参窝水库坝上门机设计方案及优化

高玉桓，王远迪，聂正茂

（1.辽宁省参窝水库管理局，辽宁 辽阳 111000；2.辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁 沈阳 110003）

参窝水库位于辽宁省辽阳市东约40 km的太子河干流上，是太子河上骨干水利枢纽工程之一，是一座以防洪、灌溉、工业供水为主并结合发电等综合利用的大（Ⅱ）型水利枢纽工程。工程始建于1960年，由于当年遭遇特大洪水而被停工，1970年续建，1974年竣工，1985年进行加固工程施工，1992年竣工。但由于资金等因素的限制，金属结构存在问题没有彻底解决。1999年底针对于大坝遗留的工程隐患所进行的除险加固工程开工。

1 金属结构存在问题

1）由于上游观音阁水库的修建，使水库调洪运用条件发生变化。参窝水库的防洪限制水位由原77.80 m抬高到86.20 m，增大了水库蓄到正常高水位96.60 m的机率，使溢流坝弧形工作闸门常年处于挡水状态，无开启检修的时间。因此需在溢流坝弧形工作闸门前增设检修闸门。

2）底孔事故检修闸门用坝上高低轨门机启闭，下部用拉杆与闸门连接，拉杆共7节，每节重量为1.5 t，装卸拉杆非常困难和危险，如果用于事故闸门，闸门操作时间过长。由于坝上1 000 kN高低轨门机制造质量严重不合格，虽在1986年进行修复，但在运行时仍有啃轨现象。

3）底孔工作闸门采用2 000 kN固定卷扬式启闭机启闭，启闭机安装在坝顶，高程103.50 m，扬程14 m。工作闸门与启闭机吊具之间用5节拉杆连接。在坝体内设工作闸门检修室，底高程92.50 m，而水库的正常高水位为96.60 m，且闸门利用水柱下降为后封水形式，这样检修室常有被水淹的可能。启闭机的动滑轮及部分钢丝绳长期工作在水中，可能造成动滑轮组锈蚀而使启门力增大，同时钢丝绳锈蚀严重，启闭安全受到危胁。由于闸门在坝体内进行维护，闸门检修条件恶劣。在进行闸门防腐时，由于操作空间狭小，通风不良，照明不足，检修室内能见度低，空气中粉尘含量大，锌蒸气浓度高，毒害性大，严重危胁工人的人身安全。同时由于进行闸门防腐时对空气相对湿度的要求较为严格而检修室内湿度较大，严重影响闸门防腐的效果。

4）底孔工作闸门启闭机启门力不足。闸门孔口尺寸为3.5 m×8 m(宽×高)，于1972年制造并投入运行，其原设计条件为：底孔主要为泄前期洪水，故操作水位最高为84.8 m，然后全开泄洪；检修时最高挡水位为96.6 m。观音阁水库建成后，由于采用两库联合调度运用，因而闸门的操作水位及最高挡水位可达99.7 m。

水库初建时底孔工作闸门滚轮轴套选取胶木轴套，摩擦系数f=0.2。根据当时水库洪水调节运用方式，水位在77.8～84.8 m时6个底孔工作闸门全部开启，这时启门力不足160 t。闸门在检修时即在正常高96.6 m水位开启，计算启门力为212.4 t。因为闸门检修不受时间限制，启闭机可允许超载10%，因此选用200 t启闭机。如果此时启闭机不能开启闸门，可用潜水泵降低门前水位后再启门。

在1986年参窝水库进行第一次加固时，将底孔工作闸门滚轮轴套材料改换成GS-1，摩擦系数f=0.16，在正常高96.6 m水位进行启门力复核，启门力为199.7 t，此值还末考虑闸门门前泥沙淤积情况。闸门计算启门力已达启闭机的额定容量，而目前的水库洪水调节运用方式中库水位在96.6～99.7 m时还有一孔闸门需要开启，此时闸门的启门力为216 t，超过启闭机的额定容量的8%。

