在水電站設計中，金屬結構設計對其可靠性和穩定性具有直接的影響。水電站的金屬結構設計的主要任務是對水電站工程引水系統和發電系統中所設閘門啟閉機等進行設計方案的選擇，以便在最少的工程造價下，設計出最優的方案，提高工程整體效益。
1工程概況
上尖坡水電站位于蒙江的左源支流漣江下游貴州省黔南布依族、苗族自治州羅甸縣境內，是漣江第四級開發的水電工程，上游梯級為團坡電站，下游梯級為蒙江干流雙河口電站。壩址控制流域面積2341km2,占全流域面積的27%,多年平均流量47.1m3/s,年徑流量14.85×108m3.本電站的開發任務主要是發電，以滿足貴陽市南電網南部局部地區（主要是惠水、羅甸、長順3個縣）工農業建設用電的需要。上尖坡水電站裝機容量60MW,攔河大壩為混凝土重力壩，水庫正常蓄水位為670.00m,相應庫容為1440×104m3,調節庫容為410×104m3.水庫死水位665.00m,淤沙高程651.65m,設計洪水位670.88m,校核洪水位671.54m,電站單獨運行時可進行周調節，保證出力6.51MW,年平均發電量1.8×108kW·h.考慮與蠻醬梯級聯合運行時可達年調節，保證出力14.4MW,年平均發電量2.595×108kW·h,年利用小時數4330h.
2金屬結構總體設計方案
上尖坡水電站金屬結構，主要由泄洪系統金結和引水發電系統金結組成，包含各項閘門（含攔污柵，下同）、閥門、門柵槽埋件及相應的啟閉機設備，金屬結構總重量約532t（不含啟閉機重）。具體設有溢洪道表孔弧形工作閘門3扇、平面檢修閘門1扇，導流洞進口平面封堵閘門1扇，生態管出口檢修閘閥1套、工作錐形閥1套，電站進水口平面攔污柵2扇、平面事故閘門1扇，廠房尾水出口平面檢修閘門2扇。與閘門配套的啟閉機選用露頂式弧形閘門液壓式啟閉機、卷揚式啟閉機及液壓耙斗式清污機等幾種型式，共8臺。閘門及埋件外露表面采用涂料防腐，底漆為環氧瀝青防銹底漆，涂層厚度125μm,面漆為環氧瀝青防銹面漆，涂層厚度125μm.
3金屬結構具體設計要點
3.1溢洪道閘門
本工程結合實際工程特點和需要，采用開敞式溢洪道，其位于水庫的溢流壩頂部，共設有3孔。在每孔溢洪道上均設置有1扇工作閘門，用于正常情況下抬高水庫的水位，增加庫容。因壩前死水位高于溢流堰定10m,工作閘門常年擋水，為便于工作閘門及其埋件的的檢修，在工作閘門的上游側設置了1扇檢修閘門、3孔檢修門槽共用。
3.1.1檢修閘門
本工程檢修閘門孔口尺寸9m×11.1m,設計水頭10m,底檻高程655.00m,總水壓力為6200kN.門體型式采用露頂式平面滑動鋼閘門，門體分為3節，每節門葉高度3.7m,并配置主側反向裝置。主支承采用高強度低摩阻的鋼背復合材料弧面滑塊，側向支承采用懸臂式側輪，反向支承采用鉸式彈性反輪。閘門為下游面板，止水設在閘門的下游面，側止水采用P形止水，底止水為刀型橡皮止水，門體主材為Q345B.閘門的運行條件為靜水啟閉，其平壓方式采用小開度提門節間充水平壓，即啟門前先小開度提升最上一節門葉充水平壓，待上下游水位基本一致時，再正式逐節提升門體至門槽頂部平臺。與閘門配套的啟閉機采用1臺帶回轉吊的單向門機，主機用于檢修閘門的啟閉，容量2×250kN,揚程19m,吊點距5.7m,并配置1套液壓自動抓梁?；剞D吊用于下游工作閘門液壓缸等的檢修，容量180kN,起升高度19m,啟閉機的操作方式為電動。
3.1.2工作閘門
工作閘門孔口尺寸9m×15.7m,設計水頭15.5m,總水壓力11320kN,底檻高程654.557m,閘墩頂部高程672.79m.閘門型式采用露頂式弧形鋼閘門，其流道無門槽，水流條件較好，可局部開啟調節流量，閘門的啟閉力也較小，加上配套啟閉機采用表孔弧形閘門液壓啟閉機，則整個壩面看上去顯得規整美觀。閘門支鉸高度8.5m,支鉸軸承采用自潤滑球面軸承，弧門半徑17.5m,門體的止水裝置設在上游面，側止水為L型止水，底止水為刀型橡皮止水，門體主材與檢修閘門相同。閘門運行條件為動水啟閉。與閘門配套的啟閉機選用露頂式弧形閘門液壓啟閉機，型號QHLY-2×1250-6.8,容量2×1250kN,工作行程6.8m,吊點距7.97m,數量共3臺，其附屬設備液壓泵站及電氣操作柜等集中放置于大壩右端的啟閉機房內。每臺啟閉機配置1套工作泵組，3臺啟閉機共用1套備用泵組，4套泵組用油管路聯成1個互通系統。當工作泵發生故障時，液壓機應能自動接通備用油泵電動機電源。啟閉機設置有備用電源，為安全起見，備用電源采用柴油發電機組，啟閉機操作方式為電動。每扇閘門均配置有1臺開度儀，用于閘門的開度控制。該閘門平時處于關閉狀態，只在洪水期及其他特殊情況下需要開閘泄洪時才打開，閘門可局部開啟調節流量。
洪水期間閘門自正常蓄水位起調，初期控制泄量等于來量。為防下游沖刷，閘門開啟時需對稱開啟，先開中間扇、后開兩邊扇，閘門逐步打開并避開振動區域。對于低頻率洪水時，可根據上游水庫的水情測報系統，全開閘門泄洪，控制水庫水位保持為正常蓄水位670.00m.溢洪道檢修閘門、工作閘門及啟閉機的布置見圖1.
