陸美文，唐 翔

（1.廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530023；2.廣西水利電力勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，南寧 530023）

1 工程概況

大藤峽水利樞紐的正常蓄水位為61.0 m，淹沒影響來賓市的武宣縣七星河。經(jīng)過對七星河進(jìn)行現(xiàn)場查勘及測量，河口處河谷高程與兩岸高程分別為36.0、66.0 m，河道呈現(xiàn)出蜿蜒曲折的形狀。七星河庫區(qū)在汛期來臨之際大藤峽水庫處于低水位運行狀態(tài)，消落帶隨之形成。從武宣縣城的地理位置來看，與七星河毗鄰而居，在夏季消落帶裸露，其后果是導(dǎo)致污泥淤積，垃圾成堆，會有大量的細(xì)菌和病毒衍生，由于污染而直接威脅到水環(huán)境的安全，導(dǎo)致城鄉(xiāng)居民生產(chǎn)生活環(huán)境惡化。為了解決此問題要采取的措施，可以將水位調(diào)節(jié)閘壩修建在七星河下游與黔江出口的位置，在閘壩上游61.0 m高程范圍內(nèi)形成人工湖，主要功能是保持七星河消落區(qū)水位，使七星河水位在汛期來臨時不會因大藤峽水庫水位的漲降而改變。另外，為了最大限度降低黔江水位變化對七星河兩岸的影響，要求調(diào)節(jié)壩具有防御外江50年一遇標(biāo)準(zhǔn)的防洪功能。

2 調(diào)節(jié)壩金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備布置方案比選

2.1 設(shè)計理念與原則

七星河水位調(diào)節(jié)壩正常蓄水位為61.0 m，設(shè)計洪水位（P=2%）61.17 m，校核洪水位（P=0.2%）61.27 m，相應(yīng)的水庫總庫容為2087萬m3，為中型水庫，Ⅲ等工程。水位調(diào)節(jié)壩主要建筑物按3 級建筑物設(shè)計，設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為500年一遇，消能防沖標(biāo)準(zhǔn)采用30年一遇。水位調(diào)節(jié)壩防御外江50 年一遇洪水對應(yīng)七星河河口水位為66.35 m。本次設(shè)計對兩條基本可行的壩軸線進(jìn)行定性分析比較：上壩線位于黔江匯合口上游約670 m 的河道直段處，下壩線位于黔江匯合口上游約100 m 的河道直段處。根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果，上壩線存在左壩肩單薄，左岸壩下游存在滑坡體等重大地質(zhì)問題，處理難度較大，且左岸還存在地形埡口，需修建副壩防漏；下壩線工程地質(zhì)問題相對較簡單，處理較容易。因此，設(shè)計推薦采用下壩線。選定的壩線處地形狹窄，兩岸坡陡峭，覆蓋層薄，風(fēng)化層相對較淺，由于壩址兩岸地形均無天然埡口，若修建土石壩，將導(dǎo)致溢洪道、抽水泵站等泄水建筑物需另行布置，不但工程量大，且無法滿足調(diào)節(jié)壩防御外江洪水的功能，也與城市景觀不協(xié)調(diào)。本工程所處區(qū)域石料豐富，地形、地質(zhì)條件也適宜修建混凝土重力壩，故設(shè)計推薦混凝土重力壩。

2.2 擬定比選方案

通過閘門孔口及孔數(shù)選擇分析，溢流堰堰頂高程54.0 m，設(shè)3孔，每孔凈寬12 m。溢流壩對于七星河水位起到雙向擋水和調(diào)節(jié)功能，以其功能需求為依據(jù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，對于溢流壩段及閘門型式制定出3個布置方案。

