郝二峰，史新義，宋 歌，于修勝，張 添

（河南省水利第二工程局，450016，鄭州）

河南省前坪水庫(kù)泄洪洞進(jìn)水塔檢修閘門(mén)為平板閘門(mén)，長(zhǎng)8.22 m，門(mén)葉高 9.23 m、厚 1.3 m，總重 97.9 t。該閘門(mén)分三節(jié)制造，其中底部一節(jié)高 4.67 m， 重 45 t。 檢修閘門(mén)因供貨滯后，在進(jìn)水塔塔身施工完成后閘門(mén)已不具備從進(jìn)水塔頂部利用塔吊安裝入門(mén)槽的條件，只能從進(jìn)水塔底板進(jìn)行安裝。 由于門(mén)槽寬度受限， 只能進(jìn)行單節(jié)閘門(mén)豎起起吊，在進(jìn)水塔上部檢修空間內(nèi)完成90°翻轉(zhuǎn)后入門(mén)槽。 工程項(xiàng)目部提出了利用鋼絲繩和倒鏈的 “多繩”“雙繩”翻轉(zhuǎn)方案及“自平衡中心軸穿孔”旋轉(zhuǎn)方案，經(jīng)多次對(duì)比、討論及召開(kāi)專(zhuān)家論證會(huì)，一致認(rèn)為采用鋼絲繩及倒鏈旋轉(zhuǎn)重達(dá)45 t 的閘門(mén)將面臨鋼絲繩、吊耳、倒鏈損壞的風(fēng)險(xiǎn)， 且人工操作工作量大，在狹小空間內(nèi)安全風(fēng)險(xiǎn)過(guò)高；中心軸方案是在每節(jié)門(mén)葉的前面板及后翼板中心位置開(kāi)直徑20 cm 的圓孔，并利用中心軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)閘門(mén)翻轉(zhuǎn)時(shí)的重力自平衡，旋轉(zhuǎn)過(guò)程中人員可撤離， 安全風(fēng)險(xiǎn)小，較好地解決了施工難題。

一、工程概況

前坪水庫(kù)泄洪洞布置在主壩左側(cè)，包括引渠段、控制段、洞身段、消能工程段等部分。 進(jìn)口洞底高程為360.0 m，控制段閘室采用有壓短管型式， 洞身段采用無(wú)壓城門(mén)洞型隧洞，出口消能方式采用挑流消能。 泄洪洞總長(zhǎng)689 m，其中引渠段長(zhǎng)75 m、控制段長(zhǎng)38 m、洞身段長(zhǎng)516 m、消能工程段長(zhǎng)60 m。 工作閘門(mén)和事故檢修閘門(mén)分別采用孔口尺寸為6.5 m×7.5 m 的弧形鋼制閘門(mén)和孔口尺寸為6.5 m×7.8 m 的平板閘門(mén)，分別配備1 臺(tái)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)和1 臺(tái)卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)。

泄洪洞進(jìn)水塔高68.5 m， 為岸坡式建筑物， 底板長(zhǎng)×寬=38 m×17.5 m，厚4 m， 流道寬6.5 m， 墩墻外側(cè)經(jīng)2次向內(nèi)收縮，至頂部尺寸為22.05 m×9.5 m。 泄洪洞檢修門(mén)寬 8.22 m，高9.23 m+2.02 m （充水閥及吊點(diǎn)高度2.02 m），厚 1.3 m，總重 77 t，閘門(mén)分三節(jié)加工，最底部一節(jié)高度4.68 m（含搭接高度，下同），中間節(jié)高度3.685 m，頂部節(jié)高度3.455 m。

二、檢修閘門(mén)安裝前準(zhǔn)備

①閘門(mén)中心開(kāi)孔。 閘門(mén)出廠前，委托廠家對(duì)閘門(mén)開(kāi)孔，根據(jù)閘門(mén)加固措施進(jìn)行加固。 閘門(mén)安裝完成后，按照設(shè)計(jì)要求用同材質(zhì)、同厚度的鋼板加工成開(kāi)孔尺寸大小的圓形鋼板，對(duì)開(kāi)孔位置進(jìn)行補(bǔ)焊。

②支架系統(tǒng)加工。 閘門(mén)在廠家開(kāi)孔及加固的同時(shí)， 項(xiàng)目部開(kāi)始加工吊裝支架系統(tǒng)。 吊裝工具總成圖見(jiàn)圖1。

