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石河水库除险加固工程金属结构设计

文档作者：张延忠朱建和刘燕强文档来源：河北省水利水电第二勘测设计研究院		点击数：	更新时间： 2024年06月07日
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上一篇：受泥石流影响的某水电站处理方式研究

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收稿日期：２０１６ - ０３ - １５
作者简介 ：张延忠 （１９８２ - ） ，男 ，工程师 ，主要从事水利 工程金属结构设计工作。
石河水库除险加固工程金属结构设计
张延忠，朱建和， 刘燕强
（河北省水利水电第二勘测设计研究院，河北石家庄０５００２１）
摘 要：水库金属结构设备针对不同的建筑物应采取不同的布置型式。结合石河水库除险加固工程金属结构设计过
程，对其布置形式进行了详细介绍，其设计满足了水库蓄水和安全运用的要求。图２ 幅。
关键词：水库； 除险加固；金属结构；设计
1 工程概况
石河水库位于河北省秦皇岛市山海关西北约
６ km 的石河上， 是１ 座以城市生活、工农业供水为
主， 同时兼顾防洪、发电、养殖、旅游等综合利用
的中型水利枢纽工程。枢纽工程由大坝（溢流坝和
非溢流坝） 、泄水洞、输水洞、发电洞和电站等建
筑物组成。工程于１９７２ 年动工兴建， １９７５ 年竣工
投入运用。
石河水库原金属结构设备包括： 溢流坝段９ 扇
升卧式平板钢闸门， 闸门尺寸（宽× 高） ８ m ×
１０.２ m ， 启闭机为固定卷扬BTQ — ２ × ４０ t ； 泄水洞
进口１ 扇２.０ m × ２.５ m 平板检修钢闸门， 出口设
２ m × １.５ m （宽× 高） 弧形钢闸门１ 扇， 配W L —
３２／２５ 电动螺杆启闭机； 输水洞进口１ 扇
２.５ m × ３.０ m 平板检修钢闸门， 配Q PQ — ２ × １６ t固
定卷扬启闭机， 出口设２ m × １.５ m （宽× 高） 弧形
钢闸门１ 扇， 配W L — ３２／２５ 电动螺杆启闭机； 发
电洞进口１ 扇２.５ m × ３.０ m 检修钢闸门， 闸门后设
有１ 扇拦污栅。
根据水库大坝安全鉴定报告， 石河水库闸门和
启闭机已运行３３ a ， 均已大大超过使用折旧年限。
泄水洞和输水洞进口现为检修闸门， 不符合现行规
范要求， 应更新为事故闸门。溢流坝闸门门叶材料
为A ３F ， 根据当地气温条件， 不符合现行规范要
求。本次水库除险加固金属结构设计内容为： 拆除
更新溢流坝工作闸门和启闭机， 增加检修闸门及启
闭机。将泄水洞和输水洞进口检修闸门更新为事故
闸门， 更换启闭机； 更换发电洞进口拦污栅和检修
闸门及启闭机。由于大坝下游贴坡加固， 泄水洞和
输水洞出口工作闸门及启闭机也要拆除更新。
２０１２ — ２０１５ 年对水库主要建筑物进行了除险加
固， 现金属结构设备均已安装并投入运行， 设备运
行良好。
2 溢流坝金属结构设计
溢流坝金属结构设备改造内容为拆除更新溢流
坝工作闸门及其启闭设备； 增加检修闸门及启闭设
备；改造后溢流坝设９ 扇工作闸门和１ 扇检修
闸门。
２.１ 溢流坝工作闸门及启闭机
溢流坝工作闸门尺寸（宽× 高） ８ m × １０.２ m ，
设计水头９.７ m ， 共９ 扇。闸门型式比较了升卧式
闸门、弧形闸门和直升式平面闸门。水库原闸门型
式为升卧式， 该型闸门不宜调节闸门开度运行， 难
以控制闸门下泄流量。弧形闸门需要较长闸墩， 因
水库需保持供水， 不能空库施工， 这给闸墩的改造
带来较大难度。因此溢流坝工作闸门型式采用直升
式露顶平面钢闸门。闸门自重每扇２９ t ， 埋件重每
孔５.５ t。闸门结构设计采用实腹式多主梁焊接结