2.2.1 防洪工作閘門兼檢修閘門+弧形工作閘門方案（方案一）

一旦有50 年一遇洪水在大藤峽庫區(qū)（外江）發(fā)生，弧形閘門雖然具有擋水的功能但只能單向進(jìn)行，如果出現(xiàn)外江洪水倒灌七星河的意外則無法進(jìn)行防御，所以需要采取有效的措施解決此問題，可以采取在弧形閘門上游側(cè)增設(shè)一道平板閘門的做法，同時還要增設(shè)胸墻，底高程為61.5 m，對外江洪水具有較好的防御作用。本文對于溢壩段進(jìn)行了設(shè)計，總寬度為51.0 m，溢流壩段閘墩由于增設(shè)平板閘門和胸墻，需要增加到30.1 m，溢流堰堰體長度需增加至28.0 m。啟閉防洪工作閘門兼修閘門的操作比較復(fù)雜[1]，利用臺車式啟閉機(jī)自動抓梁，通過液壓這種方式來操縱弧形閘門的啟閉[2]。還要注意的是七星河水位調(diào)節(jié)壩所處的特殊位置（建于武宣縣城區(qū)之中），上游是七星湖風(fēng)景，顯然啟閉機(jī)排架不適合采用高聳模式，因此擬采用臺車式啟閉機(jī)，架設(shè)在風(fēng)雨橋橫梁上，軌底高程74.0 m，該啟閉機(jī)的蓋頂全部為風(fēng)雨橋屋頂，方案一彰顯出弧形閘門的功能，能夠較好地?fù)踝?nèi)江水，無須另設(shè)門槽，具有較好的流態(tài)，在操作時所采用的是液壓啟閉的方法，無須另設(shè)排架，具有操作安全簡單、管理方便的優(yōu)點。圖1為方案一溢流壩段下游立視圖。

圖1 方案一溢流壩段下游立視圖

2.2.2 平板閘門+卷揚機(jī)方案（方案二）

本方案所采用的是傳統(tǒng)方法，即安裝兩道平板閘門，檢修和工作兩道閘門分別位于上游處和下游處。胸墻建于工作閘門上游，底高程確定為61.5 m。檢修閘門3 孔，共用1 扇，鋼閘門采用的是滾動式，能夠做到雙向擋水，設(shè)置1門1機(jī)，操作控制則分別由1 臺固定卷揚式啟閉機(jī)來完成，本方案設(shè)了51.0 m 的溢流壩段總寬和22.4 m 的閘墩長度，溢流堰堰體長24.0 m。啟閉機(jī)設(shè)備安裝在于風(fēng)雨橋橫梁上，以77.5 m為梁頂高程，以風(fēng)雨橋屋頂作為啟閉機(jī)蓋頂。方案二的閘門結(jié)構(gòu)簡單，布置緊湊，檢修、操作方便，閘墩不需拉長，投資較省。圖2為方案二溢流壩段下游立視圖。

圖2 方案二溢流壩段下游立視圖

2.2.3 平板閘門+液壓啟閉機(jī)方案（方案三）

方案三與方案二相比較，兩者在布置上并無大的差異。以七星河閘壩雙向擋水和調(diào)節(jié)水位功能為依據(jù)，并與景觀要求相結(jié)合，同時考慮七星河閘壩下游在汛期會出現(xiàn)47.63 m 的最低水位，因此只設(shè)置上游檢修閘門，不設(shè)下游檢修閘門。工作閘門3 孔共設(shè)3 扇，采用滾動鋼閘門，能夠?qū)崿F(xiàn)雙向擋水，在頂升式液壓啟閉機(jī)的作用下啟閉。液壓啟閉機(jī)設(shè)備安裝在閘墩內(nèi)部，液壓設(shè)備工作房底高程、長、寬分別為63.4、8.4、3.0 m。鋼梯設(shè)置在閘墩頂部位置，可以直接通向設(shè)備工作房平臺，吊物孔設(shè)置于液壓設(shè)備工作房頂部，通過吊物孔來進(jìn)行液壓設(shè)備的轉(zhuǎn)動，將其運送到液壓設(shè)備工作房后進(jìn)行安裝，為了防止吊物孔被雨水侵蝕，需要安裝滑移蓋板予以保護(hù)。為增加景觀效果，在溢流壩壩頂上游側(cè)及非溢流壩壩頂布置人行風(fēng)雨橋。通過液壓啟閉機(jī)來完成對工作閘門的啟閉操作，不需要設(shè)立高排架裝備，控制和管理更加方便。圖3 為方案三溢流壩段下游立視圖，圖4 為頂升式液壓啟閉機(jī)建設(shè)成后效果圖。