虽然太子河为非多泥沙河流，但参窝水库无排沙设施，底孔工作闸门的底坎高程为60 m，且水库的主要作用为防洪及工农业用水，底孔工作闸门有可能多年不开启，这样闸门门前必然有泥沙淤积，引起闸门启门力增大。启闭机超载太大将产生打不开闸门等运行事故。

5）溢流坝弧形工作闸门漏水严重，其侧水封更换问题依然存在。原设计中距闸门底缘3.5 m长内侧水封提不到检修台之上，无法更换。1986年水库加固时采取在闸门边梁上开孔的方法，但操作上极困难，有些部位无法实现。

2 门机方案的设计

初步设计中针对水库金属结构存在的问题，首先在溢流坝弧形工作闸门上游设置平面滑动检修闸门。门槽下游边距弧形闸门胸墙0.5 m，闸门底坎设置在83.783 m高程，闸门设计水头13 m，孔口尺寸为12.0 m×13.2 m。闸门为叠梁式，叠梁为4节。利用坝上启闭设备配脱挂自如式抓梁启闭，动水开启上节闸门，设置1扇闸门。为便于坝上交通，在坝顶检修闸门闸孔上部设置盖板。在非检修期检修闸门的每节叠梁及抓梁分别锁定于检修闸门孔口上方。

底孔工作闸门共6孔，主要泄前期洪水，全开全关，不调节流量，不需要同时开启两孔闸门。同时由于观参两库联合调度，参窝水库参与泄洪工作的底孔工作闸门和溢流坝弧形工作闸门的泄洪能力有余，在时间上要求较为宽松，为用门机启闭底孔工作闸门提供了较为有利的条件。

坝上门机为24 m轨距，主起升容量为2×1 250 kN，轨上扬程10 m，轨下扬程35 m，双向门机。门机的工作范围包括溢流坝检修闸门、底孔事故检修闸门、底孔工作闸门及溢流坝弧形工作闸门的二次启升，利用门机2×1 250 kN主起升配2×400 kN脱挂自如式抓梁启闭溢流坝检修闸门，用门机主起升配2×1 250 kN液压穿销式抓梁启闭底孔事故检修闸门和底孔工作闸门。为便于检修和更换溢流坝弧形工作闸门的底部侧水封，用门机主起升配专用吊具二次启升溢流坝弧形工作闸门。二次启升时主起升斜拉，斜拉角度在-5°～+5°范围内变化。

底孔工作闸门的上部增加拉杆，将最上一节拉杆锁定在102 m高程以上。在底孔工作闸门需启闭时，用门机的主起升在人可视情况下人为或自动操作与拉杆连接，使闸门开启。闸门的启升高度仅高出孔口1 m左右，扬程为9 m左右。锁定拉杆，将启吊出的拉杆放倒（不装卸拉杆），门机与拉杆脱离。门机的主起升启升速度为1.0～1.4 m/min，行走速度为10～15 m/m in，这样用门机启闭1扇底孔工作闸门的时间仅需30~40 min，可以满足水库底孔工作闸门泄洪要求。增加拉杆后，在人的可视状况下用门机操作底孔工作闸门，从根本上避免了抓梁在水下与闸门连接的不可靠性。这样原底孔工作闸门2 000 kN固定卷扬式启闭机和原坝上1 000 kN高低轨门机拆除。为确保液压抓梁与底孔工作闸门拉杆连接的可靠性，除设有液压穿销装置外，还设有手摇穿插销装置。在液压穿销装置失灵的情况下可使用手摇穿插销装置与底孔工作闸门拉杆连接。

图1 16 m轨距2×1 250 kN坝上双向门机方案

24 m轨距的2×1 250 kN双向门机工作范围大，包括了溢流坝段内所有金属结构设备。不仅能操作溢流坝检修闸门和底孔事故检修闸门，还可以启闭底孔工作门，彻底解决了底孔工作闸门存在的所有问题，并且可以用门机二次启升弧形工作闸门解决侧水封更换问题以及弧形工作闸门启闭机的检修。底孔事故检修闸门由于采用了抓梁启闭，取消了拉杆，缩短了闸门启闭时间，满足了运行事故检修的要求。坝顶空间增大，改善了闸门的维护条件，降低了工人的劳动强度，改善了工作环境。门机需在汛前应进行彻底检修维护，在汛期内应每隔一定时间进行一次试运行，以确保门机各机构在需要其工作时可靠运行；备用电源汛前维护以保证门机汛期的供电。

