邢怡芳，郭富權(quán)

（中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065）

進(jìn)人閘門設(shè)計(jì)淺談

邢怡芳，郭富權(quán)

（中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065）

本文主要論述了某水電站的進(jìn)人閘門運(yùn)行要求和使用條件，對(duì)進(jìn)人閘門結(jié)構(gòu)及零部件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，在滿足閘門安全擋水的前提下，通過(guò)采取設(shè)計(jì)措施，可在無(wú)水狀態(tài)下通過(guò)人力開(kāi)啟和關(guān)閉重達(dá)1.3t的閘門。

進(jìn)人閘門；滾輪支承；無(wú)水啟閉；人力操作；自潤(rùn)滑軸承；把手裝置

1 概述

在水電站中進(jìn)人閘門是較特殊的一種閘門，其一般布置在施工支洞與引水洞交匯處。由于引水洞一般較長(zhǎng)且封閉，在需要檢修時(shí)無(wú)有效的進(jìn)入通道，近兩年某電站采用在施工支洞盡頭與引水隧道交匯處，設(shè)置一道進(jìn)人閘門解決這個(gè)問(wèn)題，進(jìn)人閘門平時(shí)關(guān)閉不影響機(jī)組的正常供水，需要時(shí)打開(kāi)進(jìn)人閘門提供進(jìn)入引水隧洞的通道。

2 總體布置

根據(jù)進(jìn)人閘門的運(yùn)行要求和實(shí)際條件，此類閘門一般需要滿足以下條件：一是引水隧洞在與施工支洞的交匯處，水頭都比較高，一般閘門擋水水頭均在60m以上。因此需要對(duì)閘門進(jìn)行剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算，確保閘門的結(jié)構(gòu)滿足安全要求；二是閘門在結(jié)構(gòu)的要求下，自重都比較大，約在1．3t左右，施工支洞內(nèi)無(wú)起吊設(shè)備，只能通過(guò)人力開(kāi)啟或關(guān)閉閘門；三是施工支洞和引水隧洞之間應(yīng)無(wú)明顯高差，以便于輕便型運(yùn)載工具通過(guò)。

本文通過(guò)某電站的設(shè)計(jì)具體闡述，某電站在引水隧洞不同位置設(shè)置了6條施工支洞，在其中3條施工支洞設(shè)置進(jìn)人閘門，進(jìn)人閘門的孔口尺寸為1．2m（寬）×1．8m（高），在3處的水頭分別為68m、70m和75m。為保證安全，3處閘門均按75m進(jìn)行設(shè)計(jì)。總體布置如圖1，由人站在施工支洞內(nèi)向外推閘門，打開(kāi)閘門。

圖1

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用平面假定和容許應(yīng)力方法進(jìn)行分析計(jì)算。按照《水電水利工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。

進(jìn)人閘門由面板、主梁、縱梁、邊梁、把手裝置、轉(zhuǎn)鉸、底輪構(gòu)成。閘門的面板、主梁、縱梁、邊梁組合構(gòu)成框架式鋼結(jié)構(gòu)，主要承擔(dān)水壓力，需按照規(guī)范要求對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性計(jì)算。

首先對(duì)閘門進(jìn)行區(qū)隔計(jì)算，并對(duì)面板進(jìn)行折算應(yīng)力復(fù)算，最終選定該閘門面板采用16mm厚鋼板；其次對(duì)閘門主梁按簡(jiǎn)支梁模型進(jìn)行強(qiáng)度及剛度計(jì)算，確定采用類似工字鋼30b的組合梁可滿足要求，并對(duì)該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)論滿足要求。由計(jì)算結(jié)果分析得知，該閘門受強(qiáng)度因素控制。

3.1.2 轉(zhuǎn)鉸與鉸座設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)鉸與閘門埋件上的鉸座通過(guò)轉(zhuǎn)軸連接，該部件為閘門與埋件上的連接部件，既起到閘門開(kāi)啟和關(guān)閉的定位作用，也在閘門被推動(dòng)時(shí)，起到分擔(dān)閘門自重的作用，其加工和安裝精度將直接影響到進(jìn)人閘門的使用功能。

考慮到轉(zhuǎn)軸與支鉸座長(zhǎng)期在水中工作，為了減少開(kāi)門或關(guān)門時(shí)的推力，在鉸座內(nèi)鑲嵌自潤(rùn)滑滑動(dòng)軸套，轉(zhuǎn)軸采用40Cr材料。整體連接結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖中件1為轉(zhuǎn)軸，件2和件4為焊接在埋件上的支鉸座，內(nèi)為空腔安裝有自潤(rùn)滑軸套，件3為焊接在閘門上的轉(zhuǎn)鉸。在一個(gè)閘門上裝配2套此連接部件。當(dāng)安裝完畢后，閘門受重力作用向下運(yùn)動(dòng)，受到件4的約束，通過(guò)轉(zhuǎn)軸固定，即可實(shí)現(xiàn)上述功能。

3.1.3 底輪設(shè)計(jì)

根據(jù)受力分析，閘門重量1．3t，如只采用支鉸結(jié)構(gòu)承擔(dān)，整體受力狀態(tài)成為懸臂結(jié)構(gòu)，支鉸處會(huì)受到很大的彎應(yīng)力，局部擠壓應(yīng)力過(guò)大。為改善閘門的受力情況，在閘門底部安裝1套簡(jiǎn)支輪裝置，由簡(jiǎn)支輪裝置承受部分重力，對(duì)于各構(gòu)件受力狀態(tài)會(huì)有極大改善。此簡(jiǎn)支輪的輪徑由水工布置及現(xiàn)場(chǎng)情況確定，該輪徑原則使輪徑盡量小，以減少底坎的高度。本工程采用直徑150mm的輪子，焊接在閘門的底主梁上。使閘門在開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)不會(huì)受到障礙物的阻礙。也滿足底坎保證封水尺寸，也不影響小型運(yùn)輸機(jī)具通過(guò)此處。

