进人闸门设计浅谈

2017-08-30邢怡芳郭富权

中国设备工程 2017年16期

关键词：支洞水封闸门

邢怡芳，郭富权

（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安 710065）

进人闸门设计浅谈

邢怡芳，郭富权

（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安 710065）

本文主要论述了某水电站的进人闸门运行要求和使用条件，对进人闸门结构及零部件设计的重点和难点进行了详细阐述，在满足闸门安全挡水的前提下，通过采取设计措施，可在无水状态下通过人力开启和关闭重达1.3t的闸门。

进人闸门；滚轮支承；无水启闭；人力操作；自润滑轴承；把手装置

1 概述

在水电站中进人闸门是较特殊的一种闸门，其一般布置在施工支洞与引水洞交汇处。由于引水洞一般较长且封闭，在需要检修时无有效的进入通道，近两年某电站采用在施工支洞尽头与引水隧道交汇处，设置一道进人闸门解决这个问题，进人闸门平时关闭不影响机组的正常供水，需要时打开进人闸门提供进入引水隧洞的通道。

2 总体布置

根据进人闸门的运行要求和实际条件，此类闸门一般需要满足以下条件：一是引水隧洞在与施工支洞的交汇处，水头都比较高，一般闸门挡水水头均在60m以上。因此需要对闸门进行刚度、强度和稳定性计算，确保闸门的结构满足安全要求；二是闸门在结构的要求下，自重都比较大，约在1．3t左右，施工支洞内无起吊设备，只能通过人力开启或关闭闸门；三是施工支洞和引水隧洞之间应无明显高差，以便于轻便型运载工具通过。

本文通过某电站的设计具体阐述，某电站在引水隧洞不同位置设置了6条施工支洞，在其中3条施工支洞设置进人闸门，进人闸门的孔口尺寸为1．2m（宽）×1．8m（高），在3处的水头分别为68m、70m和75m。为保证安全，3处闸门均按75m进行设计。总体布置如图1，由人站在施工支洞内向外推闸门，打开闸门。

图1

3 结构设计

3.1 闸门结构设计

3.1.1 结构设计

闸门结构设计采用平面假定和容许应力方法进行分析计算。按照《水电水利工程钢闸门设计规范》规范进行设计。

进人闸门由面板、主梁、纵梁、边梁、把手装置、转铰、底轮构成。闸门的面板、主梁、纵梁、边梁组合构成框架式钢结构，主要承担水压力，需按照规范要求对其进行强度、刚度及稳定性计算。

首先对闸门进行区隔计算，并对面板进行折算应力复算，最终选定该闸门面板采用16mm厚钢板；其次对闸门主梁按简支梁模型进行强度及刚度计算，确定采用类似工字钢30b的组合梁可满足要求，并对该结构的稳定性进行验算，结论满足要求。由计算结果分析得知，该闸门受强度因素控制。

3.1.2 转铰与铰座设计

转铰与闸门埋件上的铰座通过转轴连接，该部件为闸门与埋件上的连接部件，既起到闸门开启和关闭的定位作用，也在闸门被推动时，起到分担闸门自重的作用，其加工和安装精度将直接影响到进人闸门的使用功能。

考虑到转轴与支铰座长期在水中工作，为了减少开门或关门时的推力，在铰座内镶嵌自润滑滑动轴套，转轴采用40Cr材料。整体连接结构如图2所示。

图中件1为转轴，件2和件4为焊接在埋件上的支铰座，内为空腔安装有自润滑轴套，件3为焊接在闸门上的转铰。在一个闸门上装配2套此连接部件。当安装完毕后，闸门受重力作用向下运动，受到件4的约束，通过转轴固定，即可实现上述功能。

3.1.3 底轮设计

根据受力分析，闸门重量1．3t，如只采用支铰结构承担，整体受力状态成为悬臂结构，支铰处会受到很大的弯应力，局部挤压应力过大。为改善闸门的受力情况，在闸门底部安装1套简支轮装置，由简支轮装置承受部分重力，对于各构件受力状态会有极大改善。此简支轮的轮径由水工布置及现场情况确定，该轮径原则使轮径尽量小，以减少底坎的高度。本工程采用直径150mm的轮子，焊接在闸门的底主梁上。使闸门在开启和关闭时不会受到障碍物的阻碍。也满足底坎保证封水尺寸，也不影响小型运输机具通过此处。

3.1.4 把手装置设计

在闸门上安装把手装置的作用主要有两个。一是为闸门开启和关闭提供示力作用点。二是在闸门关闭时通过手柄与闸门埋件特定结构的配合，给予闸门水封一定的预压力，保证闸门在充水整体过程中的稳定性。把手装置由手柄、自润滑轴套、销轴、紧固螺母、锁定螺母、带孔销等组成，如图3。手柄与闸门埋件接触处做成楔形，以方便采用人力关闭楔紧闸门，并与闸门埋件下游侧留有间隙，满足在水压作用下，闸门自然向施工支洞方向退却时有活动余地。所留间隙大小，由闸门与主轨及水封与水封座板的配合尺寸确定。本工程闸门与埋件下游侧留10mm间隙，实践证明留有间隙是必要的。

图3

3.2 埋件结构设计

闸门埋件为浇筑在二期混凝土内的钢结构，作用一为将闸门上的水压力传递到水工建筑物上；其二是和闸门上的水封橡皮配合形成封闭结构，阻止水进入施工支洞；其三是与闸门上的手柄配合，关闭闸门并给予闸门水封橡皮一定预压，使闸门在引水隧洞刚充水时，不会因为水流的紊流状态造成闸门的不稳定。

闸门埋件主要有主轨、铰座、止水封板、滚轮底板等组成。

主轨是主要传力构件，对主轨应进行弯应力和剪力计算，其值不应大于相应的允许应力。其次对于支承主轨的二期混凝土进行压应力计算，根据计算得压应力值选择需要浇筑的二期混凝土标号。铰座根据受力分析对其紧接承压应力、紧接承拉应力、剪力分别进行计算，并给与一定安全富裕度，本工程的铰座安全系数为3，即允许应力与计算数值的比值为3 。滚轮底板按闸门简支轮实际运行轨迹进行布置，并在极限位置两端均多出150mm富裕距离。对于滚轮底板只需计算压应力，构件截面高140mm，并与一期混凝土预埋插筋牢固焊接，调平后浇筑二期混凝土，二期混凝土厚度200mm。保证构件在水流长时间冲刷下，不会被破坏。通过对闸门埋件各个部件的受力分析和计算，得出构件整体是安全可靠的结论。