顶升式与倒挂式液压启闭机组合启闭闸门的应用

2019-03-16，

四川水利 2019年1期

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(四川沃土项目投资管理有限公司，成都，610096)

1 概述

水利水电工程上将启闭闸门、拦污栅所采用的各种启闭设备统称为启闭机，根据布置形式，启闭机主要分为固定式和移动式两类，其中固定式启闭设备主要有卷扬式启闭机，螺杆式启闭机和液压启闭机。QPPY系列液压启闭机适用于平面闸门的启闭操作，主要分为顶升式、提升式和倒挂式。

顶升式液压启闭机油缸结构为双吊点柱塞顶升式单作用启闭机，油缸安装在闸墩内的预埋钢筒中，闸门在顶部两侧各设置外伸式吊耳，柱塞杆直接顶起吊耳带动闸门提升，自重闭门。倒挂式液压启闭机油缸结构采用活塞提升式单作用启闭机，油缸缸体穿入门体，活塞杆末端倒挂在闸坝上部的排架梁上，通过活塞杆收入油缸中来提升闸门，自重闭门。

2 组合启闭闸门方案的提出

旺苍县城区河道综合整治工程(一期)开发任务是完善旺苍县城区防洪排涝体系，改善城市水生态环境，促进经济社会持续健康发展。项目建设内容主要包括旺月闸和石龙闸，其中旺月闸采用露顶式平面定轮钢闸门，闸门尺寸14m×8.6m，闸室底板高程457.40m，正常蓄水位466.00m，百年一遇校核洪水位471.60m，闸门最大提升高度15m，正常蓄水位和校核洪水位变幅达5.6m；石龙闸同样采用平面定轮钢闸门，闸门尺寸14m×9.8m，闸室底板高程448.60m，正常蓄水位458.40m，百年一遇校核洪水位462.50m，闸门最大提升高度14.9m，正常蓄水位和校核洪水位变幅达4.1m。

由于两座闸坝均位于旺苍县城区，若采用常规的卷扬式启闭机、提升式或倒挂式液压启闭机，均需设置高排架，严重影响城市景观；若采用常规的顶升式液压启闭机，虽可取消排架，但需在闸门门叶两侧布置又高又大的吊耳，不仅增加风荷载，而且增加了顶升式液压启闭机的受力情况，同时柱塞杆工作行程基本上达到15m，需加大杆径、缸径，技术难度及设备费用显著增加；若采用带滑轮组的顶升式液压启闭机，虽可以减少液压启闭机行程，但由于闸门提升高度较高，已基本脱离门槽，无法抵抗风荷载，对闸门结构稳定和运行安全不利。

根据旺月闸和石龙闸的实际情况，结合顶升式液压启闭机和倒挂式液压启闭机的工作原理，提出了顶升式和倒挂式液压启闭机组合启闭闸门的新型启闭方式。目前，该新型的组合启闭方式已由发明人申请实用新型专利和发明专利。

3 组合启闭闸门方案工作原理及适用条件

3.1 工作原理

顶升式与倒挂式液压启闭机组合启闭闸门方案，同常规的顶升式液压启闭机方案和倒挂式液压启闭机方案在布置和工作原理上基本相同，所不同的是前者闸门两侧不再设置外伸式吊梁，闸坝上部也不设置固定排架梁，而是通过一根活动的操作横梁连接顶升式液压启闭机柱塞杆和倒挂式液压启闭机活塞杆，工作原理见图1所示。

图1 顶升式与倒挂式液压启闭机组合启闭闸门方案工作原理

闸门采用双吊点，门叶左右两侧主梁分别固定一支倒挂式液压启闭机，活塞杆头采用轴承与操作横梁铰接。闸墩左右分别埋设一支顶升式液压启闭机，柱塞杆头采用轴承与操作横梁铰接。启门时，先由顶升式启闭机顶推操作横梁带动闸门至油缸最大行程，再由倒挂式启闭机提升闸门至全开位置或检修位置；闭门时，先由顶升式启闭机下放操作横梁带动闸门至顶升油缸全缩状态，再由倒挂式启闭机将闸门下放至全关。