圖3 方案三溢流壩段下游立視圖

圖4 頂升式液壓啟閉機(jī)建設(shè)成后效果圖

2.3 確定推薦方案

根據(jù)以上溢流壩段布置，3 個方案的混凝土工程量及投資對比見表1。

表1 3個方案混凝土工程量及投資對比表

由表1 可知，投資最大的是方案一，相比較而言，方案三雖然比方案二投資多149.7萬元，但方案二的工作閘門如果要拉到壩頂高程以上的平臺，則需進(jìn)行10 m多高排架的設(shè)置，會對景觀效果造成影響。如果將排架高度降低，則平時無法進(jìn)行工作閘門的一次出槽，需分節(jié)進(jìn)行操作，這會使操作難度增加[3]。方案三工作閘門采用的頂升液壓啟閉機(jī)啟閉，管理、操作非常方便，不需進(jìn)行高排架的設(shè)置，壩頂上下游具有通透的視野。且方案三在項目位置上具有優(yōu)勢，能滿足七星湖景觀要求，綜合考慮，閘門型式確定方案三。

4 方案三工作原理及技術(shù)特點

頂升式液壓啟閉機(jī)通過液壓系統(tǒng)可以實現(xiàn)開啟閘門、關(guān)閉閘門、油缸安裝檢修、閘門啟閉同步糾偏、閘門自動回復(fù)等工況。同時，液壓系統(tǒng)具有液壓泵工作異常、液壓系統(tǒng)工作壓力過高或過低、液濾油器堵滿、油箱液位過高或過低、油箱油溫過高、聲光報警等保護(hù)功能。

從頂升式液壓啟閉機(jī)的行程來看，與閘門起升的高度是相同的，關(guān)鍵在于解決活塞桿受壓穩(wěn)定性的問題[4]，行程、容量是液壓啟閉機(jī)的主要參數(shù)。從設(shè)備費用的情況來看，在正常情況行程所產(chǎn)生的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過容量，而且如果減小行程，則設(shè)備使用安全性會隨之提升。固定卷揚式啟閉機(jī)在滑輪的支持下進(jìn)行運轉(zhuǎn)，以此工作原理為依據(jù)，將滑輪組與頂升式液壓啟閉機(jī)結(jié)合使用成為一種新型啟閉設(shè)備，對滑輪組進(jìn)行設(shè)置之后，可以利用容量來換取行程[5]。頂升式液壓啟閉機(jī)如果是帶有滑輪組裝置的，則適用于水位變幅較大、起升高度較大（≥6 m）的平面閘門。為了把啟閉機(jī)安裝高程確定下來需要進(jìn)行相關(guān)的計算，這是以啟門高度為依據(jù)而完成的。在操作時要設(shè)在閘墩頂部或下沉到一定的深度，但要注意的是啟閉機(jī)不能長時間泡在水中，如果安裝在閘墩頂部位置，則可以更加方便的維護(hù)和檢修啟閉機(jī)，但要注意的是滑輪組的高度超過了壩頂，對壩面景觀的美觀性產(chǎn)生不利影響；如果在閘墩內(nèi)安裝雖然可以解決設(shè)備露出水面的問題，但是對于啟閉機(jī)的維護(hù)檢修難度較大[6]。在方案布置和工作原理上，帶滑輪組的頂升式液壓啟閉機(jī)與常規(guī)頂升式液壓啟閉機(jī)基本相同，差異在于前者比后者增設(shè)了滑輪組，容量轉(zhuǎn)換行程是通過改變滑輪組倍率來完成的，圖5為頂升式液壓啟閉機(jī)工作原理圖。

