，推荐采用焊接钢管。

3.2管径选择及计算结果

（1）管径选择

本工程水库死水位为394m,为了保证管道在任何情况下均能通过供区、灌区所需流量，进水口管道顶高程不能高于392.0m。先根据实际地形及供区及灌区控灌高程布置管线，确定水头差。在管道进出口水位、流量、供区灌区控灌高程及管线确定的情况下，为了减小管径，节约投资，尽量采用经济流速（0.9-1.5m/s）中较大的流速（1.5m/s）的管径，计算各管段水头损失，最终选择满足供区、灌区控灌高程且富裕水头不大的管径。

（2）结构设计

管径选定后，根据管径和压力等级进行钢管结构计算，过程如下所示：

①钢管壁厚度,管壁厚度按锅炉公式：

δ≥

进行初步估算，P为各段的内水压力（Mpa），D为各段管内径（mm），允许应力[σ]按规范SL281-2003取σs的55%，焊缝系数φ取0.9。

根据水锤计算的结果，结合水力学计算的各段设计内水压力，分别试算各段壁厚，并按规范要求计算值应加2mm锈蚀厚度，同时为了材料采购方便，对壁厚值进行收整，最终确定钢管壁厚6-14mm，钢种为Q355B。下阶段建议进行水击压力专题研究，以优化管道壁厚。

②钢管管壁外压稳定分析,根据相关规范要求，钢管管壁的抗外压稳定安全系数不得小于2，即：

PCr为各管段的抗外压稳定临界压力值（Mpa），PC为均布外压力值（Mpa），如大气压、回填土荷载、地面车辆荷载等。经计算，总干管各管段每隔3m需设置一道加劲环才能满足抗外压稳定，加劲环采用Q355单环结构，厚16mm，高150mm,其上设置16对肋板，其余干支管各管段管壁的抗外压稳定安全系数大于2，满足规范要求。

3.3管道附件设置

供水及灌溉工程按照管道运行和管理维修的要求，每隔一公里左右应设置人工控制管道开启的检修阀门、排除多余气体的自动排气阀，在低凹处设置维修时放空管道的排泥阀，在分水口设置人工控制管道开启的分水阀门，以保证管道运行的安全。同时考虑在部分水锤防护设备事故时仍能保障管道安全运行，本工程在各管线比较重要的检修阀前设置超压泄压阀，该阀门具有当水压超过设定值在小于0.5秒钟时间内泄水，从而保障管道工作安全。

检修阀和分水阀采用电动阀门，并要求远程控制，压力等级为1.0-4.0MPa，考虑到灌溉分水时段较少，检修阀使用较少的情况，对除开放水闸阀室和三个水厂进口的阀门设置交流电源，其余阀门设置移动电池+直流阀门电动装置，当必须使用时，采用移动电池进行开闭。由于排泥阀长期置于河边，使用次数较少，还是采用常规的RRHV弹性座封手动闸阀，压力等级为1.0-4.0MPa。排气阀采用P42X快速排气补气阀，压力等级为1.0-4.0MPa。超压泄压阀采用AX742X活塞式安全泄压阀，压力等级为5.0MPa。

①排气阀:在输水管道隆起点、水平管道过长段，设置自动排（进）气阀门，以防通水时发生气堵，并在管道检修放空或产生水锤时进入空气，保证排水畅通，避免出现负压。本工程共设置排气阀48个；②排泥阀及阀井:在管道低凹处设置排泥阀，以便排出管内沉积物或检修时放空管道。本工程共设置排泥阀51个。由于本工程管线沿河流、冲沟布置，可直接排入河中，不在设置排泥湿井；③检修阀、分水阀、连接闸阀及阀井：为了便于检修，沿管道间隔1.0km左右设置隔段阀，隔断阀为电动闸阀，另外在管道分水点均设有隔断分水阀，隔断分水阀采用与管段压力等级相同的电动闸阀。本工程共设置检修阀56个，分水阀19个，应配备电源及远程控制接口；④流量计：在干管及各分水管设置流量计进行流量监测，管径（φ219mm-1300mm），选用外夹超声波流量计，共计7个，应配备电源及数据传输、远程控制接口；⑤超压泄压阀：在各个管线比较重要的检修阀前设置超压泄压阀，从而保障管道工作安全。本工程共设置超压泄压阀19个；⑥管道连接及防腐：钢管之间采用焊接。各种阀门、三通和钢管之间可采用法兰连接。根据地质专业的成果，区内地表水主要为HCO3–Ca或HCO3.SO4–Ca型水；区内地下水主要为HCO3–Ca或HCO3–Ca.Mg型水。地表水、地下水对钢结构存在弱腐蚀性，本次钢管内外壁防腐设计充分考虑涂料的耐腐蚀性、耐酸碱性，采用环氧涂料。在涂防腐涂料前应进行表面处理，除锈达到st3级标准；内外防腐采用GB28897-2012标准的热固性环氧树脂粉末，其性能满足PH值>11和Cl-+SO42->500mg/L两种情况下的腐蚀，涂层厚度≥450μm。内防腐还应符合卫生部饮用水标准。

4防腐设计

4.1闸门防腐设计

本工程的溢洪道闸门及埋件迎水面防腐前应先除锈，除锈应达Sa2.5级，防腐采用金属热喷涂锌保护系统，包括金属喷涂层、涂料封闭层和面漆层。涂料种类、涂层道数、漆膜厚度应符合表3规定，面层涂料的颜色为浅灰色。

表3 溢洪道闸门防腐设计表

上面表中防腐按《水利水电工程合理使用年限及耐久性设计规范》及《水工金属结构防腐蚀规范》相关规定执行，均满足≥20年的使用年限[2-3]。业主可根据运行管理情况，按要求进行除锈及刷漆处理。导流洞封堵闸门为临时封堵使用，使用时间小于三个月，除锈应达Sa2.5级，防腐直接采用氯化橡胶面漆。闸门埋件埋入混凝土一侧采用除锈后涂刷水泥浆的临时防护，厚度为300～500μm，分三道涂装。外露部分防腐措施与门叶相同，采用热喷涂锌防腐处理。

4.2管道防腐设计

钢管内外壁防腐：在涂防腐涂料前应进行表面处理，除锈达到st3级标准；内外防腐采用GB28897-2012标准的热固性环氧树脂粉末，涂层厚度≥450um，内防腐还应符合卫生部饮用水标准。

5结束语

综上所述，水利工程是一个极其复杂的综合性工程，因此需要各个不同专业的部门通力合作，确保每一个技术点和技术环节都必须结合实际情况进行设计工作的开展，从而为建设优质的水利工程提供保障，最终造福人民群众。

参考文献：

[1]中华人民共和国水利部.水利水电工程钢闸门设计规范：SL74-2019[S].北京.中国水利水电出版社.2019

[2]国家能源局.水利水电工程合理使用年限及耐久性设计规范：NB/T 10857-2021[S].北京.中国水利水电出版社.2022

[3]中华人民共和国水利部.水工金属结构防腐蚀规范：SL 105-2007[S].北京.中国水利水电出版社.2008

作者简介：王高翔（1984- ）男，汉族，重庆万州人，高级工程师，本科，主要从事水利工程设计方面工作。