白鹤滩水电站泄洪洞进口弧形闸门安装关键技术

王孝海，罗 刚，黄纪村，赵贺来，王 博

(1.中国三峡建设管理有限公司，北京 100038；2.中国电建集团北京勘测设计院有限公司，北京 100024；3.华北水利水电大学水利学院，河南 郑州 450046)

1 项目概述

1.1 工程概况

白鹤滩水电站左岸共设3孔泄洪洞，工作闸门孔口尺寸为15 m×9.5 m，底槛高程770.00 m，设计水头58.00 m，总水压力为122 300 kN，因闸门宽高比较大，为保证闸门封水的可靠性，在每孔泄洪洞进口设置1扇横向三支臂结构弧形工作闸门用于挡水、泄洪。单项弧门质量720 t，是目前国内最大的横向三支臂潜孔式弧形闸门。

工作闸门曲率半径均为19 m，支铰安装高程为786.31 m，支铰型式为圆柱铰，采用自润滑球面滑动轴承，常规预压式水封，顶止水下部设置一道转铰止水。闸门操作形式为动水启闭，为防止过流时的高速水流对流道的破坏，工作闸门门槽前采用钢衬保护。闸门选用液压启闭机操作，启闭机安装高程设在806.00 m高程，启闭容量为2×5 000 kN，行程15.5 m。

1.2 工程特点

泄洪洞工作闸门属于超大型潜孔式弧型闸门，采用的三支臂结构形式在国内大型工程中首次应用，为保证闸门的安装精度，测量控制是弧型闸门安装的重点；工作闸门的外形尺寸大、质量大，为保证各部件安全顺利安装就位，水平和垂直运输手段的选择是弧型闸门安装的重点；工作闸门具备安装条件时，闸室顶部结构已封顶，闸门安装空间狭小，安装顺序的确定是闸门安装的重点。

2 弧形工作闸门安装关键技术

2.1 支承大梁安装

支撑大梁安装前，需先进行支铰中心点的测设，作为其安装的基准点。在闸室两侧墙对应的支铰中心的位置安装两块150 mm×150 mm钢板，用膨胀螺栓锚固，采用精度为1″的高精度全站仪将支铰中心点位置分别投射到钢板上，然后在两点之间绷钢丝线作为支撑大梁的检查基准线。

在闸底板完成支承大梁的整体组拼后，采用300 t汽车吊将大梁呈纵向水平起吊，当起吊至高程超过785 m后，在水平方向旋转90°，转向后横跨放置于滑行轨道上。大梁下部搭设满堂十字盘脚手架作为施工操作平台，利用布置在支撑大梁安装位置的辅助吊点，将支承大梁拖动滑移到安装位置下方，采用50 t千斤顶和手拉葫芦将大梁调整至设计安装位置，大梁3个铰座贴合面的平面度偏差应不大于1 mm，调整、验收合格后，采用连接锚筋进行插筋与大梁的焊接固定[1]。将铰座螺栓安装于大梁上，然后浇筑二期混凝土，在支铰座两侧位置分别预埋10号工字钢作为支铰安装的施工平台基础，在对应铰座位置正下方左、右对称预埋2根10号工字钢，外露80 cm，作为铰座对位时调整基础。

2.2 门叶组拼及吊装

(1)台车轨道铺设。在进水塔前对称浇筑两条13 m×0.8 m的混凝土支墩作为弧型闸门台车轨道基础，轨道从塔前混凝土支墩铺设至工作门闸室，总长度为58 m，相邻中心间距为7 m，轨道下面先铺两层1 m宽石棉布，再铺厚10 mm、宽60 cm的钢板，然后轨道铺设于钢板之上，用压板固定，压板与钢板采用定位焊加固牢靠，轨道每间隔8 m采用10号槽钢横向连接加固。

(2)弧门台车组装。弧门台车为自行式组装台车，部件分为行走机构、台车支撑、底梁、胎架、横向连接杆等[2]。台车结构强度按承载整扇门叶重量设计，底梁上焊接弧门卧拼胎架，曲率半径与门叶面板曲率半径一致(R=19 000 mm)，其偏差需控制在<2 mm，胎架为双腹板箱型梁结构，腹板之间设隔板补强，台车底梁分两节制作，采用螺栓连接固定。

(3)门叶卧拼与焊接。采用300 t汽车吊将单节门叶依次吊装至台车胎架上，吊装顺序为中间往两侧对称依次吊装。组焊时注意控制好门叶的曲率半径和焊接变形，组焊完成后通过台车运输至工作门闸室进行安整体吊装。