圖5 頂升式液壓啟閉機(jī)工作原理圖

5 方案設(shè)計

5.1 工作閘門設(shè)計

因閘門需出槽進(jìn)行檢修，因此，閘門止水應(yīng)選取合適型式與布置方式。本工程側(cè)止水采用L型水封，底止水采用常規(guī)I型水封，側(cè)止水改變在門槽內(nèi)布置，在孔口內(nèi)的門槽布置側(cè)面，考慮4.05 mm的預(yù)壓縮量，在底轉(zhuǎn)角處，側(cè)止水、底止水做好銜接處理，這樣可解決止水檢修問題。通常閘門與門槽間隙留有一定間隙，這樣有利于閘門運行順暢。當(dāng)使用頂升式液壓啟閉機(jī)的時候，這個縫隙不能太大，閘門與門槽的縫隙不應(yīng)該超過10 mm，本工程該縫隙應(yīng)該保留8.5 mm，在閘門完全打開的時候，要確保槽中應(yīng)該有最少4個滑塊或滾輪來支撐，以減少出槽后的自由度，增強(qiáng)了閘門和啟閉機(jī)的穩(wěn)定性。

5.2 液壓啟閉機(jī)設(shè)計

選用一個帶有滑輪組的頂升式液壓啟閉機(jī)，啟閉力2×500 kN，工作行程是3.75 m，安裝液壓啟閉機(jī)高度為9.02 m，動滑輪直徑為705 mm，鋼絲繩直徑為31.5 m，活塞桿全縮回時，平衡滑輪中心高度9.42 m，直徑為425 mm，動滑輪中心高程為10.5 m。

5.3 各滑輪設(shè)計

滑輪組由平衡滑輪、動滑輪、鋼絲繩共同組成，可以將其視為雙聯(lián)二倍率滑輪組，每套設(shè)備需要把兩片動滑輪安裝在單側(cè)位置，在活塞桿頭部位置設(shè)置吊軸，平衡滑輪的數(shù)量為3片，設(shè)置于閘墩和閘門頂主梁位置上，數(shù)量分別為1、2片。

5.4 鋼絲繩設(shè)計

鋼絲繩繞繩采取以下方式：在閘墩上，平衡滑輪由兩根繩索上到動滑輪，它們分別垂直下繩，并通過門上平衡滑輪至對側(cè)平衡滑輪，再上到閘墩上的平衡滑輪、對側(cè)動滑輪。圖6是鋼絲繩繞示意圖。鋼絲繩進(jìn)出滑輪偏斜角不應(yīng)超過5°度，應(yīng)盡量減少偏斜角。采用二倍率滑輪裝置后，液壓啟閉機(jī)容量提升一倍，但其行程卻減少了一半。在門的兩邊有兩條鋼絲繩起吊，使閘門運轉(zhuǎn)順暢，并且可以對閘門的同步性進(jìn)行自動調(diào)整。

圖6 鋼絲繩繞示意圖

本工程采用纏繞鋼絲繩的方式，利用滑輪組頂升式液壓啟閉機(jī)來實現(xiàn)對閘門的啟閉，其中，鋼絲繩是其主要承重部件，利用整根纏繞，可以實現(xiàn)對閘門平衡的自動調(diào)整。鋼絲繩的直徑為31.5 mm，出入滑輪最大偏斜角2.92°。為了對由于長期運行而導(dǎo)致的鋼絲繩長度方向松弛進(jìn)行調(diào)整，在閘門上鋼絲繩的中央設(shè)置了一個調(diào)節(jié)法蘭，這樣就可以對鋼絲繩的長度進(jìn)行調(diào)整。

