參窩水庫壩上門機(jī)設(shè)計(jì)方案及優(yōu)化

高玉桓，王遠(yuǎn)迪，聶正茂

（1.遼寧省參窩水庫管理局，遼寧 遼陽 111000；2.遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽 110003）

參窩水庫位于遼寧省遼陽市東約40 km的太子河干流上，是太子河上骨干水利樞紐工程之一，是一座以防洪、灌溉、工業(yè)供水為主并結(jié)合發(fā)電等綜合利用的大（Ⅱ）型水利樞紐工程。工程始建于1960年，由于當(dāng)年遭遇特大洪水而被停工，1970年續(xù)建，1974年竣工，1985年進(jìn)行加固工程施工，1992年竣工。但由于資金等因素的限制，金屬結(jié)構(gòu)存在問題沒有徹底解決。1999年底針對(duì)于大壩遺留的工程隱患所進(jìn)行的除險(xiǎn)加固工程開工。

1 金屬結(jié)構(gòu)存在問題

1）由于上游觀音閣水庫的修建，使水庫調(diào)洪運(yùn)用條件發(fā)生變化。參窩水庫的防洪限制水位由原77.80 m抬高到86.20 m，增大了水庫蓄到正常高水位96.60 m的機(jī)率，使溢流壩弧形工作閘門常年處于擋水狀態(tài)，無開啟檢修的時(shí)間。因此需在溢流壩弧形工作閘門前增設(shè)檢修閘門。

2）底孔事故檢修閘門用壩上高低軌門機(jī)啟閉，下部用拉桿與閘門連接，拉桿共7節(jié)，每節(jié)重量為1.5 t，裝卸拉桿非常困難和危險(xiǎn)，如果用于事故閘門，閘門操作時(shí)間過長(zhǎng)。由于壩上1 000 kN高低軌門機(jī)制造質(zhì)量嚴(yán)重不合格，雖在1986年進(jìn)行修復(fù)，但在運(yùn)行時(shí)仍有啃軌現(xiàn)象。

3）底孔工作閘門采用2 000 kN固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)啟閉，啟閉機(jī)安裝在壩頂，高程103.50 m，揚(yáng)程14 m。工作閘門與啟閉機(jī)吊具之間用5節(jié)拉桿連接。在壩體內(nèi)設(shè)工作閘門檢修室，底高程92.50 m，而水庫的正常高水位為96.60 m，且閘門利用水柱下降為后封水形式，這樣檢修室常有被水淹的可能。啟閉機(jī)的動(dòng)滑輪及部分鋼絲繩長(zhǎng)期工作在水中，可能造成動(dòng)滑輪組銹蝕而使啟門力增大，同時(shí)鋼絲繩銹蝕嚴(yán)重，啟閉安全受到危脅。由于閘門在壩體內(nèi)進(jìn)行維護(hù)，閘門檢修條件惡劣。在進(jìn)行閘門防腐時(shí)，由于操作空間狹小，通風(fēng)不良，照明不足，檢修室內(nèi)能見度低，空氣中粉塵含量大，鋅蒸氣濃度高，毒害性大，嚴(yán)重危脅工人的人身安全。同時(shí)由于進(jìn)行閘門防腐時(shí)對(duì)空氣相對(duì)濕度的要求較為嚴(yán)格而檢修室內(nèi)濕度較大，嚴(yán)重影響閘門防腐的效果。

4）底孔工作閘門啟閉機(jī)啟門力不足。閘門孔口尺寸為3.5 m×8 m(寬×高)，于1972年制造并投入運(yùn)行，其原設(shè)計(jì)條件為：底孔主要為泄前期洪水，故操作水位最高為84.8 m，然后全開泄洪；檢修時(shí)最高擋水位為96.6 m。觀音閣水庫建成后，由于采用兩庫聯(lián)合調(diào)度運(yùn)用，因而閘門的操作水位及最高擋水位可達(dá)99.7 m。

水庫初建時(shí)底孔工作閘門滾輪軸套選取膠木軸套，摩擦系數(shù)f=0.2。根據(jù)當(dāng)時(shí)水庫洪水調(diào)節(jié)運(yùn)用方式，水位在77.8～84.8 m時(shí)6個(gè)底孔工作閘門全部開啟，這時(shí)啟門力不足160 t。閘門在檢修時(shí)即在正常高96.6 m水位開啟，計(jì)算啟門力為212.4 t。因?yàn)殚l門檢修不受時(shí)間限制，啟閉機(jī)可允許超載10%，因此選用200 t啟閉機(jī)。如果此時(shí)啟閉機(jī)不能開啟閘門，可用潛水泵降低門前水位后再啟門。

