中小型水库放水闸螺杆连接及防弯曲装置研究

2022-09-07张瑞宝

山东水利 2022年8期

张瑞宝，夏忠，刘冲

（1.新泰市新甫街道办事处，山东新泰271200；2.新泰市水利局，山东新泰271200）

水库放水洞是水库三大件之一，其主要功能是满足灌溉、供水、发电等需要，以及水库进行检修时放空水库、洪水来临前腾空库容等。土石坝的放水洞常见的有卧管式、闸阀式、斜坡式和竖井式（或塔式）等型式。对于水头较高、流量较大，水量要求比较严格的水库，放水洞进口操作设备多采用竖井式。竖井式放水洞的闸门多为平板式闸门，用铸铁或钢板制成，在竖井底部安装平板闸门，闸门上安装螺杆，上部与启闭机相连，启闭机通过螺杆控制闸门启闭来控制放水洞放水。

中小型水库放水闸螺杆直径大多在40～100 mm之间，长度10～30 m，一般是用长6 m的实心圆钢连接而成，启闭机启闭方式有手动和电动两种方式，大多采用手动方式启闭。绝大多数启闭机没有限位装置，闸门启闭主要靠经验和感觉，由于大多数水库是20世纪70年代以前修建的，启闭机螺杆主要采用搭接连接，在闸门关闭到位后还能在螺杆上施加压力，螺杆受力后会在轴向发生弯曲，螺杆弯曲达到一定程度后闸门便无法正常启闭，致使闸门漏水并影响水库放水，水库无法发挥灌溉和调洪功能。水库放水闸螺杆弯曲已成为影响中小型水库运行的主要问题，存在可改进之处。

1 放水闸螺杆连接方式的改进

为解决水库放水闸螺杆易弯曲的问题，首先改进螺杆的连接方式，增加螺杆的整体刚度。其次，可视螺杆长度在螺杆上每隔6～10 m安装一个弯曲限制装置。在改进螺杆的连接方式、安装螺杆防弯曲装置后，启闭机螺杆易弯曲变形的问题得到有效解决。

1.1 放水闸螺杆常规连接方式

中小型水库放水闸螺杆长度大都在10～30 m之间，而厂家生产的圆钢长度通常不超过6 m，因而工程中的螺杆需要连接，过去常用的连接方式是搭接，即将待接端削去1/2，再在其上钻孔，然后装入螺栓将两根螺杆连接起来，这种连接方式削减了接头处螺杆的同截面的受力面积，在接头处易发生偏心受拉、受压，甚至形成应力集中，当闸门启闭时极易使螺杆切口处弯折，甚至在截面改变处断裂，螺杆的整体性较差，这一问题给中小型水库的运行管理带来了一定的困难。

1.2 改进后的螺杆连接方式

1）处理螺杆接头。将第一螺杆与第二螺杆垂直于杆轴线锯齐。

2）准备抱箍。取8～10 mm厚度（钢板厚度视螺杆粗细而定，螺杆粗的取厚度大的，螺杆较细的取厚度小的）的钢板两块，加工成Ω形的第一抱箍和第二抱箍。

3）钻孔。在Ω形抱箍板两翼等距钻4个M19 mm的螺栓孔。

4）焊接。将Ω形第一抱箍焊接于第一螺杆接头处，将第二抱箍焊接于第二螺杆接头处，采用围焊，焊缝厚度为8 mm，如图1~3示。

5）安装。将两个螺杆端部对接，用φ18 mm的固定螺栓装入螺栓孔，然后用扳手拧紧，如图4～6示。

2 放水闸螺杆防弯曲装置制作与安装

可视螺杆长度在螺杆上每隔6～10 m安装一个弯曲限制装置，有效控制螺杆的轴向挠曲。

2.1 螺杆防弯曲装置的制作

螺杆防弯曲装置有轴承、衬套（包括套筒和翻边）、支撑及调节装置（包括支撑、套管、安装座、固定螺栓）组成。

1）选择轴承。由于深沟球轴承具有摩擦系数小，承受径向负荷能力强，耐用、无需经常维护等优点，选择防油密封深沟球轴承作为螺杆防弯曲装置的轴承，螺杆相对轴承应能上下移动，要求轴承内圈直径比螺杆直径略大的轴承，在螺杆能顺利穿过轴承内圈且能自由移动的前提下，尽量减小螺杆与轴承的间隙。

2）制作衬套。衬套由套筒和翻边组成。套筒可选用厚度不小于3 mm的钢管做成（也可用厚度不小于3 mm的钢板卷焊而成），套筒的内径以能容纳轴承且轴承与套筒内壁间隙最小为宜，套筒的高度可比轴承高度大1～3 mm。为防止闸门启闭时轴承从套筒内滑脱，在套筒的上下两侧需安装（焊接）翻边，翻边沿套筒的周向延伸成环形，翻边可用3 mm的钢板制成，翻边内侧不得接触螺杆，其内径宜比螺杆直径大10～30 mm；先焊接一侧翻边，将轴承放入套筒后再焊接另一侧翻边。