(4)整体吊装。门叶利用布置于806 m启闭机室油缸孔处的2台200 t液压提升器和布置于792.5 m的2台200t液压提升器配合起吊，提升过程中随着门叶重心的转移，台车配合向前行驶，当提升至垂直状态并脱离胎架时，卸除下游侧吊点并退出台车，门叶最终垂直提升于工作闸室上方高程783.8 m，并利用液压提升油缸机械夹片锁死固定，以便于为支臂安装让出吊装空间。

2.3 支铰及下支臂组合件安装

支臂安装前在闸室下游左侧墙处安放承插型施工安全爬梯作为闸室底部至785 m平台的上、下安全通道。支铰、下支臂及裤衩在支臂安装位置下方完成组拼，并采用792.5 m高程的200 t液压提升设备和800 m高程的100 t液压提升设备联合提升就位。提升到合适位置后，采用液压提升设备与手拉葫芦配合调整组合件高程，并在底部两侧用千斤顶调整铰座平衡，实现组件与支承大梁上的预埋螺栓对位连接，然后从中心往两端依次对称完成螺栓的初拧和终拧。在支臂下端采用临时支架固定，支架刚性连接于底槛钢衬上，支铰、下支臂组合件安装的顺序为先两侧、后中间[3]。

2.4 弧门上支臂安装

上支臂采用120 t汽车吊设备吊装至下支臂上，底部由临时托架固定。然后利用800 m高程的120 t液压提升器，吊耳处连接两段手拉葫芦缆绳，将上支臂提升超过裤衩高度后固定，为门叶就位提供空间；利用806 m高程的200 t液压提升器将门叶缓慢下落至临近闸底板，在底部利用下游地锚，采用手拉葫芦方式将门叶牵引至闭门状态；上支臂在800 m高程的120 t液压提升器作用下缓缓下落，上下游水平方向通过上游侧782.9 m平台处的葫芦，以及吊装缆绳的手拉葫芦来实现位置角度的调整；当其下落、调整至合适位置后，与裤衩对位，穿连接螺栓完成上支臂与裤衩的连接安装，上支臂安装顺序为先两侧、后中间[4]。上支臂提升及调整就位示意图如图1所示。

图1 上支臂提升及调整就位示意

2.5 门叶与支臂连接

上支臂与裤衩连接后，利用806 m高程的200 t提升油缸、800 m高程的100 t提升油缸及门叶底部牵引相互配合，进行门叶与支臂的连接微调及螺栓连接。先进行两侧支臂与门叶连接，螺栓孔定位后进行中间支臂与门叶连接[5- 6]。门叶与支臂全部完成连接后，再进行螺栓的连接紧固，螺栓紧固应先从中间支臂往两侧完成初拧，再依次完成终拧，单个法兰连接面螺栓需从中心线往两侧对称依次拧紧，螺栓穿入方向应保持一致。

2.6 支臂连接杆安装

待泄洪洞弧门液压启闭机与闸门连接后，用液压启闭机将闸门开启一定高度，25 t汽车吊进入闸室完成支臂连接竖杆、横杆的安装。

3 基于BIM技术的上支臂安装施工模拟及碰撞检查

闸门上支臂的安装是一道关键工序，若施工方案不合理，则在上支臂下放阶段，可能会出现液压提升器液压杆与上支臂发生碰撞事故，为此本文采用BIM技术对闸门上支臂安装关键工序进行施工过程模拟，并进行了安装过程碰撞检查。

3.1 基于BIM技术的上支臂安装施工模拟

上支臂安装，按照其施工要求可分为上支臂临时起吊、上支臂提升固定、上支臂起吊顺序模拟、门叶下落、门叶牵引闭合、上支臂下放、上支臂微调、螺栓连接、上支臂安装顺序等9个场景进行施工模拟。

上支臂临时起吊模拟内容为上支臂BIM模型空间位置变化以及汽车吊牵引BIM模型空间位置及尺寸变化；上支臂提升固定模拟内容为上支臂BIM模型的空间位置变化，液压提升器及手拉葫芦等BIM模型的细部空间及尺寸变化；上支臂起吊顺序模拟内容为左边及中间上支臂BIM模型空间变化，相应提拉设备BIM模型空间及尺寸变化；门叶下落模拟内容为门叶BIM模型空间位置变化，液压提升器细部BIM模型空间位置及尺寸变化；门叶牵引闭合模拟内容为门叶BIM模型的旋转，4个液压提升器细部结构BIM模型相应的空间位置及尺寸变化；上支臂下放模拟内容为上支臂BIM模型的空间位移，液压提升器细部结构BIM模型位置及尺寸的改变；螺栓连接模拟内容为螺栓BIM模型空间位置变化；上支臂安装顺序模拟内容为左侧及中间上支臂BIM模型的安装。

