張延忠,朱建和,劉燕強(qiáng)
(河北省水利水電第二勘測設(shè)計(jì)研究院,河北 石家莊 050021)
石河水庫除險(xiǎn)加固工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
張延忠,朱建和,劉燕強(qiáng)
(河北省水利水電第二勘測設(shè)計(jì)研究院,河北石家莊050021)
摘要:水庫金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備針對不同的建筑物應(yīng)采取不同的布置型式。結(jié)合石河水庫除險(xiǎn)加固工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程,對其布置形式進(jìn)行了詳細(xì)介紹,其設(shè)計(jì)滿足了水庫蓄水和安全運(yùn)用的要求。圖2幅。
關(guān)鍵詞:水庫;除險(xiǎn)加固;金屬結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì)
1工程概況
石河水庫位于河北省秦皇島市山海關(guān)西北約6 km的石河上,是1座以城市生活、工農(nóng)業(yè)供水為主,同時(shí)兼顧防洪、發(fā)電、養(yǎng)殖、旅游等綜合利用的中型水利樞紐工程。樞紐工程由大壩(溢流壩和非溢流壩)、泄水洞、輸水洞、發(fā)電洞和電站等建筑物組成。工程于1972年動工興建,1975年竣工投入運(yùn)用。
石河水庫原金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備包括:溢流壩段9扇升臥式平板鋼閘門,閘門尺寸(寬×高)8 m×10.2 m,啟閉機(jī)為固定卷揚(yáng)BTQ—2×40 t;泄水洞進(jìn)口1扇2.0 m×2.5 m平板檢修鋼閘門,出口設(shè)2 m×1.5 m(寬×高)弧形鋼閘門1扇,配WL—32/25電動螺桿啟閉機(jī);輸水洞進(jìn)口1扇2.5 m×3.0 m平板檢修鋼閘門,配QPQ—2×16 t固定卷揚(yáng)啟閉機(jī),出口設(shè)2 m×1.5 m(寬×高)弧形鋼閘門1扇,配WL—32/25電動螺桿啟閉機(jī);發(fā)電洞進(jìn)口1扇2.5 m×3.0 m檢修鋼閘門,閘門后設(shè)有1扇攔污柵。
根據(jù)水庫大壩安全鑒定報(bào)告,石河水庫閘門和啟閉機(jī)已運(yùn)行33 a,均已大大超過使用折舊年限。泄水洞和輸水洞進(jìn)口現(xiàn)為檢修閘門,不符合現(xiàn)行規(guī)范要求,應(yīng)更新為事故閘門。溢流壩閘門門葉材料為A3F,根據(jù)當(dāng)?shù)貧鉁貤l件,不符合現(xiàn)行規(guī)范要求。本次水庫除險(xiǎn)加固金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容為:拆除更新溢流壩工作閘門和啟閉機(jī),增加檢修閘門及啟閉機(jī)。將泄水洞和輸水洞進(jìn)口檢修閘門更新為事故閘門,更換啟閉機(jī);更換發(fā)電洞進(jìn)口攔污柵和檢修閘門及啟閉機(jī)。由于大壩下游貼坡加固,泄水洞和輸水洞出口工作閘門及啟閉機(jī)也要拆除更新。
2012—2015年對水庫主要建筑物進(jìn)行了除險(xiǎn)加固,現(xiàn)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備均已安裝并投入運(yùn)行,設(shè)備運(yùn)行良好。
2溢流壩金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
溢流壩金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備改造內(nèi)容為拆除更新溢流壩工作閘門及其啟閉設(shè)備;增加檢修閘門及啟閉設(shè)備;改造后溢流壩設(shè)9扇工作閘門和1扇檢修閘門。
2.1溢流壩工作閘門及啟閉機(jī)