构，双吊点， 主梁为变截面组合梁。门体材质为
Q ２３５C 。闸门为悬臂式滚轮支承， 主轮为铸钢件，
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规划设计 SM A LL H Y D RO POW ER ２０１６ N o.3 ， Total N o.189
直径为φ ８００ m m ， 共８ 个。止水采用前水封， 侧
止水为“P” 型， 底止水为板条形。闸门主轮轴承
选用自润滑圆柱轴承。闸门埋件的主轨、反轨、底
轨均为钢板与型钢焊接件， 反轨设有不锈钢止水
座板。
闸门操作方式为动水启闭， 启闭机为固定卷扬
式启闭机， 工作级别为Q ２_轻， 容量２ × ４００ kN ， 扬
程１３ m ， 一门一机， 共９ 台。滑轮倍率为４ ， 卷筒
直径φ６００ m m ， 为双联、钢丝绳多层缠绕； 钢丝绳
采用线接触金属芯镀锌钢丝绳， 制动器采用Y W Z
型液压制动器， 减速器采用Q JS 系列中硬齿面减
速器。
２.２ 溢流坝检修闸门及启闭机
检修闸门布置在工作闸门的上游， 闸门尺寸
（宽× 高） ８ m × １０ m ， 共１ 扇， ９ 孔共用。闸门型
式为叠梁钢闸门， 共分４ 节， 每节门高２.５ m ， 闸
门自重２１.５ t。闸门设计采用实腹式多主梁焊接结
构， 主梁为变截面组合梁， 滑块支承。门体材质为
Q ２３５C 。主滑块材质为钢基工程塑料合金。止水采
用前水封， 侧止水为“P” 型， 底止水为板条形。
门槽埋件利用原升卧式工作闸门槽埋件并进行改
造， 具体做法为将原工作门槽下游侧圆弧段埋件拆
除， 然后接长竖直埋设至墩顶。
闸门操作方式为静水启闭， 平压方式采用节间
充水。启闭设备选用同轴驱动移动式电动葫芦， 双
吊点， 配合自动挂脱梁起吊， 容量２ × １００ kN ， 扬
程１８ m ， 共１ 台。门叶平时通过锁定梁横担在闸墩
上。电动葫芦工作制度为A ３ 级， 型号为M D 双钩，
起升机构采用双电机组。卷筒采用厚壁无缝钢管，
钢丝绳绕绳对称并排， 钢丝绳采用线接触金属芯镀
锌钢丝绳， 减速器采用硬齿面减速器。
3 泄水洞及输水洞金属结构设计
根据现行规范要求， 将泄水洞和输水洞进口检
修闸门更新为事故闸门， 更换门槽埋件和启闭设
备； 由于大坝下游贴坡加固， 泄水洞和输水洞出口
工作闸门及启闭机也要拆除更新。改造后泄洪洞和
输水洞进口设事故闸门１ 扇， 出口还设工作闸门
１ 扇。
３.１ 进口事故闸门及启闭机
泄水洞进口事故闸门共１ 孔， 孔口尺寸２.０ m
× ２.５ m （宽× 高） ， 设计水头３３.６１ m ， 闸门自重
５.０ t ，埋件重３.１ t。输水洞进口事故闸门共１ 孔，
孔口尺寸２.５ m × ３.０ m （宽× 高） ， 设计水头
２７.５６ m ，闸门自重５.５ t ， 埋件重３.６ t。闸门结构
均采用实腹式多主梁焊接结构， 主梁为等截面组合
梁， 门体材质为Q ２３５C 。闸门为悬臂式滚轮支承，
主轮为铸钢件， 直径为φ７００ m m 。面板设在上游
侧，水封采用后水封， 侧止水为“P” 型， 底止水
为板条形。闸门主轮轴承选用自润滑圆柱轴承。闸
门埋件的主轨、反轨、门楣及底轨均为钢板与型钢
焊接件， 主轨及门楣上设有不锈钢止水座板。
闸门操作方式为动闭静启， 利用水柱和门重关
闭闸门， 小开度提门充水平压。启闭设备均为固定
卷扬式启闭机， 工作级别为Q ２_轻， 单吊点， 容量
８００ kN ， 泄水洞和输水洞进口事故闸门启闭机扬程
分别为３１ m 和２５ m ， 各１ 台。滑轮倍率为６ ， 卷筒
直径φ８００ m m 。
３.２ 出口工作闸门及启闭机
泄水洞出口工作闸门１ 孔， 孔口尺寸１.８ m ×
１.５ m （宽× 高） ， 设计水头３３.５６ m 。输水洞出口
工作闸门１ 孔， 孔口尺寸１.８ m × １.５ m （宽× 高） ，