3.1.4 把手裝置設(shè)計(jì)

在閘門上安裝把手裝置的作用主要有兩個(gè)。一是為閘門開(kāi)啟和關(guān)閉提供示力作用點(diǎn)。二是在閘門關(guān)閉時(shí)通過(guò)手柄與閘門埋件特定結(jié)構(gòu)的配合，給予閘門水封一定的預(yù)壓力，保證閘門在充水整體過(guò)程中的穩(wěn)定性。把手裝置由手柄、自潤(rùn)滑軸套、銷軸、緊固螺母、鎖定螺母、帶孔銷等組成，如圖3。手柄與閘門埋件接觸處做成楔形，以方便采用人力關(guān)閉楔緊閘門，并與閘門埋件下游側(cè)留有間隙，滿足在水壓作用下，閘門自然向施工支洞方向退卻時(shí)有活動(dòng)余地。所留間隙大小，由閘門與主軌及水封與水封座板的配合尺寸確定。本工程閘門與埋件下游側(cè)留10mm間隙，實(shí)踐證明留有間隙是必要的。

圖3

3.2 埋件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

閘門埋件為澆筑在二期混凝土內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)，作用一為將閘門上的水壓力傳遞到水工建筑物上；其二是和閘門上的水封橡皮配合形成封閉結(jié)構(gòu)，阻止水進(jìn)入施工支洞；其三是與閘門上的手柄配合，關(guān)閉閘門并給予閘門水封橡皮一定預(yù)壓，使閘門在引水隧洞剛充水時(shí)，不會(huì)因?yàn)樗鞯奈闪鳡顟B(tài)造成閘門的不穩(wěn)定。

閘門埋件主要有主軌、鉸座、止水封板、滾輪底板等組成。

主軌是主要傳力構(gòu)件，對(duì)主軌應(yīng)進(jìn)行彎應(yīng)力和剪力計(jì)算，其值不應(yīng)大于相應(yīng)的允許應(yīng)力。其次對(duì)于支承主軌的二期混凝土進(jìn)行壓應(yīng)力計(jì)算，根據(jù)計(jì)算得壓應(yīng)力值選擇需要澆筑的二期混凝土標(biāo)號(hào)。鉸座根據(jù)受力分析對(duì)其緊接承壓應(yīng)力、緊接承拉應(yīng)力、剪力分別進(jìn)行計(jì)算，并給與一定安全富裕度，本工程的鉸座安全系數(shù)為3，即允許應(yīng)力與計(jì)算數(shù)值的比值為3 。滾輪底板按閘門簡(jiǎn)支輪實(shí)際運(yùn)行軌跡進(jìn)行布置，并在極限位置兩端均多出150mm富裕距離。對(duì)于滾輪底板只需計(jì)算壓應(yīng)力，構(gòu)件截面高140mm，并與一期混凝土預(yù)埋插筋牢固焊接，調(diào)平后澆筑二期混凝土，二期混凝土厚度200mm。保證構(gòu)件在水流長(zhǎng)時(shí)間沖刷下，不會(huì)被破壞。通過(guò)對(duì)閘門埋件各個(gè)部件的受力分析和計(jì)算，得出構(gòu)件整體是安全可靠的結(jié)論。

4 安裝與運(yùn)行

進(jìn)人閘門門葉和埋件整體重量為2．1t。總體外形尺寸為1．88m(寬）×2．1m(高)，滿足陸地運(yùn)輸?shù)某叽缫?，由此要求門槽埋件和門葉均在制造廠制造安裝完畢，并進(jìn)行調(diào)試。滿足要求后整體運(yùn)往工地現(xiàn)場(chǎng)，埋件在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)平后，與伸出一期混凝土預(yù)留插筋焊接牢固，再澆筑二期混凝土。

實(shí)際運(yùn)行表明，本閘門通過(guò)人力推動(dòng)可開(kāi)啟和關(guān)閉，閘門關(guān)閉并鎖緊把手裝置后，隧道進(jìn)行充水，閘門封水效果良好。在整個(gè)充水過(guò)程中，閘門無(wú)擺動(dòng)和振動(dòng)現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)3天充放水試驗(yàn)及閘門關(guān)閉開(kāi)啟試驗(yàn)表明，整體進(jìn)人閘門的設(shè)計(jì)，制造施工及運(yùn)行達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)想效果。

本進(jìn)人閘門設(shè)計(jì)可為承受大荷載，空間狹小的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一些借鑒。

[1]楊占英．自動(dòng)翻轉(zhuǎn)閘滑、滾動(dòng)鉸的設(shè)計(jì)．水土保持科技情報(bào)，2004，6．

[2]黃剛．滑動(dòng)軸承標(biāo)準(zhǔn)體系現(xiàn)狀分析．機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2010，8．

[3]劉志奇．一種直線式全自動(dòng)吹瓶機(jī)自動(dòng)置把手裝置．城市建設(shè)理論研究，2013，4．

[4]任尊松．輪軌接觸幾何關(guān)系在道岔系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中的應(yīng)用．鐵道學(xué)報(bào)，2004，1．

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