溢流壩工作閘門尺寸(寬×高)8 m×10.2 m,設(shè)計(jì)水頭9.7 m,共9扇。閘門型式比較了升臥式閘門、弧形閘門和直升式平面閘門。水庫原閘門型式為升臥式,該型閘門不宜調(diào)節(jié)閘門開度運(yùn)行,難以控制閘門下泄流量?;⌒伍l門需要較長閘墩,因水庫需保持供水,不能空庫施工,這給閘墩的改造帶來較大難度。因此溢流壩工作閘門型式采用直升式露頂平面鋼閘門。閘門自重每扇29 t,埋件重每孔5.5 t。閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用實(shí)腹式多主梁焊接結(jié)構(gòu),雙吊點(diǎn),主梁為變截面組合梁。門體材質(zhì)為Q235C。閘門為懸臂式滾輪支承,主輪為鑄鋼件,直徑為φ800 mm,共8個(gè)。止水采用前水封,側(cè)止水為“P”型,底止水為板條形。閘門主輪軸承選用自潤滑圓柱軸承。閘門埋件的主軌、反軌、底軌均為鋼板與型鋼焊接件,反軌設(shè)有不銹鋼止水座板。
閘門操作方式為動水啟閉,啟閉機(jī)為固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī),工作級別為Q2_輕,容量2×400 kN,揚(yáng)程13 m,一門一機(jī),共9臺?;啽堵蕿?,卷筒直徑φ600 mm,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,制動器采用YWZ型液壓制動器,減速器采用QJS系列中硬齒面減速器。
2.2溢流壩檢修閘門及啟閉機(jī)
檢修閘門布置在工作閘門的上游,閘門尺寸(寬×高)8 m×10 m,共1扇,9孔共用。閘門型式為疊梁鋼閘門,共分4節(jié),每節(jié)門高2.5 m,閘門自重21.5 t。閘門設(shè)計(jì)采用實(shí)腹式多主梁焊接結(jié)構(gòu),主梁為變截面組合梁,滑塊支承。門體材質(zhì)為Q235C。主滑塊材質(zhì)為鋼基工程塑料合金。止水采用前水封,側(cè)止水為“P”型,底止水為板條形。門槽埋件利用原升臥式工作閘門槽埋件并進(jìn)行改造,具體做法為將原工作門槽下游側(cè)圓弧段埋件拆除,然后接長豎直埋設(shè)至墩頂。
閘門操作方式為靜水啟閉,平壓方式采用節(jié)間充水。啟閉設(shè)備選用同軸驅(qū)動移動式電動葫蘆,雙吊點(diǎn),配合自動掛脫梁起吊,容量2×100 kN,揚(yáng)程18 m,共1臺。門葉平時(shí)通過鎖定梁橫擔(dān)在閘墩上。電動葫蘆工作制度為A3級,型號為MD雙鉤,起升機(jī)構(gòu)采用雙電機(jī)組。卷筒采用厚壁無縫鋼管,鋼絲繩繞繩對稱并排,鋼絲繩采用線接觸金屬芯鍍鋅鋼絲繩,減速器采用硬齒面減速器。
3泄水洞及輸水洞金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范要求,將泄水洞和輸水洞進(jìn)口檢修閘門更新為事故閘門,更換門槽埋件和啟閉設(shè)備;由于大壩下游貼坡加固,泄水洞和輸水洞出口工作閘門及啟閉機(jī)也要拆除更新。改造后泄洪洞和輸水洞進(jìn)口設(shè)事故閘門1扇,出口還設(shè)工作閘門1扇。
3.1進(jìn)口事故閘門及啟閉機(jī)
泄水洞進(jìn)口事故閘門共1孔,孔口尺寸2.0 m×2.5 m(寬×高),設(shè)計(jì)水頭33.61 m,閘門自重5.0 t,埋件重3.1 t。輸水洞進(jìn)口事故閘門共1孔,孔口尺寸2.5 m×3.0 m(寬×高),設(shè)計(jì)水頭27.56 m,閘門自重5.5 t,埋件重3.6 t。閘門結(jié)構(gòu)均采用實(shí)腹式多主梁焊接結(jié)構(gòu),主梁為等截面組合梁,門體材質(zhì)為Q235C。閘門為懸臂式滾輪支承,主輪為鑄鋼件,直徑為φ700 mm。面板設(shè)在上游側(cè),水封采用后水封,側(cè)止水為“P”型,底止水為板條形。閘門主輪軸承選用自潤滑圓柱軸承。閘門埋件的主軌、反軌、門楣及底軌均為鋼板與型鋼焊接件,主軌及門楣上設(shè)有不銹鋼止水座板。
閘門操作方式為動閉靜啟,利用水柱和門重關(guān)閉閘門,小開度提門充水平壓。啟閉設(shè)備均為固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī),工作級別為Q2_輕,單吊點(diǎn),容量800 kN,泄水洞和輸水洞進(jìn)口事故閘門啟閉機(jī)揚(yáng)程分別為31 m和25 m,各1臺?;啽堵蕿?,卷筒直徑φ800 mm。
3.2出口工作閘門及啟閉機(jī)
