楊克昌

（河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250）

1 工程概況

臨城水庫位于子牙河系滏陽河支流泜河南北支匯流處，壩址坐落在臨城縣，總庫容1.7125億m3，以防洪為主，結(jié)合灌溉、發(fā)電、水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合利用的大（Ⅱ）型水庫。工程于1958年8月動(dòng)工興建，1960年8月主體工程基本完工并開始攔洪蓄水。1990～1991年部分項(xiàng)目進(jìn)行了除險(xiǎn)加固，使水庫達(dá)到現(xiàn)狀規(guī)模，主要建筑物有攔河壩、3座溢洪道、電站、泄洪洞及尾渠等。2006～2008年對(duì)水庫主要建筑物進(jìn)行了除險(xiǎn)加固。

2 輸水洞金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輸水洞金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備改建包括更換進(jìn)、出口閘門、埋件及其啟閉設(shè)備，更換進(jìn)口攔污柵。改建后進(jìn)口設(shè)1扇攔污柵和1扇事故閘門，出口設(shè)1扇工作閘門。

2.1 進(jìn)口事故閘門及啟閉機(jī)

事故閘門共1孔，改建后事故閘門為潛孔式平面鋼閘門，滾輪支承，孔口尺寸為1.8m×1.8m（寬×高），設(shè)計(jì)水頭23.161m，單吊點(diǎn)，封水為P型橡皮后封水型式。閘門在制造安裝前，對(duì)原門槽埋件及相關(guān)土建的詳細(xì)尺寸、位置等進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)實(shí)測(cè)的孔口尺寸，確定原門槽中心線和孔口中心線，做好標(biāo)記后供安裝使用。尤其是門槽中心線距上、下游胸墻的距離，根據(jù)實(shí)測(cè)情況，設(shè)計(jì)門楣的結(jié)構(gòu)型式和上游胸墻預(yù)留距離，以滿足閘門閘門動(dòng)水閉門是補(bǔ)水和形成水柱的要求。啟閉機(jī)為固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)，工作級(jí)別Q2-輕，容量400kN，揚(yáng)程21m，自重6t。滑輪倍率為4，卷筒直徑600mm，為雙聯(lián)、鋼絲繩多層纏繞，鋼絲繩采用線接觸金屬芯鍍鋅鋼絲繩，制動(dòng)器采用YWZ型液壓制動(dòng)器，減速器采用QJS系列中硬齒面減速器，啟閉機(jī)配有開度儀和電子式荷載限制器。高度傳感器分辨率1cm，荷重傳感器分辨率0.1kN。閘門開度傳感器與卷筒軸聯(lián)接，荷重傳感器置于平衡滑輪軸內(nèi)。吊具上升至0.25m時(shí)應(yīng)預(yù)報(bào)警，聲光斷續(xù)，當(dāng)上升至0.3m時(shí)，自動(dòng)切斷電源，啟閉機(jī)停止運(yùn)行，在啟閉機(jī)重新啟動(dòng)，吊具上升至20.5m時(shí)應(yīng)預(yù)報(bào)警，聲光斷續(xù)，當(dāng)上升至21m時(shí)，自動(dòng)切斷電源，啟閉機(jī)停止運(yùn)行。吊具下降至0.1m時(shí)應(yīng)預(yù)報(bào)警，聲光斷續(xù)，當(dāng)下降至0m時(shí)，自動(dòng)切斷電源，啟閉機(jī)停止運(yùn)行。當(dāng)荷載達(dá)到90%額定荷載（360kN）時(shí)，裝置應(yīng)有斷續(xù)的聲光報(bào)警，但不切斷起升回路工作能正常進(jìn)行，當(dāng)荷載達(dá)到110%額定荷載（440kN）時(shí)，裝置應(yīng)有聲光報(bào)警，并切斷起升回路電源。閘門操作方式為動(dòng)水閉門，小開度充水平壓后啟門。為避免輸水洞長(zhǎng)期處于有壓狀態(tài)，事故門平時(shí)處于關(guān)閉擋水狀態(tài)。

2.2 出口工作閘門及啟閉機(jī)