3）制作支撑管。支撑管用焊接方式固定在衬套的外周壁上，支撑管可用φ16～φ22 mm的圆钢制作（支撑管直径随着螺杆直径的增大而增大），其长度为放水洞立井内半径的2/3～3/4，每个衬套需要安装3个支撑管，3个支撑管等距焊接在衬套外周壁的腰线上，如图7所示。

4）制作支撑调节装置。支撑调节装置由套管、螺栓、安装座组成（见图7）。套管可用无缝镀锌钢管制作，壁厚不小于3 mm，长度为放水洞立井内半径的1/2～2/3；在距离套管插口20 mm位置的管壁上开16 mm圆形螺栓孔，孔上焊接M16螺母，再在螺母上拧上M16螺栓；取边长200 mm厚5 mm钢板作为安装座，在其上四角各钻一个12 mm的螺栓孔，将套管不带螺栓一端焊接在安装座中央。

图7 支撑管示意图

2.2 螺杆防弯曲装置的安装

在螺杆接头处焊接Ω形的抱箍前，先将带有轴承的衬套套在螺杆上；螺杆连接安装到位后，将支撑调节装置（带安装座的套管）套在支撑管上，暂时拧紧套管上的螺栓，以防支撑调节装置掉落；将带有轴承的衬套移动到预定安装位置后，松开套管上的螺栓，将套管徐徐拔出，直到安装座顶到放水洞立井内壁位置；在井壁上安装座螺栓孔位置打孔，用不锈钢膨胀螺栓将安装座固定；调整闸门与螺杆轴心，使螺杆轴心穿过闸门重心；最后用扳手拧紧3个套管上的螺栓即可完成安装任务。螺杆重新连接并安装防弯曲装置后，在衬套、支撑管、套管、安装座及螺杆接头抱箍处喷涂防锈漆防护，清理闸底坎杂物，在螺杆上部设置限位标志，对启闭机操作人员加强培训，防止误操作。

3 应用案例

3.1 旋崮河水库放水闸螺杆连接方式地改进

旋崮河水库建于1975年，位于新泰市青云街道旋崮河村东，处于黄河流域大汶河水系柴汶河支流平阳河上游，水库控制流域面积6.0 km2，总库容284.82万m3，调洪库容85.86万m3，兴利库容189.06万m3，死库容9.90万m3。旋崮河水库是一座防洪、农业灌溉为主，兼顾水产养殖等综合运用的小（1）型水库。放水洞位于大坝右侧，为无压浆砌石拱涵，断面尺寸为1.40 m×1.20 m，设有平板闸门，配备10 t螺杆式启闭机。在上游坝肩设竖井，井上建启闭机房，螺杆长19 m，采用四根直径80 mm圆钢搭接而成。

该水库放水闸螺杆先后在1989年、1993年、1996年3次在接头处发生断裂，并造成了螺杆不同程度的弯曲。由于螺杆弯曲造成闸门关闭不严，放水洞一直存在不同程度漏水。前两次维修只是将断裂部位进行焊接后，继续按照原搭接方式进行连接。1996年汛前放水时螺杆再次断裂，螺杆产生弯曲。经过分析研究，原因是原连接方式的螺杆在工作时接头处受力为偏心受拉或偏心受压，且易因应力集中而在切口处断裂。

维修时先将螺杆全部从竖井取出并调直，然后按照本文前述螺杆连接方式进行连接，在螺杆中部设置两个不带轴承的简易防弯曲装置，彻底解决了螺杆易断裂和因螺杆弯曲导致闸门关闭不严而漏水的问题。至今已正常运行25年，没出任何问题。

3.2 西周水库放水闸螺杆防弯曲装置

西周水库于1966年5月建成，位于新泰市新甫街西西周北村北，处于西周河中游支流上，属柴汶河流域。水库总库容127.1万m3，调洪库容30.58万m3，兴利库容82万m3，死库容14.52万m3，是一座防洪、农业灌溉等综合运用的小（1）型水库。放水洞位于大坝右侧，为无压浆砌石拱涵洞，在上游坝肩设一浆砌石竖井，井内设0.8 m×1.2 m的平板钢闸门，用一台5 t手摇螺杆式启闭机启闭，螺杆长12 m，采用2根直径65 mm圆钢搭接而成。2018年10月水库放水闸因螺杆弯曲无法正常启闭。经分析，是由于工作人员误操作造成的，启闭机没有限位装置，在闸门已经关闭到位的情况下，工作人员通过启闭机继续对螺杆施加压力，致使螺杆出现明显弯曲导致闸门启闭失灵。通过将螺杆全部从竖井取出并用机械调直，先按照本文前述螺杆连接方式进行连接，然后在螺杆中部均匀安装两个螺杆防弯曲装置，彻底解决了因螺杆弯曲导致放水闸不能灵活启闭的问题。