泄水洞出口工作閘門1孔,孔口尺寸1.8 m×1.5 m(寬×高),設(shè)計(jì)水頭33.56 m。輸水洞出口工作閘門1孔,孔口尺寸1.8 m×1.5 m(寬×高),設(shè)計(jì)水頭27.62 m。閘門型式均為深孔弧形鋼閘門,直支臂雙主橫梁,支承采用圓柱鉸。閘門面板曲率半徑為3.0 m,材質(zhì)采用Q235C。閘門自重4.7 t,埋件重2.0 t。閘門鉸座軸承選用自潤滑圓柱軸承,閘門埋件的側(cè)軌、門楣及底軌均為鋼板與型鋼焊接件。側(cè)軌及門楣上設(shè)有不銹鋼止水座板。頂止水設(shè)置2道,門葉上和門楣上各1道,結(jié)構(gòu)型式采用圓滾浮子式頂止水結(jié)構(gòu),側(cè)止水為方頭“P”型,底止水為板條形。
閘門操作方式為動水啟閉,啟閉設(shè)備均采用搖擺式螺桿啟閉機(jī),工作級別Q2_輕,單吊點(diǎn),容量500 kN/250 kN,揚(yáng)程2.5 m,各1臺。螺桿啟閉機(jī)的電機(jī)軸與渦輪軸為直接連接方式。
4發(fā)電洞金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
發(fā)電洞金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備改建包括更換進(jìn)口攔污柵、檢修閘門、埋件及啟閉設(shè)備。改造后發(fā)電洞進(jìn)口設(shè)檢修閘門1扇,攔污柵1扇,閘門和攔污柵共槽。
4.1進(jìn)口檢修閘門、攔污柵及啟閉機(jī)
發(fā)電洞進(jìn)口設(shè)1扇檢修閘門和1扇攔污柵,閘門和攔污柵共槽,共用1臺啟閉機(jī)。閘孔平時(shí)放置攔污柵,檢修閘門鎖定在檢修平臺上。
檢修閘門孔口尺寸2.5 m×3.0 m(寬×高),設(shè)計(jì)水頭24.56 m。閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用實(shí)腹式多主梁焊接結(jié)構(gòu),主梁為變截面組合梁,門體材質(zhì)為Q235C。閘門自重5.5 t,埋件重3.6 t。閘門為懸臂式滾輪支承,主輪為鑄鋼件,面板設(shè)在上游側(cè),止水采用后水封,側(cè)止水為“P”型,底止水為板條形。閘門主輪軸承選用自潤滑圓柱軸承。閘門埋件的主軌、反軌、底軌均為鋼板與型鋼焊接件,反軌設(shè)有不銹鋼止水座板。
攔污柵尺寸2.8 m×3.3 m(寬×高),設(shè)計(jì)水頭差2.0 m,與檢修閘門共槽。攔污柵柵葉由柵葉和支承框架構(gòu)成。柵體材質(zhì)為Q235C,攔污柵重2.0 t,采用滑塊支承,材質(zhì)為工程塑料合金。
閘門操作方式為靜水啟閉,小開度提門充水平壓。啟閉設(shè)備為固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī),工作級別為Q2_輕,容量630 kN,揚(yáng)程22 m,共1臺。滑輪倍率為6,卷筒直徑φ600 mm。
4.2檢修閘門與攔污柵互換
在啟閉機(jī)室平臺梁底布置手拉移動葫蘆,用于檢修閘門與攔污柵互換。手拉移動葫蘆由手拉小車和手拉葫蘆組成,起重量3 t,起升高度6 m,共4個(gè)。啟閉機(jī)室平臺梁底固定2根20a工字鋼軌道(見圖1)。
閘門和攔污柵吊裝過程如下:一是攔污柵在槽內(nèi)換閘門入槽。用固定卷揚(yáng)機(jī)將攔污柵吊至孔口,然后用工字鋼將攔污柵擔(dān)在孔口。此時(shí)摘掉卷揚(yáng)機(jī)吊鉤,用2個(gè)手拉葫蘆將攔污柵吊至上游側(cè),然后另用2個(gè)手拉葫蘆將檢修閘門移至孔口并鎖定,摘鉤換卷揚(yáng)機(jī)吊鉤,將檢修閘門放入槽內(nèi)。二是閘門在槽內(nèi)換攔污柵入槽。用固定卷揚(yáng)機(jī)將檢修閘門吊出并擔(dān)在孔口,此時(shí)摘掉卷揚(yáng)機(jī)吊鉤換手拉葫蘆吊鉤將檢修閘門移至孔口上游側(cè),用另一組葫蘆吊攔污柵入槽并擔(dān)在孔口,然后換用固定卷揚(yáng)機(jī)吊鉤將攔污柵放入槽內(nèi)。
圖1閘門、攔污柵與啟閉機(jī)布置示意
5金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)
5.1主輪結(jié)構(gòu)
(1)主軸結(jié)構(gòu)
溢流壩工作閘門承受總水壓力為4 162 kN,為減小啟閉力,閘門結(jié)構(gòu)采用滾動式行走支承,該支承型式綜合摩擦系數(shù)僅為滑動支承的1/2~1/3,能有效地減小閘門啟閉力。同時(shí),為了減小門槽寬度,閘門采用8主輪布置型式;主軸采用偏心軸結(jié)構(gòu),利用偏心軸的轉(zhuǎn)動,調(diào)整輪子使其踏面保證在同一平面上。閘門安裝完成后,經(jīng)過現(xiàn)場檢查,閘門各滾輪與門槽埋件接觸良好。