设计水头２７.６２ m 。闸门型式均为深孔弧形钢闸门，
直支臂双主横梁， 支承采用圆柱铰。闸门面板曲率
半径为３.０ m ， 材质采用Q ２３５C 。闸门自重４.７ t ，
埋件重２.０ t。闸门铰座轴承选用自润滑圆柱轴承，
闸门埋件的侧轨、门楣及底轨均为钢板与型钢焊接
件。侧轨及门楣上设有不锈钢止水座板。顶止水设
置２ 道， 门叶上和门楣上各１ 道， 结构型式采用圆
滚浮子式顶止水结构， 侧止水为方头“P” 型， 底
止水为板条形。
闸门操作方式为动水启闭， 启闭设备均采用摇
摆式螺杆启闭机， 工作级别Q ２_轻， 单吊点， 容量
５００ kN ／２５０ kN ， 扬程２.５ m ， 各１ 台。螺杆启闭机
的电机轴与涡轮轴为直接连接方式。
4 发电洞金属结构设计
发电洞金属结构设备改建包括更换进口拦污
栅、检修闸门、埋件及启闭设备。改造后发电洞进
· ３７ ·
小水电 ２０１６ 年第３ 期（总第１８９ 期） 规划设计
口设检修闸门１ 扇， 拦污栅１ 扇， 闸门和拦污栅
共槽。
４.１ 进口检修闸门、拦污栅及启闭机
发电洞进口设１ 扇检修闸门和１ 扇拦污栅， 闸
门和拦污栅共槽， 共用１ 台启闭机。闸孔平时放置
拦污栅， 检修闸门锁定在检修平台上。
检修闸门孔口尺寸２.５ m × ３.０ m （宽× 高） ，
设计水头２４.５６ m 。闸门结构设计采用实腹式多主
梁焊接结构， 主梁为变截面组合梁， 门体材质为
Q ２３５C 。闸门自重５.５ t ， 埋件重３.６ t。闸门为悬臂
式滚轮支承， 主轮为铸钢件， 面板设在上游侧， 止
水采用后水封， 侧止水为“P” 型， 底止水为板条
形。闸门主轮轴承选用自润滑圆柱轴承。闸门埋件
的主轨、反轨、底轨均为钢板与型钢焊接件， 反轨
设有不锈钢止水座板。
拦污栅尺寸２.８ m × ３.３ m （宽× 高） ， 设计水
头差２.０ m ， 与检修闸门共槽。拦污栅栅叶由栅叶
和支承框架构成。栅体材质为Q ２３５C ， 拦污栅重
２.０ t ， 采用滑块支承， 材质为工程塑料合金。
闸门操作方式为静水启闭， 小开度提门充水平
压。启闭设备为固定卷扬式启闭机， 工作级别为
Q ２_轻， 容量６３０ kN ， 扬程２２ m ， 共１ 台。滑轮倍
率为６ ， 卷筒直径φ ６００ m m 。
４.２ 检修闸门与拦污栅互换
在启闭机室平台梁底布置手拉移动葫芦， 用于
检修闸门与拦污栅互换。手拉移动葫芦由手拉小车
和手拉葫芦组成， 起重量３ t ， 起升高度６ m ， 共４
个。启闭机室平台梁底固定２ 根２０a 工字钢轨道
（见图１） 。
闸门和拦污栅吊装过程如下： 一是拦污栅在槽
内换闸门入槽。用固定卷扬机将拦污栅吊至孔口，
然后用工字钢将拦污栅担在孔口。此时摘掉卷扬机
吊钩， 用２ 个手拉葫芦将拦污栅吊至上游侧， 然后
另用２ 个手拉葫芦将检修闸门移至孔口并锁定， 摘
钩换卷扬机吊钩， 将检修闸门放入槽内。二是闸门
在槽内换拦污栅入槽。用固定卷扬机将检修闸门吊
出并担在孔口， 此时摘掉卷扬机吊钩换手拉葫芦吊
钩将检修闸门移至孔口上游侧， 用另一组葫芦吊拦
污栅入槽并担在孔口， 然后换用固定卷扬机吊钩将
拦污栅放入槽内。
图1 闸门、拦污栅与启闭机布置示意
5 金属结构设计要点
５.１ 主轮结构
（１） 主轴结构
溢流坝工作闸门承受总水压力为４ １６２ kN ， 为
减小启闭力， 闸门结构采用滚动式行走支承， 该支
承型式综合摩擦系数仅为滑动支承的１／２ ～ １／３ ，
能有效地减小闸门启闭力。同时， 为了减小门槽宽
度， 闸门采用８ 主轮布置型式； 主轴采用偏心轴结
构， 利用偏心轴的转动， 调整轮子使其踏面保证在
同一平面上。闸门安装完成后， 经过现场检查， 闸
门各滚轮与门槽埋件接触良好。
（２） 轴承材质
工程中采用了工程塑料合金自润滑轴承。该轴
承是一种单体复合材料， 不仅其硬度小， 耐磨性更