3.2導流洞進口封堵閘門
導流洞封堵閘門的主要作用是在施工完成后，封堵導流洞。本工程閘門孔口尺寸5.4m×6m,設計最高擋水水頭58m,底檻高程612.00m,總水壓力17720kN.門體型式采用平面滑動鋼閘門，主支承為鋼背復合材料弧面滑塊，為使閘門在下閘封堵時運行平穩，在門體上分別設有4套簡支式側向輪和鉸式彈性反輪，閘門面板及止水裝置設在下游面，頂、側止水采用橡塑復合P型止水，底止水為刀型橡皮止水，門體主材采用Q345B.閘門運行條件為動水啟閉，下閘水頭≤5m,啟門水頭12m.與閘門配套的啟閉機選用一臺固定卷揚式啟閉機，型號QPQ-2×630-19,啟門容量2×630kN,揚程19m,吊點距5m,用后盡量回收。閘門門體及其埋件部分為一次性使用。
3.3生態管出口檢修閥、工作閥
為了保證電站在不發電時下游生態用水需要，在大壩溢洪道附近設有一根生態鋼管，上接水庫，在其出口處設置了1套檢修閘閥及1套工作錐形閥，閥門公稱通徑均為DN800mm,設計水頭均為17m,公稱壓力取為0.6MPa,閥門運行條件為動水啟閉，操作方式為手電兩用。當工作錐形閥需要檢修時，動水關閉前面的檢修閘閥即可。
3.4進水口攔污柵、事故閘門
進水口采用岸坡塔式，在該進口處依次設置了2扇攔污柵和1扇事故閘門，分別用于攔截水庫上游的污物和下游隧洞、廠房水輪機組的事故性保護與檢修。①攔污柵孔口尺寸均為6m×9m,設計水頭均為4m,底檻高程655.00m,總水壓力2160kN.柵體型式采用平面活動式鋼攔污柵，柵葉分3節制作、運輸及安裝，柵體主材Q235B.同時配置1臺液壓耙斗式清污機，負責兩扇攔污柵的清污及啟閉，該清污機啟閉容量2×150kN,耙斗容積3.5m3,揚程為21m.為了監測柵體前后的水位差，配置2臺水位差計，保證水位差不得大于4m.①事故閘門孔口尺寸5.5m×5.5m,設計水頭17m,總水壓力4440kN,閘門底檻高程655.0m,門槽頂部高程672.80m,閘門型式采用平面定輪鋼閘門。為使閘門在啟閉過程中運行平穩，在門體上設有4套簡支式側輪及4套反向滑塊，閘門運行條件為動閉靜啟，門頂設置壓蓋式充水閥。為監測閘門前后的充水平壓情況，配置1臺水位差儀，閘門閉門時利用水柱閉門。該閘門平時鎖定于門槽頂部的檢修平臺上，當下游隧洞等出現事故或需要檢修時，再開啟閘門至檢修平臺處鎖定。與閘門配套的啟閉機采用一臺固定卷揚式啟閉機，型號QPG-2x630-19,容量2×630kN,吊點距5.17m,揚程19m,操作方式為電動。進水口攔污柵、閘門及啟閉機的布置見圖2.
3.5廠房尾水檢修閘門
廠房尾水檢修閘門主要用于電站水輪機組的檢修，本工程廠房的尾水出口共有兩孔，每孔上均設置一扇檢修閘門。機組在施工期下游設置有圍堰，不需要尾水閘門作為下游的施工擋水設施。閘門孔口尺寸6.735m×2.617m,設計水頭24m,總水壓力4404kN,底檻高程為559.19m,廠房下游正常尾水位580.00m,設計尾水位584.13m,校核尾水位585.30m,檢修平臺580.70m,啟閉機臺高程585.80m,閘門型式采用平面滑動鋼閘門，主支承為復合材料弧面滑塊，閘門運行條件靜水啟閉，平壓方式為利用水輪機的排水管從下游充水平壓。
4結語
綜上分析，在水電站的設計中，金屬結構設計是不可忽視的一部分。在具體的工程中，應充分重視各種類型閘門的設計，并結合實際工程特點，設計出符合需要又結實美觀的閘門。對此，設計人員必須不斷總結經驗，提高自身設計水平，以促進我國水電站的穩定、健康發展。
參考文獻：
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