水丰水电站工程金属结构设备改造设计

陆 阳¹ 郑衍智² 王绪建¹

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司 吉林长春 130021；2.中国葛洲坝集团第一工程有限公司 湖北宜昌 443002）

摘 要：水丰水电站是日伪时期建设的混凝土重力坝，最大坝高106.4m，水库总库容149.5×10⁸m³，是东北最大库容电站。本文介绍了水丰水电站改造工程金属结构设备布置和结构设计，为今后类似加固改造工程提供借鉴。

关键词：金属结构 闸门 启闭设备 改造设计

1 工程概况

水丰水电站位于中朝界河鸭绿江干流下游，距河口93km。大坝右岸地处中国辽宁省宽甸县长甸镇碑蝎子沟，左岸为朝鲜平安北道朔州郡九曲川水丰洞，距下游太平湾水电站29.5km，距下游丹东市约70km。电站以发电为主，兼有防洪、灌溉和城镇用水等综合效益，多年平均流量789m³/s，多年平均年径流量248.8×10⁸m³。

水丰水电站是国内两座运行超过70年的日伪时期建设的高坝之一，另一座电站是丰满水电站。水丰水电站主要建筑物由拦河大坝（主坝）、坝后式厂房、变电站和副坝（备用溢洪道）组成。坝址以上流域面积52912km²，水库总库容149.5×10⁸m³，为不完全多年调节水库。

由于水丰水电站运行多年，电站运行存在诸多隐患。经中朝两国联合定检，由中方出资对水丰水电站进行加固改造设计和施工。

2 主坝金属结构设备布置设计

水丰水电站主坝为混凝土重力坝，设计烈度为Ⅷ度，最大坝高106.4m，正常蓄水位123.30m，坝顶高程126.40m，坝顶宽度8.5m。坝顶全长899.5m，共分60个坝段，分别为挡水坝段、取水发电坝段和溢流坝段。主坝的溢流坝段设有26个开敞式溢流孔，堰顶高程为116.00m，采用挑流消能。每个溢流孔设有一道平面工作闸门，闸门孔口尺寸为12.0m×7.3m（宽×高），溢流坝启闭机工作桥顶原高程为135.5m，桥上设有3台2×600kN台车式启闭机，操作26扇工作闸门。本次改造设计采用定向爆破拆除了原启闭机工作桥和桥墩，主坝启闭机工作桥面高程调整为131.5m，桥上设3台2×630kN门机操作26扇工作闸门。

水丰水电站主坝改造工程主要对主坝工作闸门、工作闸门埋件、工作闸门的启闭设备及轨道重新设计，对主坝上的金属结构设备重新布置。原有的主坝工作闸门、工作闸门埋件及启闭机等金属结构设备不能满足水库的安全运行要求，拆除并全部更换为新设备，以满足水库和大坝的安全运行。工作闸门原主轨和反轨等埋件全部拆除，并凿除风化、破蚀的混凝土。

主坝金属结构设备改造溢流孔数量仍为26孔，26个溢流孔共设闸门26扇。工作闸门孔口尺寸12m×7.6m（宽×高），闸门设计水位按正常蓄水位123.30m设计，工作闸门底槛高程116.0m，设计水头为7.3m。改造后主坝金属结构设备布置见图1。

图1 主坝金属结构设备改造设计布置图（高程单位：m，尺寸单位mm）

主坝泄洪工作闸门为焊接结构，双吊点，闸门主体材料为Q235B，门槽的尺寸900mm×500mm（宽×深），闸门总高度7.6m，按运输单元分3节制造，节间工地焊接。闸门面板布置在上游侧，止水方式采用上游止水，侧止水选用P形橡胶水封，底止水选用刀型橡胶水封。

工作闸门设计采用横梁式工字型实腹变截面焊接主梁，主梁中部梁高1.22m。根据《水利水电工程钢闸门设计规范》要求，主梁支承端高度取中部梁高的0.4～0.6倍，主梁端部梁高取0.73m。主梁高度截面改变位置距两端支座处（1/6～1/4）支承跨度处，主梁截面改变处到主轮支承中心距离2.10m。该工作闸门正向支承采用简支轮式支承，主轮材料选用铸钢ZG310-570，轴承选用铜基镶嵌自润滑材料轴承，反向支承为铸铁滑块。

主坝工作闸门埋件主轨选用ZG310-570铸钢轨道，侧止水座板选用1Cr18Ni9Ti不锈钢，闸门底坎、门槽侧向镶护和反轨都采用Q235B钢板和型钢组合焊接结构，工作闸门门槽采用Ⅱ型门槽和较优宽深比，增加门槽段水流空穴数，以改善闸门泄水流态。

该工作闸门为动水启闭。根据调度运行要求，水库水位达到123.3m时，要求开启工作闸门，水位继续上涨时，要求26孔工作闸门全部开启。该闸门无局部开启要求，采用孔泄方式进行调度运行。因此，闸门的动水启门水位按123.3m设计。当库水位下降到123.30m，并预计将继续下降时，主坝溢流坝工作闸门全部关闭，工作闸门动水关闭水位按水库正常蓄水位123.30m设计。

本次改造设计，主坝26扇工作闸门选用3台2×630kN单向门机配机械式自动抓梁分别操作，门机布置在131.5m高程的工作桥上。主坝2×630kN单向门机轨距5.0m，轨上扬程10.0m，总扬程20.0m，每台门机上各配有一套10kN电动葫芦，操作坝顶零星部件。

