钦寸水库溢洪道弧形工作闸门设计

2017-04-24刘国瑞

综合智慧能源 2017年3期

关键词：支臂启闭机溢洪道

刘国瑞

(浙江省水利水电勘测设计院，杭州 310002)

钦寸水库溢洪道弧形工作闸门设计

刘国瑞

(浙江省水利水电勘测设计院，杭州 310002)

根据钦寸水库的结构特点及功能定位，选用表孔弧形钢闸门。介绍了表孔弧形闸门的结构布置特点及设计要点。采用常用的双斜支臂式结构，设计时上框架略抬高，不仅能使上、下框架荷载均匀，而且可以提高闸门刚度。门叶结构根据需要采用强度较大的钢材，支臂采用强度相对较小的钢材。侧止水采用角型橡皮止水，避免因漏水而引起闸门振动。支铰设计时应合理布置铰链、铰座的肋板，避免弧门开启过程中发生干涉。闭式启闭机能保证良好的润滑和较好的啮合精度，传动效率高，后期日常维护工作量小。

水库；表孔弧形闸门；支铰；闭式启闭机；设计

1 钦寸水库概况

钦寸水库工程位于浙江省绍兴市新昌县境内，是浙东引水与水资源配置及曹娥江防洪治理的重要工程[1]。钦寸水库工程是一座以供水、防洪为主，兼顾灌溉和发电等综合利用的水利工程，坝址以上集水面积为316 km2，总库容为2.44亿m3，电站总装机容量为2.75 MW，为Ⅱ等工程，工程规模属大(2)型水库，电站为小(2)型电站。工程枢纽主要由大坝、溢洪道、放空洞、发电引水建筑物、发电厂和升压站等建筑物组成。

2 门型选择及总体布置

钦寸水库采用岸坡式溢洪道，共布置5孔，每孔净宽为10.0 m，堰顶高程为92.0 m，台汛期限制水位为96.0 m，水库正常蓄水位为98.0 m，设计洪水位(P=0.5%)为102.88 m，校核洪水位(P=0.02%)为105.10 m。要求在防洪高水位(P=2.0%)102.86 m以下开启泄洪闸并控制泄量不超过400 m3/s，超过50年一遇洪水位时，逐步开启全部5孔泄洪闸泄洪，保证水库安全。

泄洪闸工作闸门的设置位置，以溢洪道顶略偏下游处为宜，如此可压低水舌，避免坝面产生负压，并可改善闸门的底缘流态[2]。该闸门底坎高程定为91.90 m，按防洪高水位102.86 m设计，考虑超高后门高取11.50 m，操作方式为动水启闭且需要局部开启。由于弧形闸门不需门槽，具有水道连续、过流平顺、水力条件及水流流态良好、启闭力小、局部开启特性好等特点，因此工作闸门选用表孔弧形钢闸门，弧门尺寸为10.0 m×11.5 m-11.5 m，孔口尺寸较大，属于大型闸门。该闸门支铰布置在100.0 m高程，位于泄流水面线之上约1.5 m，以避免过流时支铰遭受水流及漂浮物的冲击，支铰布置高度与门高的比值为0.7，在规范推荐范围之内[3]。闸门及启闭机布置如图1所示。

图1 闸门及启闭机布置

3 门体结构设计

该闸门为双主横梁结构，主横梁采用2根实腹式焊接结构梁。采用表孔弧形闸门中最常用的双斜支臂式结构，此种结构主梁两端为悬臂，减小了主梁跨中弯矩，从而减小了主梁及竖向联结系的截面高度，节约了钢材，减小了闸门质量。主梁通常按等荷载原则来布置，即上、下主梁对称布置于静水压力合力作用线。但考虑到启门过程中上框架所受荷载增加，下框架所受荷载减小，闸门主梁布置时上框架略抬高，这样不仅能使上、下框架荷载均匀，而且可以适当缩短门叶上悬臂，从而提高了闸门刚度。支臂与主横梁用螺栓连接并设有抗剪板，抗剪板应在斜支臂与门叶结构通过螺栓连接后再进行焊接，采用三面连续角焊缝，焊后应保证抗剪板的非焊接面与支臂端板紧密接触，使斜支臂与主横梁间为刚性连接。门叶结构采用Q345B钢，在保证梁系强度的前提下减小梁系截面、节约钢材，支臂采用Q235B钢，以适当增大截面、提高支臂刚度，主横梁与支臂的单位刚度比为6.05。弧门面板外缘曲率半径取14 m，与闸门高度的比值为1.22，在规范推荐的较优取值范围内。为满足制造、运输及安装要求，门叶分4节制造，运至现场后焊接成整体。出厂前应进行整体预组装，合格后应在组装处打上明显的标记并编号[4]。