在1986年參窩水庫進(jìn)行第一次加固時(shí)，將底孔工作閘門滾輪軸套材料改換成GS-1，摩擦系數(shù)f=0.16，在正常高96.6 m水位進(jìn)行啟門力復(fù)核，啟門力為199.7 t，此值還末考慮閘門門前泥沙淤積情況。閘門計(jì)算啟門力已達(dá)啟閉機(jī)的額定容量，而目前的水庫洪水調(diào)節(jié)運(yùn)用方式中庫水位在96.6～99.7 m時(shí)還有一孔閘門需要開啟，此時(shí)閘門的啟門力為216 t，超過啟閉機(jī)的額定容量的8%。

雖然太子河為非多泥沙河流，但參窩水庫無排沙設(shè)施，底孔工作閘門的底坎高程為60 m，且水庫的主要作用為防洪及工農(nóng)業(yè)用水，底孔工作閘門有可能多年不開啟，這樣閘門門前必然有泥沙淤積，引起閘門啟門力增大。啟閉機(jī)超載太大將產(chǎn)生打不開閘門等運(yùn)行事故。

5）溢流壩弧形工作閘門漏水嚴(yán)重，其側(cè)水封更換問題依然存在。原設(shè)計(jì)中距閘門底緣3.5 m長(zhǎng)內(nèi)側(cè)水封提不到檢修臺(tái)之上，無法更換。1986年水庫加固時(shí)采取在閘門邊梁上開孔的方法，但操作上極困難，有些部位無法實(shí)現(xiàn)。

2 門機(jī)方案的設(shè)計(jì)

初步設(shè)計(jì)中針對(duì)水庫金屬結(jié)構(gòu)存在的問題，首先在溢流壩弧形工作閘門上游設(shè)置平面滑動(dòng)檢修閘門。門槽下游邊距弧形閘門胸墻0.5 m，閘門底坎設(shè)置在83.783 m高程，閘門設(shè)計(jì)水頭13 m，孔口尺寸為12.0 m×13.2 m。閘門為疊梁式，疊梁為4節(jié)。利用壩上啟閉設(shè)備配脫掛自如式抓梁?jiǎn)㈤]，動(dòng)水開啟上節(jié)閘門，設(shè)置1扇閘門。為便于壩上交通，在壩頂檢修閘門閘孔上部設(shè)置蓋板。在非檢修期檢修閘門的每節(jié)疊梁及抓梁分別鎖定于檢修閘門孔口上方。

底孔工作閘門共6孔，主要泄前期洪水，全開全關(guān)，不調(diào)節(jié)流量，不需要同時(shí)開啟兩孔閘門。同時(shí)由于觀參兩庫聯(lián)合調(diào)度，參窩水庫參與泄洪工作的底孔工作閘門和溢流壩弧形工作閘門的泄洪能力有余，在時(shí)間上要求較為寬松，為用門機(jī)啟閉底孔工作閘門提供了較為有利的條件。

壩上門機(jī)為24 m軌距，主起升容量為2×1 250 kN，軌上揚(yáng)程10 m，軌下?lián)P程35 m，雙向門機(jī)。門機(jī)的工作范圍包括溢流壩檢修閘門、底孔事故檢修閘門、底孔工作閘門及溢流壩弧形工作閘門的二次啟升，利用門機(jī)2×1 250 kN主起升配2×400 kN脫掛自如式抓梁?jiǎn)㈤]溢流壩檢修閘門，用門機(jī)主起升配2×1 250 kN液壓穿銷式抓梁?jiǎn)㈤]底孔事故檢修閘門和底孔工作閘門。為便于檢修和更換溢流壩弧形工作閘門的底部側(cè)水封，用門機(jī)主起升配專用吊具二次啟升溢流壩弧形工作閘門。二次啟升時(shí)主起升斜拉，斜拉角度在-5°～+5°范圍內(nèi)變化。

