阿湖水库除险加固工程金属结构布置关键技术浅析

杨启龙

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）

水库是江河防洪体系中不可缺少的一部分。金属结构布置和选型的合理性，对金属结构的工程量及水库建筑物的布置有重要影响，水库除险加固中需注重合理选择金属结构布置施工技术。

1 工程概况

阿湖水库位于东经76°01'30″～76°03'48″、北纬39°49'30″～39°50'30″，是修建在天山山脉西段南坡二阶山地中的山区拦河水库。水库距布谷孜河上游源头约82 km，距布谷孜河入喀什噶尔河汇合口79 km。坝址在阿俄水文站上游500 m 处，有简便公路通往阿图什，交通方便。

阿湖水库流域集水面积2 112 km2，库区范围4.5 km2，1987 年开始兴建，1997 年建成蓄水运行。原总库容3 770万m3，死水位1 563.55 m，设计洪水位1 572.05 m，相应库容3 040 万m3，非常运行期水位1 574.10 m。自2004 年完成除险加固蓄水运行以来，水库依然存在库区淤积严重、防洪能力不足、管理设施简陋、无观测设施及启闭设备开启困难等问题，需要重新除险加固。加固设计采用2017年实测的水位库容曲线，通过调洪演算和多方案比选，确定抬高正常蓄水位，加高大坝，改建泄水建筑物规模，同时降低汛限水位，解决水库兴利和防洪能力不足问题。

2 工程除险加固的必要性以及改造思路

2.1 除险加固必要性

阿湖水库距阿图什城市17 km，下游城乡居民近15万人，水库隐患由来已久。做好水库除险加固是全市人民当务之急，是全市进行正常生产、百姓安居乐业的需要。克州地区汛期为每年5 月1 日—9 月1 日，9 月汛期过后，水库进入蓄水期。但自1986 年以来，全疆范围内的各流域均进入了相对丰水期，大洪水接连不断，尤其是南疆地区的大多数河流均发生了实测系列以来的最大洪水。2010年9月18—20 日，克州境内普降强暴雨，阿图什市降雨量达到41.6 mm，受布谷孜河上游山区强降雨影响，洪水来势凶猛，超过100 a 一遇洪量，阿湖水库遭遇超100 a 一遇洪水。洪水发生后，克州、阿图什市两级党委政府高度重视，立即启动防汛预案，动员驻州部队及群众力量连夜奋战抢险。

在全部开启溢洪道和2#泄洪隧洞并应急启用1#放水隧洞泄洪的情况下，阿湖水库水位仍然迅速上涨。19日5∶30，水位高达1 574.86 m，超过坝顶高程0.16 m。虽经军民合力抢险成功，但也暴露出阿湖水库防洪的薄弱环节。

汛期经常超汛限水位蓄水，但汛后径流量仍不能补库至兴利水位，死水位基本年年出现，造成年年灌溉用水紧张局面。若汛期严格按照汛限水位蓄水，则水资源供需矛盾更加突出。但水库常年多蓄水，必将带来防洪安全隐患；控制蓄水，又会影响到克州工农业生产。随着经济发展，水库蓄水与防洪安全之间的矛盾日益尖锐，迫切需要实施阿湖水库除险加固工程。

2.2 改造思路

根据阿湖水库工程安全鉴定意见和除险加固方案，大坝加高后，金属结构部分改造如下：①原有的表孔溢洪道、2#泄洪洞金属结构设备已无法安全运行，予以拆除并更换；②1#放水洞金属结构设备运行良好，因坝高增大，需更换或增设部分埋件；③新增1条排沙泄洪洞，设置相关金属结构设备。

采用以上改造措施，可以解决机匣设备老化、机器失灵、渗水、效率低下等问题。通过添补溢流堰的工作闸门，有利于提高工作效率。

3 金属结构布置思路与关键技术

本工程金属结构设备主要设置在表孔溢洪道、进水闸、1#放水洞、2#泄洪洞及排沙泄洪洞，共有各类门槽7个，设闸门7扇、启闭设备7台（套）、门叶防冰冻装置3套。闸门总重约252 t，埋件总重约73 t，启闭设备总重约171 t，整个工程金属结构工程量约496 t。闸门及埋件出露表面喷锌防腐面积约5 800 m2。

3.1 溢洪道金属结构

水库主坝溢洪道设置，如图1 所示。溢洪道布置于大坝左侧，改建设置4 孔闸门，摒弃原来堰面形式，采用实用堰。闸门孔口宽度10 m，堰顶高程539.5 m，堰上设计水头5 m，在泄洪孔处设置闸门，动水启闭。因为水库水位低于低槛的连续时间不能超过50 d，无充足时间修理4 扇工作闸门以及埋件，所以4 孔溢洪道同时开启，运行方式改为静水启闭，采用移动式启闭机型，使工作闸门能够有效运行。