3 副坝金属结构设备布置设计

水丰水电站副坝位于主坝右岸上游1.5km，地处中国辽宁省宽甸县长甸镇拉古哨村哑巴沟内，为备用溢洪道。副坝原坝顶长249.0m，坝高为21.0m，坝顶高程为131.00m，原布置设有20个开敞式溢流孔，采用折线型溢流堰，溢流孔口尺寸为9.0m×10.0m（宽×高），原堰顶高程112.50m。副坝坝基建在易风化的花岗岩和花岗斑岩上，地质条件对结构物不利。副坝于1940年开工修建，1942年11月竣工。因有一部分混凝土是在冬季浇筑，没有进行可靠的防寒保温，同时砂子杂质含量很大，造成混凝土强度低。1946年放流时副坝被冲毁，1956年按“101”号设计进行恢复改建，1958年改建完工。1956年副坝改建封堵了1号和20号孔，将20个开敞式溢流孔改为18孔，堰顶高程由112.5m改为116.0m，左岸设浆砌石护坡，右岸设浆砌石挡墙。副坝下游挑流长度由21.75m加长为26.15m，挑流鼻坎上设有分水装置。副坝坝体内设置3条廊道，自上而下编号为1～3号，1号与2号、2号与3号廊道连通。副坝工作闸门闸门原启闭设备为2台2×550kN台车式启闭机，启闭机设在高程139.4m的工作桥上。本次改造设计，副坝启闭机工作桥面高程调整为132.0m，桥上设有2台2×630kN门机配机械式自动抓梁操作18扇工作闸门。

副坝原有的工作闸门、工作闸门埋件及启闭机等金属结构设备经中朝双方定检，已不能满足水库的安全运行要求，本次加固改造，采用拆除并全部更换为新设备的设计方案。为了满足副坝的挡水作用，保证水丰水库的最大蓄水能力，并确保水库水位达到126.0m时的泄洪要求，副坝改造时，溢流孔数量仍为18孔，孔口尺寸9.0m×10.0m（宽×高），副坝工作闸门设计水位按18孔工作闸门全部开启水位126.00m设计，副坝工作闸门底槛高程116.00m，设计水头为10.0m。改造后副坝金属金属结构设备布置见图2。

副坝工作闸门为焊接结构，双吊点，闸门主体材料为Q235B，门槽尺寸为900mm×500mm（宽×深），采用横梁式工字形实腹变截面焊接主梁，主梁中部梁高1.07m，根据《水利水电工程钢闸门设计规范》（DL/T 5039—95）的要求，支端部梁高取0.64m。该闸门采用主支承为简支轮式支承，主轮材料选用铸钢，轴承选用自润滑复合材料轴承，反向支承为铸铁滑块。闸门埋件主轨选用铸钢轨道，侧止水座板选用1Cr18Ni9Ti不锈钢板。副坝工作闸门总高度10.0m，按运输单元分3节制造，节间工地焊接。闸门面板布置在上游侧，止水方式采用上游止水，侧止水选用P形橡胶水封，底止水选用刀形止水，底止水预压缩量5mm。

图2 副坝金属结构设备改造设计布置图（高程单位：m，尺寸单位：mm）

根据水丰水电站副坝调度运行要求，水丰库水位达到125.00m时，要求开启一部分副坝工作闸门来满足泄水要求。水位达到126.00m时，要求副坝18孔工作闸门全部开启。因此副坝工作闸门的动水启门水位按126.00m设计。当水位下降到125.00m，并预计将继续下降时，副坝工作闸门应全部关闭，闸门动水关闭水位按125.00m设计。

本次改造设计，副坝18扇工作闸门选用2台2×630kN单向门机配机械式自动抓梁分别操作。根据副坝工作闸门操作方式和布置方案确定检修平台高程，门机布置在132.0m高程的工作桥上。副坝2×630kN单向门机轨距5.0m，轨上扬程12.0m，总扬程20.0m，每台门机上各配有10kN电动葫芦，操作副坝零星部件。

4 主、副坝如意式锁定机构设计

水丰水电站工程原有主、副坝闸门都采用人工穿轴的方式进行锁定，操作风险高，人工工作量大。通过本次金属结构设备改造，主、副坝工作闸门锁定都采用如意式自动锁定结构进行。当主坝工作闸门开启泄洪时，主坝闸门可锁定在高程131.50m的主坝工作桥上。校核洪水位泄洪时，门槽处的水位为127.75m，主坝工作闸门锁定时，工作闸门底缘高于该水位0.54m，满足泄洪要求。当副坝工作闸门开启泄洪时，副坝工作闸门锁定在高程132.00m的副坝工作桥上，校核洪水时的泄洪曲线在副坝闸门槽处的最高水位为128.70m，副坝工作闸门锁定时，闸门底缘高于该水位0.54m，满足泄洪要求。主坝如意式锁定机构布置详见图3。

图3 主坝如意式锁定机构示意图（高程单位：m，尺寸单位：mm）

5 结语

水丰水电站运行70余年，作为东北最大库容电站和中朝两国共有的国际性工程，关乎下游两国人民生命财产的安全，改造工程责任重大。该工程自2011年挡水投运以来，主、副坝工作闸门和启闭设备一直处于安全运行状态，社会、经济效益显著。