4 止水设计

止水的有效密封是防止闸门振动、避免闸门及埋件空蚀及磨损的关键。该闸门侧止水采用钝角型橡皮止水，即使门叶存在一定的侧向偏差，侧止水的封水面仍可紧贴止水座板，从而达到良好的止水效果，避免因漏水而引起闸门振动。侧止水的材料采用聚四氟乙烯橡塑复合型橡皮，减少了止水与座板间的摩阻力并提高了止水的耐磨性。底止水采用条形橡皮，可以达到较好的封水效果。由于溢流坝表孔弧门底槛踏面为倾斜布置，闸门全关时面板难免会与底槛踏面接触，因此面板底部加工成斜面，以避免底部棱角对底槛踏面造成局部挤压，并可保证闸门底缘水流平顺、底止水均匀压紧[5]。

5 支铰形式设计

支铰承受着施加在门体上的全部水压力、启闭过程中的部分启闭力以及门体重力, 支铰将所承受荷载传递到闸墩并保证闸门能绕水平轴转动，是弧形闸门的重要部件。由于该闸门斜支臂角度较小，支铰所受侧推力较小,因此采用结构简单、自身质量较小、制造安装方便的圆柱铰形式。铰座的布置方向可以与闸门静水压力合力有一微小夹角，但与支臂的中心线必须位于同一直线上。支铰设计时，铰链、铰座的肋板布置应合理，避免弧门开启过程中两者的肋板发生干涉。如铰链设计时，应特别注意与铰轴平行肋板的尺寸，因为如果此方向的肋板尺寸设置不当，弧门开启过程中会被铰座支承板卡死，从而导致支臂失稳，国内出现的此类事故不乏实例。铰链、铰座材料均采用ZG310-570，铰轴材料采用40 Cr，轴套选用高承载、低摩阻的自润滑材料。铰链与支臂的端板用M42螺栓连接，铰座与牛腿之间用M42双头螺柱连接，双头螺柱的长度贯穿整个牛腿。弧门牛腿处设有专门的检修平台。

6 启闭机选型设计

该闸门的启闭机选用QXQ-2×375kN-16 m全封闭式弧形门卷扬启闭机，启闭平台设在115.0 m高程。传统开式传动启闭机齿轮完全外露且外形尺寸大，易落入灰砂和杂物，不能保证良好的润滑，轮齿易磨损，传动效率较低，后期维护工作量较大；而闭式启闭机的减速传动部分采用全封闭式(无开式齿轮)传动，齿轮和轴承完全封闭在箱体内，能保证良好的润滑效果和较好的啮合精度，传动效率高，后期维护工作量小，机体外形尺寸也大为减小。

起升机构采用单电机集中驱动，电动机布置于启闭机中部，通过带制动轮的联轴器与高级减速器实现刚性轴同步。减速器选用两级减速方式，高速级减速器位于启闭机中部，分别通过齿轮联轴器及中间轴同时带动两个低速减速器，低速减速器分别与左、右卷筒直接相连。制动器采用带有手动释放装置的电力液压块式制动器，并配备液控应急操作器，制动器在液控应急操作器工作时可实现手动松闸，液控应急操作器和制动器对称布置于高级减速器的两侧。液控应急操作器是在启闭机电机失效的情况下，用于紧急闭门的应急设备，启闭机电机正常工作时，该操作器的手动离合器打开，不影响启闭机的正常工作，需要应急操作时，手动离合器闭合即可。