劉國瑞

(浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院，杭州 310002)

欽寸水庫溢洪道弧形工作閘門設(shè)計(jì)

劉國瑞

(浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院，杭州 310002)

根據(jù)欽寸水庫的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及功能定位，選用表孔弧形鋼閘門。介紹了表孔弧形閘門的結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。采用常用的雙斜支臂式結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時上框架略抬高，不僅能使上、下框架荷載均勻，而且可以提高閘門剛度。門葉結(jié)構(gòu)根據(jù)需要采用強(qiáng)度較大的鋼材，支臂采用強(qiáng)度相對較小的鋼材。側(cè)止水采用角型橡皮止水，避免因漏水而引起閘門振動。支鉸設(shè)計(jì)時應(yīng)合理布置鉸鏈、鉸座的肋板，避免弧門開啟過程中發(fā)生干涉。閉式啟閉機(jī)能保證良好的潤滑和較好的嚙合精度，傳動效率高，后期日常維護(hù)工作量小。

水庫；表孔弧形閘門；支鉸；閉式啟閉機(jī)；設(shè)計(jì)

1 欽寸水庫概況

欽寸水庫工程位于浙江省紹興市新昌縣境內(nèi)，是浙東引水與水資源配置及曹娥江防洪治理的重要工程[1]。欽寸水庫工程是一座以供水、防洪為主，兼顧灌溉和發(fā)電等綜合利用的水利工程，壩址以上集水面積為316 km2，總庫容為2.44億m3，電站總裝機(jī)容量為2.75 MW，為Ⅱ等工程，工程規(guī)模屬大(2)型水庫，電站為小(2)型電站。工程樞紐主要由大壩、溢洪道、放空洞、發(fā)電引水建筑物、發(fā)電廠和升壓站等建筑物組成。

2 門型選擇及總體布置

欽寸水庫采用岸坡式溢洪道，共布置5孔，每孔凈寬為10.0 m，堰頂高程為92.0 m，臺汛期限制水位為96.0 m，水庫正常蓄水位為98.0 m，設(shè)計(jì)洪水位(P=0.5%)為102.88 m，校核洪水位(P=0.02%)為105.10 m。要求在防洪高水位(P=2.0%)102.86 m以下開啟泄洪閘并控制泄量不超過400 m3/s，超過50年一遇洪水位時，逐步開啟全部5孔泄洪閘泄洪，保證水庫安全。

泄洪閘工作閘門的設(shè)置位置，以溢洪道頂略偏下游處為宜，如此可壓低水舌，避免壩面產(chǎn)生負(fù)壓，并可改善閘門的底緣流態(tài)[2]。該閘門底坎高程定為91.90 m，按防洪高水位102.86 m設(shè)計(jì)，考慮超高后門高取11.50 m，操作方式為動水啟閉且需要局部開啟。由于弧形閘門不需門槽，具有水道連續(xù)、過流平順、水力條件及水流流態(tài)良好、啟閉力小、局部開啟特性好等特點(diǎn)，因此工作閘門選用表孔弧形鋼閘門，弧門尺寸為10.0 m×11.5 m-11.5 m，孔口尺寸較大，屬于大型閘門。該閘門支鉸布置在100.0 m高程，位于泄流水面線之上約1.5 m，以避免過流時支鉸遭受水流及漂浮物的沖擊，支鉸布置高度與門高的比值為0.7，在規(guī)范推薦范圍之內(nèi)[3]。閘門及啟閉機(jī)布置如圖1所示。

圖1 閘門及啟閉機(jī)布置

3 門體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該閘門為雙主橫梁結(jié)構(gòu)，主橫梁采用2根實(shí)腹式焊接結(jié)構(gòu)梁。采用表孔弧形閘門中最常用的雙斜支臂式結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)主梁兩端為懸臂，減小了主梁跨中彎矩，從而減小了主梁及豎向聯(lián)結(jié)系的截面高度，節(jié)約了鋼材，減小了閘門質(zhì)量。主梁通常按等荷載原則來布置，即上、下主梁對稱布置于靜水壓力合力作用線。但考慮到啟門過程中上框架所受荷載增加，下框架所受荷載減小，閘門主梁布置時上框架略抬高，這樣不僅能使上、下框架荷載均勻，而且可以適當(dāng)縮短門葉上懸臂，從而提高了閘門剛度。支臂與主橫梁用螺栓連接并設(shè)有抗剪板，抗剪板應(yīng)在斜支臂與門葉結(jié)構(gòu)通過螺栓連接后再進(jìn)行焊接，采用三面連續(xù)角焊縫，焊后應(yīng)保證抗剪板的非焊接面與支臂端板緊密接觸，使斜支臂與主橫梁間為剛性連接。門葉結(jié)構(gòu)采用Q345B鋼，在保證梁系強(qiáng)度的前提下減小梁系截面、節(jié)約鋼材，支臂采用Q235B鋼，以適當(dāng)增大截面、提高支臂剛度，主橫梁與支臂的單位剛度比為6.05。弧門面板外緣曲率半徑取14 m，與閘門高度的比值為1.22，在規(guī)范推薦的較優(yōu)取值范圍內(nèi)。為滿足制造、運(yùn)輸及安裝要求，門葉分4節(jié)制造，運(yùn)至現(xiàn)場后焊接成整體。出廠前應(yīng)進(jìn)行整體預(yù)組裝，合格后應(yīng)在組裝處打上明顯的標(biāo)記并編號[4]。

4 止水設(shè)計(jì)