三、檢修閘門(mén)吊裝吊具應(yīng)力計(jì)算

1.基本荷載P

最大一節(jié)閘門(mén)重：P1=45 t=450 kN。

吊具總重：P2=3 t=30 kN。

總重量：P=P1+P2=480 kN。

2.中心軸驗(yàn)算

中心軸直徑：Φ1=120 mm， 長(zhǎng)度L=1 700 mm。

中心軸吊掛鋼板材質(zhì)選用Q345 級(jí)鋼板， 根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50017—2003） 要求選用鋼材分組尺寸的第 3 組。

圓鋼的直徑＞100 mm，Φ120＞100 mm，鋼板的厚度＞40～50 mm。

第3 組鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（N/mm2，MPa）：

抗拉、抗壓、抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值[f’]=190 N/mm2，MPa；抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值[fv’]=110 N/mm2，MPa；端面承壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值[fm’]=320 N/mm2，MPa。

中心軸抗壓強(qiáng)度δ=N/A， 此處不計(jì)算抗壓強(qiáng)度δ， 只計(jì)算擠壓強(qiáng)度δc， 由于中心軸兩端距支點(diǎn)吊掛鋼板距離很近， 所以也不計(jì)算抗彎強(qiáng)度。

（1）中心軸抗剪強(qiáng)度

中心軸兩頭每頭軸頭受剪，剪力Q=P/2=240 kN； 受剪面積 A=πΦ12/4=3.14×1202/4=11 304 mm2；τ=Q/A=240×103/11 304=21.23 MPa<[fv’]=110 MPa。中心軸抗剪強(qiáng)度<[fv’]，中心軸滿足抗剪強(qiáng)度條件。

（2）中心軸擠壓強(qiáng)度

擠壓是發(fā)生在中心軸與吊掛鋼板孔壁之間相互接觸面上的壓緊現(xiàn)象， 軸與孔壁接觸面即擠壓面，計(jì)算軸的擠壓強(qiáng)度時(shí)， 一般取軸的半圓柱面， 即直徑 Φ 作為計(jì)算面積，但考慮到此方案中心軸與吊掛鋼板孔的間隙過(guò)大， 擠壓基礎(chǔ)面較小，達(dá)不到軸的半圓柱面的尺寸， 保守取值為Φ 的1/6 作為計(jì)算擠壓面，吊掛鋼板孔采用幫焊一塊鋼板加厚吊掛鋼板的寬度t2， 幫焊鋼板厚度th=20 mm，吊掛鋼板厚度 td=50 mm，加焊后的吊掛鋼板孔寬度t2=50+20=70 mm。

中心軸擠壓力:Pc=P/2=240 kN；中心 軸 擠 壓 強(qiáng) 度 ：δc=Pc/Ac=（240×103）/（120×70/6）=171.4 N/mm2，MPa。 中心軸 擠 壓 強(qiáng) 度 δc=171.4 MPa<[f’]=190 MPa，滿足擠壓強(qiáng)度要求，故中心軸滿足擠壓強(qiáng)度條件。

3.吊裝鋼板抗拉強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度計(jì)算

（1）吊掛鋼板的抗拉強(qiáng)度計(jì)算

吊掛鋼板由于軸孔使橫截面受到削弱，只對(duì)開(kāi)孔中心截面處的鋼板進(jìn)行抗拉強(qiáng)度校核。

吊掛鋼板寬B1=500 mm， 中心軸孔Φ2=128 mm，鋼板厚t1=50 mm，鋼板的中心截面的凈面積 A3=(B1-Φ2)t1=（500-128）×50=18 600 mm2。

中心軸兩頭各有一塊吊掛鋼板，單頭單塊鋼板的軸力N1=P/2=240 kN。

吊掛鋼板的抗拉強(qiáng)度δ1=N1/A3=240×103/18 600=12.9 N/mm2，MPa。 吊掛鋼板的抗拉強(qiáng)度δ1=12.9 MPa<[f’]=190 MPa，滿足抗拉強(qiáng)度要求。