工作閘門共1孔，改建后工作閘門為潛孔式平面鋼閘門，滾輪支承，孔口尺寸1.8m×1.8m（寬×高），設(shè)計(jì)水頭23.37m，單吊點(diǎn)，封水為P型橡皮前封水型式，閘門重2.30t，埋件重2.07t，閘門及埋件主材Q235B。

啟閉機(jī)采用手電兩用螺桿式啟閉機(jī)，工作級(jí)別Q2-輕，容量500kN/250kN，揚(yáng)程3m。螺桿啟閉機(jī)的電機(jī)軸與渦輪軸為直接連接方式，螺桿材料45鋼，機(jī)座材料HT200，蝸輪材料ZCuSn10P1，蝸桿材料45鋼調(diào)質(zhì)。

啟閉機(jī)配有機(jī)械式極限位置限制器和編碼器 （能夠輸出4～20mA模擬量信號(hào)），能以數(shù)字形式顯示閘門的開度，用以控制和顯示閘門上、下極限位置及預(yù)先設(shè)定的工作位置，具有到位自動(dòng)停機(jī)功能。

啟閉機(jī)設(shè)置機(jī)械過負(fù)荷限制器，負(fù)荷限制器傳感器安裝在機(jī)座內(nèi)，在啟動(dòng)柜上以數(shù)字顯示吊具上的荷載，避免啟閉機(jī)超載和螺桿壓彎事故的發(fā)生。閘門操作方式為動(dòng)水啟閉。

3 泄洪洞金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

泄洪洞金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備改建包括更換出口閘門、埋件及其啟閉設(shè)備。工作閘門共2孔，孔口尺寸2.5m×3.0m（寬×高），設(shè)計(jì)水頭16.527m，單吊點(diǎn)，封水為P型橡皮前封水型式。經(jīng)多年運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)原金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備存在：①閘門水封失效，漏水嚴(yán)重；②埋件設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致閘門局開時(shí)門頂出現(xiàn)射水現(xiàn)象；③閘門主輪采用銅套，銹蝕較嚴(yán)重，導(dǎo)致主輪轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活。

根據(jù)上述缺陷，本工程在主輪結(jié)構(gòu)中采用了自潤滑軸承新型材料。

3.1 主輪結(jié)構(gòu)

在以往主輪的設(shè)計(jì)中，軸承多采用鑄鋁鐵青銅，其對(duì)鋼的摩擦系數(shù)為0.3。經(jīng)工程實(shí)踐證明，該軸承在潮濕環(huán)境中容易與軸抱死，使?jié)L動(dòng)摩擦變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦，從而使啟閉機(jī)超載，導(dǎo)致無法正常啟閉閘門。本工程中采用了工程塑料合金自潤滑軸承這一新型材料。該軸承是一種單體復(fù)合材料，不僅其硬度小，耐磨性更為優(yōu)越，有一定的彈性變形能力，利于閘門的安裝及安全運(yùn)用。雖然該軸承變形能力強(qiáng)，但其抗壓強(qiáng)度大，達(dá)到50MPa，較好地滿足了強(qiáng)度要求。同時(shí)該軸承具有自潤滑性能，在工作中不需添加潤滑劑，給管理維護(hù)帶來了方便。除此之外，軸承與軸的摩擦系數(shù)小，無潤滑時(shí)0.16，水潤滑時(shí)0.05，油潤滑時(shí)0.02，降低了閘門的啟門力。值得注意的是，由于軸承硬度小，當(dāng)軸承與輪子進(jìn)行裝配時(shí)，內(nèi)孔將會(huì)收縮，而易導(dǎo)致軸承與軸抱死，因此，軸承與輪子和軸的配合非常關(guān)鍵，不能用銅套的配合代替。

軸承與輪子采用的配合H8，軸承與軸采用的配合f8。軸承安裝后，閘門的滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)靈活。

3.2 頂水封結(jié)構(gòu)