(2)軸承材質(zhì)
工程中采用了工程塑料合金自潤滑軸承。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,利于閘門的安裝及運(yùn)用。該軸承變形能力強(qiáng),抗壓強(qiáng)度大,達(dá)50 MPa,較好地滿足了強(qiáng)度要求。同時(shí),該軸承具有自潤滑性能,在工作中不需要添加潤滑劑,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,降低了閘門的啟門力。軸承與輪子采用的配合為H8,軸承與軸采用的配合為f8。各閘門軸承均采用工程塑料合金自潤滑軸承。安裝后,閘門的滾輪轉(zhuǎn)動靈活。
5.2頂水封結(jié)構(gòu)
泄洪洞、輸水洞進(jìn)口事故閘門以及發(fā)電洞進(jìn)口檢修閘門均采用后水封型式,為防止頂止水在與埋件的摩擦和水流的沖擊下橡皮圓頭產(chǎn)生翻卷,損壞橡皮,將水封壓板邊緣略加彎轉(zhuǎn),形成倒“L”型,在閘門開啟時(shí),橡皮與壓板充分接觸,從而有效地保護(hù)了橡皮(見圖2)。
圖2頂水封結(jié)構(gòu)示意
5.3啟閉機(jī)安全裝置
固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)和搖擺式螺桿啟閉機(jī)均配有機(jī)械限位開關(guān),閘門運(yùn)行達(dá)到上、下極限位置時(shí)能自動斷開回路,使啟閉機(jī)停止運(yùn)行。另外,啟閉機(jī)均配有閘門開度測控裝置和荷重測控裝置,測控裝置包括傳感器、配套線纜及二次儀表。卷揚(yáng)式啟閉機(jī)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)。搖擺式螺桿啟閉機(jī)閘門開度傳感器與齒輪聯(lián)接,荷重傳感器安裝在機(jī)座內(nèi)。開度傳感器及荷重傳感器均能通過二次儀表進(jìn)行顯示,并向可編程邏輯控制器(PLC)輸出報(bào)警信號。啟閉機(jī)現(xiàn)地控制柜裝有開度測控裝置及荷重測控裝置的二次儀表,可監(jiān)視閘門啟閉的全過程。
電動葫蘆設(shè)有起升機(jī)構(gòu)上升、下降極限保護(hù)裝置,并有可靠的制動裝置,設(shè)有緊急手動釋放裝置。由于溢洪道檢修閘門寬度較大,閘門設(shè)計(jì)為雙吊點(diǎn)啟閉,電動葫蘆采用機(jī)械傳動軸連接,同軸驅(qū)動,解決了雙吊點(diǎn)的同步問題。
6結(jié)語
(1)金屬結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)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。目前金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備均已安裝并投入運(yùn)行,均滿足水庫蓄水和安全運(yùn)用的要求。
(2)將泄水洞和輸水洞進(jìn)口檢修閘門更新為事故閘門,操作方式為動閉靜啟,滿足事故發(fā)生時(shí)動水閉門的運(yùn)行要求。
(3)各閘門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,減少了日常維護(hù)工作量。
(4)在啟閉機(jī)選型中,平面鋼門采用固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī),弧形閘門采用搖擺式螺桿啟閉機(jī),均配有閘門開度和荷重測控裝置,可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場和遠(yuǎn)程集中控制,提高了工程的自動化水平。
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責(zé)任編輯吳昊
收稿日期:2016-03-15
作者簡介:張延忠(1982-),男,工程師,主要從事水利工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。