（2）吊掛鋼板的抗剪強(qiáng)度

單頭單塊吊掛鋼板的抗剪強(qiáng)度τ2=Q2/A4。 剪力 Q2=P/2=240 kN。

鋼板厚度t1=50 mm，鋼板孔外邊緣至鋼板端部距離L1=180 mm， 受剪面積 A4=t1×L1=50×180=9 000 mm2。

鋼板抗剪強(qiáng)度τ2=Q2/A4=240×103/9 000=26.67 N/mm2，MPa。 吊掛鋼板的抗 剪 強(qiáng) 度 τ2=26.67 MPa<[fv’]=110 MPa，滿足抗剪強(qiáng)度要求。

（3）吊掛鋼板的擠壓強(qiáng)度校核

吊掛鋼板擠壓強(qiáng)度與中心軸擠壓強(qiáng)度相同，滿足擠壓強(qiáng)度條件。

4.吊裝鋼絲繩計(jì)算

中心軸主吊點(diǎn)及閘門(mén)邊角轉(zhuǎn)動(dòng)吊點(diǎn)鋼絲繩采用原廠卷?yè)P(yáng)機(jī)的滑輪組和鋼絲繩， 主吊點(diǎn)的鋼絲繩直徑D1=50 mm。

單根鋼絲繩的快速計(jì)算：

鋼絲繩允許用的安全拉力PX=45D12/1 000K=28.1 kN （K 為安全系數(shù)，取 K=4）。

中心吊點(diǎn)及門(mén)邊轉(zhuǎn)動(dòng)吊點(diǎn)需用滑輪組至少穿 2 根以上 D=50 mm鋼絲繩才能滿足吊裝安全條件。

圖1 吊裝支架系統(tǒng)示意圖

四、檢修閘門(mén)吊裝施工工藝

1.檢修閘門(mén)安裝總體情況說(shuō)明

進(jìn)水塔檢修閘門(mén)門(mén)槽高程為360～407 m， 門(mén)槽上下游方向?qū)挾葹? m，檢修閘門(mén)提升操作空間為407～423.92 m， 空腔尺寸為寬 4.5 m×長(zhǎng)11.1 m×高16.92 m。為便于說(shuō)明，以下安裝步驟中門(mén)葉按自上而下分為編號(hào)①、②、③，分節(jié)示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 門(mén)葉分節(jié)示意圖

2.吊裝前準(zhǔn)備工作及吊裝過(guò)程中的注意事項(xiàng)

①閘門(mén)吊裝之前由現(xiàn)場(chǎng)安全管理人員對(duì)汽車(chē)吊、 卷?yè)P(yáng)機(jī)、 倒鏈的鋼絲繩、 卸扣及吊鉤安全性能進(jìn)行系統(tǒng)檢查，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理，吊具磨損、變形、損壞較為嚴(yán)重時(shí)應(yīng)更換吊具。

②卷?yè)P(yáng)機(jī)啟動(dòng)前，應(yīng)檢查卷?yè)P(yáng)機(jī)各部分零件是否靈活，然后開(kāi)空車(chē)運(yùn)轉(zhuǎn)，再進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn)，檢驗(yàn)制動(dòng)閘、棘輪停止是否運(yùn)行正常。 確認(rèn)正常后，再投入使用。

③倒鏈?zhǔn)褂们?，檢查剎車(chē)和傳動(dòng)裝置是否靈活， 先做無(wú)負(fù)荷起落一次，然后進(jìn)行工作。

④閘門(mén)正式吊裝之前， 應(yīng)先試吊，確認(rèn)可靠后方可正式起吊；閘門(mén)起吊前，應(yīng)先清理起吊地點(diǎn)及運(yùn)行通道上的障礙物， 通知無(wú)關(guān)人員避讓?zhuān)鳂I(yè)人員應(yīng)選擇恰當(dāng)?shù)奈恢?；吊運(yùn)時(shí)應(yīng)保持物件重心平穩(wěn)。

⑤汽車(chē)吊操作人員及指揮人員應(yīng)經(jīng)過(guò)培訓(xùn)考核并持證上崗，吊裝前由安全生產(chǎn)部對(duì)吊裝操作人員、指揮人員及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員進(jìn)行安全交底，統(tǒng)一指揮信號(hào)，安全操作，做到令行禁止。 使用多個(gè)吊裝設(shè)備時(shí)，其牽引速度應(yīng)相同， 并且要做到統(tǒng)一指揮、統(tǒng)一動(dòng)作、同步操作。