由于該閘門處于泄洪洞的出口，且為前封水型式，故閘門在開啟過程中，水封在與埋件的摩擦和水流的沖擊下翻卷，易使橡皮損壞。針對(duì)此種情況，將水封壓板做成倒L型，使其與橡皮的間隙為2mm。開啟閘門時(shí)，橡皮與壓板接觸，從而有效地保護(hù)了橡皮。頂水封結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 頂水封結(jié)構(gòu)

3.3 門楣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按照水力學(xué)計(jì)算，當(dāng)在設(shè)計(jì)水位下剛剛開啟閘門時(shí)，輸水洞出口富裕水頭約為6m，而隨著開度的增大，富裕水頭急劇下降。原門楣沒有不銹鋼板，且高出孔口300mm后向上游45°角彎折，閘門在開啟過程中，當(dāng)頂水封運(yùn)行到高出孔口300mm時(shí)，閘門頂部將射起水柱，從而影響閘門的正常運(yùn)行。為了解決此問題，將埋件加高到1m，在基體鋼板上焊1條不銹鋼板，伸到基體鋼板轉(zhuǎn)折處，為了保證不銹鋼板的直線度，要求其表面進(jìn)行機(jī)加工，加工后的表面粗糙度為12.5μm。為了防止不銹鋼板在焊接時(shí)出現(xiàn)起鼓、不平等不符合規(guī)范的現(xiàn)象，要求在滑道中心采用準(zhǔn)10mm塞焊加固，間距200mm。門楣具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 門楣結(jié)構(gòu)

4 電站分水閘金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電站分水閘金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備改建包括更換閘門、埋件及其啟閉設(shè)備。工作閘門共5孔，其中2孔控制灌渠流量，3孔控制河道流量。改建后工作閘門采用組裝式鑄鐵閘門，孔口尺寸2.1 m×2.5m（寬×高），設(shè)計(jì)水頭2 m，門框高度3.8m。鑄鐵閘門楔緊斜鐵用螺栓緊固于閘框上，楔緊斜鐵與閘板上斜楔中部接觸面積不小于斜楔面積的25%，楔緊面的表面粗糙度不大于12.5μm。啟閉機(jī)采用手電兩用螺桿式啟閉機(jī)，工作級(jí)別為Q2-輕，容量為50kN/15kN，揚(yáng)程3m，自重0.5t。啟閉機(jī)在機(jī)架橋橋面露天布置，設(shè)有螺桿罩和機(jī)罩。螺桿啟閉機(jī)的電機(jī)軸與渦輪軸為直接連接方式，啟閉機(jī)配有開度儀和機(jī)械式荷載限制器。

5 結(jié)語

（1）金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備布置、選型合理，設(shè)計(jì)符合現(xiàn)行規(guī)范、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)規(guī)定。通過水庫除險(xiǎn)加固工程，將影響水庫安全運(yùn)用的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備進(jìn)行了改建。目前，水庫金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備滿足了水庫蓄水和安全運(yùn)用的要求。

（2）泄洪洞和輸水洞工作閘門在設(shè)計(jì)中采用了前封水，埋件采用了適合本工程運(yùn)用工況的門楣結(jié)構(gòu)型式，解決了閘門在開啟時(shí)門頂射水的現(xiàn)象。

（3）主輪采用了自潤滑軸承，降低了啟閉機(jī)容量，提高了閘門運(yùn)用的可靠性。

（4）在啟閉機(jī)設(shè)計(jì)中，事故閘門采用固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)，工作閘門采用螺桿式啟閉機(jī)。啟閉機(jī)均配有開度儀和荷載限制器。

［1］沈德民，李毓芬，莊文中，等.水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)金屬結(jié)構(gòu)（一）［M］.北京：水利電力出版社，1985.

［2］沈德民，李毓芬，莊文中，等.水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)金屬結(jié)構(gòu)（二）［M］.北京：水利電力出版社，1985.

［3］DL／T5167—2002，水利水電工程啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］DL／T5039—95，水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］GB 50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［6］王國周， 瞿履謙.鋼結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計(jì)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1993.

［7］胡孝良.水工起重機(jī)械［M］.北京：水利電力出版社，1989.

［8］夏念凌，金泰來.水工鋼閘門設(shè)計(jì)［M］.北京：水利出版社，1980.