3.2 基于BIM技术的上支臂安装碰撞检查

(1)施工干扰分析。上支臂安装过程中，上支臂起吊、螺栓连接等相对施工干扰小，不做BIM碰撞检查。门叶下落后，上支臂与下支臂闭合过程中，向右牵引拉力根据项目实际情况可采用792.5 m高程的200 t液压提升器、底部液压顶推装置以及下游手拉葫芦三种方案，为了验证三个方案的合理性，需对其过程进行碰撞检查，以选择最优的门叶牵引闭合施工方案。当牵引措施不同，会对后续上支臂下方产生影响，故对上支臂下方施工进行BIM碰撞检查。

(2)门叶牵引闭合施工方案一状态下上支臂下放BIM碰撞检查。根据上述门叶牵引闭合方案一，在门叶闭合状态下，进行上支臂下放BIM碰撞检查。进行本次碰撞模拟时，设置四种工况(即对应不同的上支臂下放状态)，具体模拟过程如图2所示。

图2 门叶牵引闭合施工方案一状态下上支臂下放BIM碰撞检查

(3)门叶牵引闭合施工方案二、三状态下上支臂下放BIM碰撞检查。根据上述门叶牵引闭合方案二、三，在门叶闭合状态下，进行上支臂下放BIM碰撞检查，进行本次碰撞模拟时，设置四种工况(即对应不同的上支臂下放状态)，具体模拟过程如图3所示。

图3 门叶牵引闭合施工方案二、三状态下上支臂下放BIM碰撞检查

(4)碰撞检查结果。门叶牵引闭合施工方案一上支臂下放工况1、工况2、工况3碰撞检查结果为无碰撞。方案一上支臂下工况4有1处碰撞，碰撞位置如图4所示。

图4 门叶牵引闭合施工方案一上支臂下放工况4碰撞位置

门叶牵引闭合施工方案二、三4种工况下上支臂与下支臂组合(包括下支臂、裤衩、支绞)、门叶、上游液压杆(806 m高程的200 t液压提升器)间均无碰撞。

在上支臂安装阶段门叶下放后，门叶需与下支臂进行牵引闭合，三种闭合方案为792.5 m高程200 t液压提升器、轨道顶推装置和下游地锚手拉葫芦牵引，经BIM模拟及碰撞检查得到结果如下：792.5 m高程200 t液压提升器方案，虽然在闸门牵引闭合阶段不会产生碰撞，但是在后续上支臂下放阶段，792.5 m高程200 t液压提升器液压杆与上支臂发生了碰撞；轨道顶推装置和下游地锚手拉葫芦牵引方案，门叶闭合及上支臂下放阶段均未产生碰撞。根据现场实际情况分析，建议优先采用下游地锚牵引方式，轨道顶推方案为备选方案。

4 结 语

针对白鹤滩水电站泄洪洞弧形工作闸门安装施工面临的门叶构件尺寸大、质量大、闸门安装空间狭小等特点，本文提出了如下的弧形闸门安装施工工艺：上支臂采用120 t汽车吊设备吊装至下支臂上，底部由临时托架固定，利用800 m高程的120 t液压提升器，吊耳处连接两段手拉葫芦缆绳，将上支臂提升超过裤衩高度后固定，为门叶就位提供空间；利用806 m高程的200 t液压提升器将门叶缓慢下落至临近闸底板，在底部利用下游地锚，采用手拉葫芦方式将门叶牵引至闭门状态；上支臂在800 m高程的120 t液压提升器作用下缓缓下落，上下游水平方向通过上游侧782.9 m平台处的葫芦，以及吊装缆绳的手拉葫芦来实现位置角度的调整，当其下落、调整至合适位置后，与裤衩对位，穿连接螺栓完成上支臂与裤衩的连接安装，上支臂安装顺序为先两侧、后中间。通过BIM技术对本文提出的上述施工方案进行了模拟和验证，结果表明本文所述方案在施工过程中不会产生碰撞事故，整体施工方案合理，技术方案可行。