3 门机方案的优化

24 m轨距的2×1 250 kN双向门机自重近390 t，其轨道混凝土梁高度近2 400 mm，施工难度较大。在技施设计中针对缩小门机轨距，笔者进行了多个方案的比较，最终选定将双向门机的轨距缩小到16 m，门机的主起升小车在门机上下游轨道内运行工作，在门机的上游侧外设置一副卷扬机构，利用门机副起升启闭溢流坝检修闸门。

副卷扬机构悬臂于上游侧轨道4.936 m，为减小其工作时门机的倾覆力矩，溢流坝检修闸门分为6节，每节叠梁闸门高2.2 m。并且为降低溢流坝检修闸门的启门力，闸门主支承滑道采用NL150这一较低摩擦系数的非金属材料，使门机副卷扬容量控制在2×160 kN。门机副卷扬的轨上扬程为10 m，轨下扬程为20 m。方案如图1所示。

经过优化后的门机方案的工程总价与原方案工程总造价相比，减少近200余万元。节省了大量的工程建设资金，取得了较好的经济效益和社会效益。

4 门机设计特点简介

16 m轨距的2×1 250 kN双向门机最大外形尺寸为高21.45 m，长24.2 m，宽12.5 m。门机机架材质根据当地最低气温-36.5℃选择Q 345B。门机的大车走行机构通过均衡梁铰接在下横梁端部，采用8个车轮组共16个车轮，其中4个驱动车轮组，每个驱动轮组由一套QSC25-114三合一减速机驱动，运行速度为13.6 m/m in，最大轮压420 kN，车轮直径φ700 mm，车轮的材质为ZG35CrMnSi，经过热处理车轮踏面和轮缘内侧硬度为HB380-450，具有很高的抗疲劳能力和使用寿命。大车走行机构装有行程式开关和缓冲器。小车走行机构4个车轮组共8个车轮，驱动车轮组采用其中2个车轮组。电动机型号YZR 132M 2-6，减速器采用硬齿面减速器JZSYD315-355。小车运行速度4.82 m/m in，小车上设有电动插销装置，通过行程开关报警自动锁紧小车，以克服斜拉对小车产生的水平力。门机主起升机构为双吊点，吊点距2.2 m。由于吊点距小，采用一个卷筒，即将2个双联卷筒制作为一体，去掉同步轴，采用两端分别驱动，这样主起升双吊点同步性更好，结构紧凑，重量轻，从而减少整机重量。滑轮倍率为4，由于扬程为45 m，卷筒采用折线式双层缠绕，钢丝绳与卷筒垂直平面的最大偏角1.8°。卷筒直径1.6 m，长度4.4 m，采用Q 345B焊接卷筒。钢丝绳采用6W(19)-40-1700-乙镀-右交。电动机型号YZR 250M 1-8，减速器采用硬齿面减速器JZSYD355-140。平衡轮采用双铰接法，可满足主起升斜拉要求。主起升机构采用电子与机械复合式负荷控制器，当荷重达到1倍额定容量时报警，当荷重达到1.1倍额定容量时断电。在主起升机构中，还设有数码显示闸门开度仪，在司机室中可以监控闸门的开度及启闭力。门机采用电液夹轨器，并设有电气联锁开关。门机供电采用铝合金外壳单管4极的结构型式的安全滑触线，滑触线型号为DHGJ-4-70/210-W。

参窝水库坝上门机方案的最终实施，解决了水库建成近30年来一直困扰水库运行中金属结构存在的问题，改善了水库的环境面貌，减轻了工人在闸门维护中的劳动强度，提高了安全性。