6 方案的實施與調(diào)試

啟閉機(jī)安裝高程與閘門開啟高度、水位有關(guān)。要盡量避免在閘門全開時動滑輪、門頂平衡滑輪的碰撞，保證安裝高程不會小于檢查水位，將其設(shè)置在壩下，液壓啟閉機(jī)在閘門全關(guān)擋水時不突出壩面，受閘門開啟高度限制，本工程啟閉機(jī)安裝高程低于壩下0.42 m。帶滑輪組頂升式液壓啟閉機(jī)因布置需要，對閘墩厚度有一定要求，分別考慮布置兩套油缸和平衡滑輪后所需閘墩厚度。液壓啟閉機(jī)機(jī)架的橫向中心與實際測得的起吊中心線的距離不應(yīng)超過±2 mm；高程偏差不應(yīng)超過±5 mm；支撐面的高差不超過±0.5 mm；機(jī)架梁和推力支座的組合的縫隙不應(yīng)大于0.05 mm，其局部不大于0.1 mm，深度不超過組合寬度的1/3，累計長度不超過周長的20%，推力支座頂面水平偏差不應(yīng)大于0.2%。吊裝油缸時應(yīng)根據(jù)油缸長度和重量決定調(diào)裝點和吊裝點數(shù)，以防止變形?；钊麠U與閘門吊耳連接時，當(dāng)閘門下放到底坎位置在活塞與油缸下端蓋之間應(yīng)留有50 mm左右的間隙，確保閘門嚴(yán)密關(guān)閉。油泵在第一次啟動時，應(yīng)將油泵溢流閥全部打開，連續(xù)運轉(zhuǎn)30～40 min，油泵不應(yīng)有異常現(xiàn)象。在無水操作試驗時，應(yīng)先手動操作升降閥門一次，以檢驗緩沖裝置減速情況和閥門有無卡阻現(xiàn)象。調(diào)整主令控制器凸輪片，使主令控制的電氣節(jié)點接通，斷開時，閘門所處的位置應(yīng)符合圖紙要求，但門上充水閥的實際開度應(yīng)調(diào)至小于設(shè)計開度30 mm以上，調(diào)整高度指示器，使其指針正確指出閘門所處位置。第一次快速關(guān)閉閥門時，應(yīng)在操作電磁閥的同時，做好手動關(guān)閉閥的準(zhǔn)備，防止閘門過速下降。將閘門提起，在48 h 內(nèi)，閘門因活塞油封和管路系統(tǒng)的漏油而產(chǎn)生的沉降量不應(yīng)大于200 mm。在閘門啟閉過程中，閘門開度及行程檢測控制裝置全程連續(xù)檢測液壓啟閉機(jī)行程偏差，當(dāng)偏差值≥8.5 mm時，電磁鐵自動斷電，并對液壓缸進(jìn)油量、出油量進(jìn)行調(diào)整，使同步偏差值縮小至4.5 mm內(nèi)，停止糾偏調(diào)節(jié)；在偏差達(dá)到14.5 mm 時報警，超過24.5 mm 時則停機(jī)。圖7為液壓啟閉機(jī)安裝流程圖。

圖7 液壓啟閉機(jī)安裝流程圖

7 實施效果

七星河水位調(diào)節(jié)壩壩頂結(jié)構(gòu)和閘門型式采用平板閘門+液壓啟閉機(jī)方案。工程建成后，運行效果良好。啟閉機(jī)啟閉過程中油缸同步性能良好，偏差控制在設(shè)計允許值10 mm以內(nèi)，當(dāng)啟門梁抬升至檢修平臺以上無側(cè)向支撐時運行仍十分平穩(wěn)，達(dá)到了預(yù)期的效果。頂升式液壓啟閉機(jī)水位調(diào)節(jié)壩具有管理方便、精確度高、維修成本低、使用壽命長、止水與景觀效果好等優(yōu)點。該啟閉機(jī)質(zhì)量穩(wěn)定，安裝方便，運行過程中無任何淤積物，可大幅減少清淤費用。