为优越， 有一定的弹性变形能力， 利于闸门的安装
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规划设计 SM A LL H Y D RO POW ER ２０１６ N o.3 ， Total N o.189
及运用。该轴承变形能力强， 抗压强度大， 达
５０ M Pa ，较好地满足了强度要求。同时， 该轴承具
有自润滑性能， 在工作中不需要添加润滑剂， 给管
理维护带来了方便。除此之外， 轴承与轴的摩擦系
数小， 无润滑时０.１６ ， 水润滑时０.０５ ， 降低了闸
门的启门力。轴承与轮子采用的配合为H ８ ， 轴承
与轴采用的配合为f８ 。各闸门轴承均采用工程塑料
合金自润滑轴承。安装后， 闸门的滚轮转动灵活。
５.２ 顶水封结构
泄洪洞、输水洞进口事故闸门以及发电洞进口
检修闸门均采用后水封型式， 为防止顶止水在与埋
件的摩擦和水流的冲击下橡皮圆头产生翻卷， 损坏
橡皮， 将水封压板边缘略加弯转， 形成倒“L ”
型， 在闸门开启时， 橡皮与压板充分接触， 从而有
效地保护了橡皮（见图２） 。
图2 顶水封结构示意
５.３ 启闭机安全装置
固定卷扬式启闭机和摇摆式螺杆启闭机均配有
机械限位开关， 闸门运行达到上、下极限位置时能
自动断开回路， 使启闭机停止运行。另外， 启闭机
均配有闸门开度测控装置和荷重测控装置， 测控装
置包括传感器、配套线缆及二次仪表。卷扬式启闭
机闸门开度传感器与卷筒轴联接， 荷重传感器置于
平衡滑轮轴内。摇摆式螺杆启闭机闸门开度传感器
与齿轮联接， 荷重传感器安装在机座内。开度传感
器及荷重传感器均能通过二次仪表进行显示， 并向
可编程逻辑控制器（PLC ） 输出报警信号。启闭机
现地控制柜装有开度测控装置及荷重测控装置的二
次仪表， 可监视闸门启闭的全过程。
电动葫芦设有起升机构上升、下降极限保护装
置， 并有可靠的制动装置， 设有紧急手动释放装
置。由于溢洪道检修闸门宽度较大， 闸门设计为双
吊点启闭， 电动葫芦采用机械传动轴连接， 同轴驱
动， 解决了双吊点的同步问题。
6 结 语
（１） 金属结构结构布置、选型合理， 设计符合
现行规范、技术标准有关规定。通过水库除险加固
工程， 将影响水库安全运用的金属结构设备进行了
改建。目前金属结构设备均已安装并投入运行， 均
满足水库蓄水和安全运用的要求。
（２） 将泄水洞和输水洞进口检修闸门更新为事
故闸门， 操作方式为动闭静启， 满足事故发生时动
水闭门的运行要求。
（３） 各闸门主轮采用了自润滑轴承， 降低了启
闭机容量， 提高了闸门运用的可靠性， 减少了日常
维护工作量。
（４） 在启闭机选型中， 平面钢门采用固定卷扬
式启闭机， 弧形闸门采用摇摆式螺杆启闭机， 均配
有闸门开度和荷重测控装置， 可实现现场和远程集
中控制， 提高了工程的自动化水平。
参考文献：
［１］ 刘细龙 ，陈福荣 ．闸门与启闭设备［M ］ ．北京 ：中国水利 水电出版社，２００２ ．
［２］ 黄希元，唐怡生．小型水电站机电设计手册（金属结构）
［M ］ ．北京：水利电力出版社，１９９１ ．
［３］ 水利部水利水电规划设计总院．水工设计手册：第７
卷，泄水与过坝建筑物（第２ 版）［M ］ ．北京：中国水利水
电出版社，２０１４ ．
［４］ 杨克昌．临城水库除险加固工程金属结构设计［J］ ．水
科学与工程技术，２０１２（２） ：３９_４１ ．
［５］ 安徽省水利局勘测设计院．水工钢闸门设计［M ］ ．北
京：水利出版社，１９８０ ．
■
责任编辑 吴 昊
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小水电 ２０１６ 年第３ 期（总第１８９ 期） 规划设计

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