⑥閘門(mén)起吊過(guò)程中， 在▽360 m設(shè)置安全警戒范圍，閘門(mén)下面嚴(yán)禁有人停留或穿行， ▽407 m 空腔的施工人員正確佩戴安全帶、防滑鞋等勞動(dòng)保護(hù)用品，待閘門(mén)吊至指定位置穩(wěn)定后方可進(jìn)行相關(guān)操作。

⑦在▽360～407 m 空腔內(nèi)設(shè)置充足的照明設(shè)備，確保吊裝過(guò)程視線良好。

3.吊點(diǎn)埋設(shè)

在啟閉機(jī)房封頂時(shí)，考慮后期閘門(mén)吊裝， 在卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)兩側(cè)各埋設(shè)3個(gè)輔助吊點(diǎn)。

4.閘門(mén)總體吊裝步驟

先起吊①號(hào)節(jié)， 并臨時(shí)固定于407 m 高程檢修門(mén)空腔上游處;再起吊②號(hào)節(jié)，置于①號(hào)節(jié)上，利用澆筑混凝土?xí)r預(yù)埋的鋼板吊點(diǎn)將①、②號(hào)節(jié)臨時(shí)固定;最后起吊③號(hào)節(jié)，完成 90°翻轉(zhuǎn)后直接入門(mén)槽， 在407 m平臺(tái)處采用臨時(shí)鎖定裝置將③號(hào)節(jié)閘門(mén)固定在門(mén)槽內(nèi)， 再將②號(hào)閘門(mén)吊至③號(hào)上進(jìn)行焊接。 焊接完成后將②、 ③號(hào)閘門(mén)總體下落至②號(hào)閘門(mén)頂至407 m 平臺(tái)1.5 m 高處，采用臨時(shí)鎖定裝置將②、 ③號(hào)節(jié)閘門(mén)固定在門(mén)槽內(nèi)， 最后將①號(hào)節(jié)閘門(mén)吊至②號(hào)節(jié)閘門(mén)上， 進(jìn)行焊接完成整體拼接。

5.閘門(mén)起吊

閘門(mén)共分為3 節(jié)，單節(jié)最重達(dá)45 t，長(zhǎng) 8.22 m×寬 4.68 m×厚 1.3 m（編號(hào)③），以③號(hào)閘門(mén)為例，進(jìn)行閘門(mén)起吊說(shuō)明。 閘門(mén)長(zhǎng)度及重量較大，在閘門(mén)安裝前需提前加工平板車(chē)運(yùn)輸閘門(mén)，平板車(chē)采用I40a 工字鋼作為主要框架，根據(jù)閘門(mén)長(zhǎng)度計(jì)算，平板車(chē)長(zhǎng)度為11 m，輪轂采用鋼輪轂，底部安裝軌道，防止平板車(chē)在閘門(mén)吊裝過(guò)程中發(fā)生側(cè)移，平板車(chē)采用卷?yè)P(yáng)機(jī)進(jìn)行牽引移動(dòng)。

閘門(mén)運(yùn)至門(mén)槽處后，采用主卷?yè)P(yáng)機(jī)及主鋼絲繩提升閘門(mén)。

6.閘門(mén)翻轉(zhuǎn)

閘門(mén)采用平板車(chē)?yán)脒M(jìn)水塔內(nèi)，并采用主卷?yè)P(yáng)機(jī)將閘門(mén)豎立在門(mén)槽底部，開(kāi)始安裝吊裝支架系統(tǒng)。 吊裝支架系統(tǒng)安裝完成后采用主卷?yè)P(yáng)機(jī)直接將閘門(mén)順門(mén)槽吊運(yùn)至407 m 平臺(tái)以上空腔內(nèi)。

閘門(mén)吊入空腔的同時(shí)，在424.5 m平臺(tái)主卷?yè)P(yáng)機(jī)兩側(cè)各安裝一臺(tái)小卷?yè)P(yáng)機(jī)，將小卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩穿過(guò)頂板預(yù)留的吊點(diǎn)，同時(shí)鋼絲繩另一端與閘門(mén)吊點(diǎn)連接牢靠。 鋼絲繩安裝完成后，利用小卷?yè)P(yáng)機(jī)拉動(dòng)閘門(mén)進(jìn)行轉(zhuǎn)體，轉(zhuǎn)體示意圖見(jiàn)圖3。