止水的有效密封是防止閘門振動、避免閘門及埋件空蝕及磨損的關(guān)鍵。該閘門側(cè)止水采用鈍角型橡皮止水，即使門葉存在一定的側(cè)向偏差，側(cè)止水的封水面仍可緊貼止水座板，從而達(dá)到良好的止水效果，避免因漏水而引起閘門振動。側(cè)止水的材料采用聚四氟乙烯橡塑復(fù)合型橡皮，減少了止水與座板間的摩阻力并提高了止水的耐磨性。底止水采用條形橡皮，可以達(dá)到較好的封水效果。由于溢流壩表孔弧門底檻踏面為傾斜布置，閘門全關(guān)時面板難免會與底檻踏面接觸，因此面板底部加工成斜面，以避免底部棱角對底檻踏面造成局部擠壓，并可保證閘門底緣水流平順、底止水均勻壓緊[5]。

5 支鉸形式設(shè)計(jì)

支鉸承受著施加在門體上的全部水壓力、啟閉過程中的部分啟閉力以及門體重力, 支鉸將所承受荷載傳遞到閘墩并保證閘門能繞水平軸轉(zhuǎn)動，是弧形閘門的重要部件。由于該閘門斜支臂角度較小，支鉸所受側(cè)推力較小,因此采用結(jié)構(gòu)簡單、自身質(zhì)量較小、制造安裝方便的圓柱鉸形式。鉸座的布置方向可以與閘門靜水壓力合力有一微小夾角，但與支臂的中心線必須位于同一直線上。支鉸設(shè)計(jì)時，鉸鏈、鉸座的肋板布置應(yīng)合理，避免弧門開啟過程中兩者的肋板發(fā)生干涉。如鉸鏈設(shè)計(jì)時，應(yīng)特別注意與鉸軸平行肋板的尺寸，因?yàn)槿绻朔较虻睦甙宄叽缭O(shè)置不當(dāng)，弧門開啟過程中會被鉸座支承板卡死，從而導(dǎo)致支臂失穩(wěn)，國內(nèi)出現(xiàn)的此類事故不乏實(shí)例。鉸鏈、鉸座材料均采用ZG310-570，鉸軸材料采用40 Cr，軸套選用高承載、低摩阻的自潤滑材料。鉸鏈與支臂的端板用M42螺栓連接，鉸座與牛腿之間用M42雙頭螺柱連接，雙頭螺柱的長度貫穿整個牛腿?；￠T牛腿處設(shè)有專門的檢修平臺。

6 啟閉機(jī)選型設(shè)計(jì)

該閘門的啟閉機(jī)選用QXQ-2×375kN-16 m全封閉式弧形門卷揚(yáng)啟閉機(jī)，啟閉平臺設(shè)在115.0 m高程。傳統(tǒng)開式傳動啟閉機(jī)齒輪完全外露且外形尺寸大，易落入灰砂和雜物，不能保證良好的潤滑，輪齒易磨損，傳動效率較低，后期維護(hù)工作量較大；而閉式啟閉機(jī)的減速傳動部分采用全封閉式(無開式齒輪)傳動，齒輪和軸承完全封閉在箱體內(nèi)，能保證良好的潤滑效果和較好的嚙合精度，傳動效率高，后期維護(hù)工作量小，機(jī)體外形尺寸也大為減小。

起升機(jī)構(gòu)采用單電機(jī)集中驅(qū)動，電動機(jī)布置于啟閉機(jī)中部，通過帶制動輪的聯(lián)軸器與高級減速器實(shí)現(xiàn)剛性軸同步。減速器選用兩級減速方式，高速級減速器位于啟閉機(jī)中部，分別通過齒輪聯(lián)軸器及中間軸同時帶動兩個低速減速器，低速減速器分別與左、右卷筒直接相連。制動器采用帶有手動釋放裝置的電力液壓塊式制動器，并配備液控應(yīng)急操作器，制動器在液控應(yīng)急操作器工作時可實(shí)現(xiàn)手動松閘，液控應(yīng)急操作器和制動器對稱布置于高級減速器的兩側(cè)。液控應(yīng)急操作器是在啟閉機(jī)電機(jī)失效的情況下，用于緊急閉門的應(yīng)急設(shè)備，啟閉機(jī)電機(jī)正常工作時，該操作器的手動離合器打開，不影響啟閉機(jī)的正常工作，需要應(yīng)急操作時，手動離合器閉合即可。

7 結(jié)束語

溢洪道表孔弧形閘門是水庫泄洪、調(diào)蓄的主要設(shè)備，對確保工程安全至關(guān)重要，其孔口尺寸較大、數(shù)量較多，設(shè)計(jì)、制作、安裝時都應(yīng)充分重視。欽寸水庫溢洪道表孔弧形閘門已經(jīng)制作、安裝、調(diào)試完畢，運(yùn)行效果有待今后進(jìn)一步檢驗(yàn)總結(jié)。

[1]浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院.浙江省新昌縣欽寸水庫工程初步設(shè)計(jì)報告[R].杭州：浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院，2009.

[2]楊兆福.水工金屬結(jié)構(gòu)[M].北京：水利電力出版社，1989.

[3]水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范：SL 74—2013[S].

[4]水利水電工程鋼閘門制造、安裝及驗(yàn)收規(guī)范：GB/T 14173—2008[S].

[5]水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊編寫組. 水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊：金屬結(jié)構(gòu)(一) [M]. 北京：水利電力出版社，1988.

(本文責(zé)編：劉芳)

2016-12-22；

2017-02-20

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劉國瑞(1981—)，男，江蘇徐州人，高級工程師，工學(xué)碩士，從事水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作(E-mail:lgr126@126.com)。