3.2 适用条件

根据顶升式与倒挂式液压启闭机组合启闭闸门方案的工作原理，考虑到机械加工能力有限，液压启闭机最大行程仅能达到20m左右。组合启闭闸门方案适用于闸门提升较高(≥10m)、正常蓄水位和校核洪水位变幅较大(≥3m)的城市水景观拦河坝的平面闸门。

4 组合启闭闸门设计要点

旺苍县城区河道综合整治工程(一期)旺月闸和石龙闸，闸门提升较高(15m和14.9m)，正常蓄水位和校核洪水位变幅较大(5.6m和4.1m)，率先采用了顶升式与倒挂式液压启闭机组合启闭闸门的启闭方式。本文以旺月闸为例，对组合启闭闸门的设计要点进行分析。

旺月闸顶升式液压启闭机容量为2×1000kN，工作行程9m，吊点间距16.7m；倒挂式液压启闭机容量为2×800kN，工作行程6m，吊点间距13.2m。

4.1 启闭机安装高程

启闭机的安装高程需综合考虑闸门开启高度、洪水、启闭机行程、景观效果等。安装高程既要避免过低，防止启闭机、行程检测控制装置经常受洪水侵袭，又不宜过高，防止超过闸顶影响美观。旺月闸启闭机安装高程以上柱塞杆和操作横梁总高度为1.96m，如安装高度选择在闸前校核洪水位471.60m以上40cm，横梁将超过闸顶，影响美观；且会增加倒挂式启闭机的工作行程，影响其在门体中的布置。考虑到百年一遇校核洪水不常遇到，且旺月闸启闭机安装高程更多的是受到下游校核洪水位471.08m的影响，故安装高程确定为471.50m，操作横梁低于坝面0.04m。

图2 旺月闸启闭机安装高程示意

4.2 油路布置

旺月闸闸门左右两侧均布置顶升式液压启闭机和倒挂式液压启闭机，为避免单独布置油管控制倒挂式液压启闭机而带来的油路布置问题。经设计人员分析研究，采用顶升式液压启闭机柱塞杆空腔过油，通过柱塞杆端头的液压油管，进入倒挂式启闭机活塞杆液压缸中，通过柱塞杆和活塞杆受力面积差，实现先顶推启闭机推动闸门，后倒挂启闭机提升闸门。倒挂液压缸无杆腔油流入布置于门叶上的副油箱中。

4.3 闸门同步控制

由于每道闸门布置4台液压启闭机，闸门启闭过程中液压系统依靠比例调速阀实现液压启闭机的同步，同时每台启闭机配1套恒张力钢丝绳行程检测装置，输出SSI信号，设极限位位置开关。在闸门启闭过程中，闸门开度及行程检测控制装置全程连续检测四台液压启闭机的行程偏差，当偏差值≥8mm时，电磁铁自动断电，调整液压缸进、出油量，使同步偏差值缩小至5mm以内，纠偏调节停止；当偏差达到15mm时报警，超过25mm时停机。

4.4 横梁温度应力

旺月闸操作横梁为金属结构，总长度17.5m，其中顶升式液压启闭机吊点间横梁长度16.7m，倒挂式液压启闭机吊点间横梁长度13.2m，需考虑温度变化带来的操作横梁纵向的结构变形和位移。如操作横梁两端与柱塞杆(活塞杆)完全固定，没有伸张的余地，高温环境下钢结构内部产生较大的温度应力不能释放，夜间温度降低导致的收缩又产生新的温度应力，有可能产生破坏使结构失效。本工程通过顶升式启闭机柱塞杆端头轴承和倒挂式启闭机活塞杆端头关节轴承，与操作横梁分别铰接，有效解决操作横梁温度应力带来的轻微变形产生的不利影响，确保了结构安全。