图1 水库主坝溢洪道

溢洪道工作闸门有3种型式，即平面、升卧式和弧形。本次除险加固坚持经济、安全、可靠原则，考虑工程造价、水流状态各个方面差异，认为弧形闸门型式较好，所以采用弧形闸门方案。溢洪道检修闸门充水型式有2 种，即节间充水和充水阀充水。前者把闸门分为2 间独立的闸门，均有2 根主梁和4 个滑道，在门体的边梁处通过铰轴连接，运用条形水封。而后者与前者不同，是一个整体的门叶结构，水孔阀分别设置在上下主梁腹板，通过水柱进行关闭。两者启闭机容量都是一样的，但是前者工程量相较于后者更大，而且很容易漏水，所以选用后者较好。

3.2 新建进水闸设计

水库进水渠位于大坝右坝肩。由于上游渠道泥沙松散，易被冲走，而水渠的出口和大坝输水洞洞口接近，洞口前泥沙淤泥深达12 m，导致放水出现了很大困难。因此，对水渠进行改线，让出水口远离洞口，偏向上游，可以减少洞口前淤泥深度，提高放水效率。在进水渠渠首建1 个进水闸，孔口尺寸2.5 m×2.8 m，闸门采用前水封、滑道支承、双主梁焊接钢闸门，材料为Q235，动水启闭，采用螺杆启闭机，不需要设置检修闸门，如图2所示。

图2 新建进水闸

3.3 表孔溢洪道和放水洞金属结构

表孔溢洪道共3孔，堰顶高程1 566.5 m，闸顶高程1 578.2 m。根据调度运行方案，5 月上旬—10 月上旬保持死水位冲沙运行，具备检修条件，不设置检修门，每孔设1道弧形工作闸门。孔口尺寸（孔宽×门高，下同）为12.0 m×9.2 m，设计洪水位1 574.99 m，设计水头8.5 m。闸门型式为圆柱铰斜支臂露顶弧形钢闸门，门叶结构采用主横梁结构，上游封水，弧门半径10.5 m，支铰距堰顶6.7 m。闸门门叶结构材料采用Q345C，侧水封采用圆头“L”形橡皮，橡皮预压8 mm，侧向设直径为200 mm 的简支式导向侧轮，铰链、铰座材料为ZG310-570，铰轴直径为200 mm，材料为45 号钢，轴承采用自润滑球面关节轴承；埋件结构材料采用Q235B。闸门动水启闭，控制开度运行，每扇闸门采用1 台容量为2×400 kN 固定卷扬式弧门启闭机。启闭机采用现场手动和PLC 控制，并通过PLC与闸门控制单元的实时通信实现远程控制和自动控制。

闸门按平面体系容许应力法计算，启门力按小开度平压启门计算，主要受力构件的应力分析成果详见表1。

表1 表孔溢洪道弧形工作闸门主要结构件及零部件计算成果

1#放水洞共1 孔，沿水流方向依次设置事故闸门和工作门，底板高程1 547.75 m，闸顶高程1 553.83 m。依据安全分析评价报告，1#放水洞运行良好，结合本次坝高加高方案，增设放水洞事故闸门及工作闸门上部埋件，将原启闭机移位并更换启闭闸门钢架。2#泄洪洞共1孔，沿水流方向设置事故闸门和工作闸门，底板高程1 551 m，闸顶高程1 579 m。

（1）事故闸门。闸门孔口尺寸3.2 m×4.0 m，设计水头24 m，为潜孔式平面钢闸门，采用上游封水结构型式，以简支轮支承，主材采用ZG310-570。闸门门叶结构材料采用Q235C，埋件结构材料主轨采用ZG35CrMo、其余采用Q235B。闸门动水闭门，小开度充水平压后启门。启闭力按规范公式计算，闭门力80.6 kN，闸门增加100 kN 配重块；启门力500.3 kN，采用1 台容量为630 kN 固定卷扬式启闭机操作，计算成果详见表2。

表2 2#泄洪洞事故闸门主要结构件及零部件计算成果

（2）工作闸门。闸门孔口尺寸3.2 m×3.6 m，设计水头28.0 m，为潜孔式弧形钢闸门。闸门门叶结构及支臂结构材料采用Q235C，铰链、铰座材料为ZG310-570，铰轴材料为45 号钢，埋件结构材料采用Q235B，轴承采用自润滑球面滑动轴承。闸门动水启闭，任意开度运行，采用容量为500/200 kN液压式启闭机操作，计算成果详见表3。

表3 2#泄洪洞弧形工作闸门主要结构件及零部件计算成果

4 结语

通过除险加固工程的实施，解决了阿湖水库金属结构设备生锈、老化、泥沙淤泥等问题。工程建设完成后，阿湖水库机闸启闭速度快了5倍，并且可以在任何情况下进行检修，洞口前的淤泥下降至原来的40%，有利于灌区社会经济快速发展。