閘門(mén)轉(zhuǎn)體完成后在空腔底板工字鋼及鋼板搭設(shè)平臺(tái)， 將閘門(mén)落在平臺(tái)上然后拆除吊裝支架系統(tǒng)， 吊裝支架拆除后再用主卷?yè)P(yáng)機(jī)及小卷?yè)P(yáng)機(jī)相互配合將閘門(mén)放入檢修門(mén)空腔上游處。

圖3 閘門(mén)轉(zhuǎn)體示意圖

五、方案比較

1.多繩吊裝轉(zhuǎn)體方案

閘門(mén)采用平板車(chē)?yán)脒M(jìn)水塔內(nèi)，并采用主卷?yè)P(yáng)機(jī)將閘門(mén)豎立在門(mén)槽底部，采用主卷?yè)P(yáng)機(jī)直接將閘門(mén)吊至407 m 平臺(tái)空腔內(nèi)。 在空腔底部鋪設(shè)工字鋼及鋼板，搭設(shè)施工平臺(tái)，然后將閘門(mén)落至平臺(tái)上，并在主卷?yè)P(yáng)機(jī)左右側(cè) 4.65 m 處的 1 及 1′吊點(diǎn)各安裝1 臺(tái)5 t 小卷?yè)P(yáng)機(jī)， 在主卷?yè)P(yáng)機(jī)右側(cè)3.9 m 處的2 吊點(diǎn)安裝 50 t 倒鏈，主卷?yè)P(yáng)機(jī)吊鉤下方安裝一條鋼絲繩及一臺(tái)50 t 倒鏈，安裝完成后使閘門(mén)處于平衡狀態(tài)，見(jiàn)圖4。

倒鏈、卷?yè)P(yáng)機(jī)安裝完成后，相互配合將閘門(mén)吊起，吊起后利用兩臺(tái)50 t 倒鏈及兩臺(tái)5 t 小卷?yè)P(yáng)機(jī)相互配合進(jìn)行閘門(mén)轉(zhuǎn)體操作。 閘門(mén)轉(zhuǎn)體完成后， 利用主卷?yè)P(yáng)機(jī)及1 吊點(diǎn)小卷?yè)P(yáng)機(jī)、2 吊點(diǎn)處倒鏈相互配合將閘門(mén)放入檢修門(mén)空腔上游處。 轉(zhuǎn)體后示意圖見(jiàn)圖5。

圖4 多繩吊裝轉(zhuǎn)體方案閘門(mén)安裝完成示意圖

圖5 多繩吊裝轉(zhuǎn)體方案閘門(mén)轉(zhuǎn)體示意圖

2.兩種方案成本比較

采用多繩轉(zhuǎn)體施工方法進(jìn)行轉(zhuǎn)體投入的成本見(jiàn)表1。

本文采用的自平衡中心軸穿孔方案成本投入見(jiàn)表2。

表1 多繩轉(zhuǎn)體施工方法轉(zhuǎn)體投入成本

表2 閘門(mén)開(kāi)孔方法轉(zhuǎn)體投入成本

3.對(duì)比分析

①安全方面：經(jīng)受力分析，兩種方案皆可滿足施工受力要求；自平衡中心軸穿孔方案閘門(mén)翻轉(zhuǎn)過(guò)程中，施工人員可撤離，安全風(fēng)險(xiǎn)小。

②投資方面：多繩轉(zhuǎn)體施工方案鋼支撐系統(tǒng)投資額為16.5 萬(wàn)元，自平衡中心軸穿孔方案鋼支撐系統(tǒng)投資額為10.4 萬(wàn)元，投資成本減少6.1萬(wàn)元。

六、結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)過(guò)分析比較，前坪水庫(kù)泄洪洞檢修閘門(mén)采用自平衡中心軸穿孔方案進(jìn)行安裝。 自平衡中心軸穿孔方案安裝平板閘門(mén)施工法，適用于潛孔平板閘門(mén)安裝，在閘門(mén)安裝前不影響上部結(jié)構(gòu)施工的要求； 閘門(mén)翻轉(zhuǎn)過(guò)程中，施工人員可撤離，安全風(fēng)險(xiǎn)小；相對(duì)于鋼絲繩和倒鏈的施工方法使用人工少，節(jié)約成本，值得類(lèi)似工程應(yīng)用推廣。