底孔工作閘門的上部增加拉桿，將最上一節(jié)拉桿鎖定在102 m高程以上。在底孔工作閘門需啟閉時(shí)，用門機(jī)的主起升在人可視情況下人為或自動(dòng)操作與拉桿連接，使閘門開啟。閘門的啟升高度僅高出孔口1 m左右，揚(yáng)程為9 m左右。鎖定拉桿，將啟吊出的拉桿放倒（不裝卸拉桿），門機(jī)與拉桿脫離。門機(jī)的主起升啟升速度為1.0～1.4 m/min，行走速度為10～15 m/m in，這樣用門機(jī)啟閉1扇底孔工作閘門的時(shí)間僅需30~40 min，可以滿足水庫底孔工作閘門泄洪要求。增加拉桿后，在人的可視狀況下用門機(jī)操作底孔工作閘門，從根本上避免了抓梁在水下與閘門連接的不可靠性。這樣原底孔工作閘門2 000 kN固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)和原壩上1 000 kN高低軌門機(jī)拆除。為確保液壓抓梁與底孔工作閘門拉桿連接的可靠性，除設(shè)有液壓穿銷裝置外，還設(shè)有手搖穿插銷裝置。在液壓穿銷裝置失靈的情況下可使用手搖穿插銷裝置與底孔工作閘門拉桿連接。

圖1 16 m軌距2×1 250 kN壩上雙向門機(jī)方案

24 m軌距的2×1 250 kN雙向門機(jī)工作范圍大，包括了溢流壩段內(nèi)所有金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備。不僅能操作溢流壩檢修閘門和底孔事故檢修閘門，還可以啟閉底孔工作門，徹底解決了底孔工作閘門存在的所有問題，并且可以用門機(jī)二次啟升弧形工作閘門解決側(cè)水封更換問題以及弧形工作閘門啟閉機(jī)的檢修。底孔事故檢修閘門由于采用了抓梁?jiǎn)㈤]，取消了拉桿，縮短了閘門啟閉時(shí)間，滿足了運(yùn)行事故檢修的要求。壩頂空間增大，改善了閘門的維護(hù)條件，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了工作環(huán)境。門機(jī)需在汛前應(yīng)進(jìn)行徹底檢修維護(hù)，在汛期內(nèi)應(yīng)每隔一定時(shí)間進(jìn)行一次試運(yùn)行，以確保門機(jī)各機(jī)構(gòu)在需要其工作時(shí)可靠運(yùn)行；備用電源汛前維護(hù)以保證門機(jī)汛期的供電。

3 門機(jī)方案的優(yōu)化

24 m軌距的2×1 250 kN雙向門機(jī)自重近390 t，其軌道混凝土梁高度近2 400 mm，施工難度較大。在技施設(shè)計(jì)中針對(duì)縮小門機(jī)軌距，筆者進(jìn)行了多個(gè)方案的比較，最終選定將雙向門機(jī)的軌距縮小到16 m，門機(jī)的主起升小車在門機(jī)上下游軌道內(nèi)運(yùn)行工作，在門機(jī)的上游側(cè)外設(shè)置一副卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)，利用門機(jī)副起升啟閉溢流壩檢修閘門。

副卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)懸臂于上游側(cè)軌道4.936 m，為減小其工作時(shí)門機(jī)的傾覆力矩，溢流壩檢修閘門分為6節(jié)，每節(jié)疊梁閘門高2.2 m。并且為降低溢流壩檢修閘門的啟門力，閘門主支承滑道采用NL150這一較低摩擦系數(shù)的非金屬材料，使門機(jī)副卷揚(yáng)容量控制在2×160 kN。門機(jī)副卷揚(yáng)的軌上揚(yáng)程為10 m，軌下?lián)P程為20 m。方案如圖1所示。

經(jīng)過優(yōu)化后的門機(jī)方案的工程總價(jià)與原方案工程總造價(jià)相比，減少近200余萬元。節(jié)省了大量的工程建設(shè)資金，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

4 門機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)簡(jiǎn)介

16 m軌距的2×1 250 kN雙向門機(jī)最大外形尺寸為高21.45 m，長(zhǎng)24.2 m，寬12.5 m。門機(jī)機(jī)架材質(zhì)根據(jù)當(dāng)?shù)刈畹蜌鉁?36.5℃選擇Q 345B。門機(jī)的大車走行機(jī)構(gòu)通過均衡梁鉸接在下橫梁端部，采用8個(gè)車輪組共16個(gè)車輪，其中4個(gè)驅(qū)動(dòng)車輪組，每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪組由一套QSC25-114三合一減速機(jī)驅(qū)動(dòng)，運(yùn)行速度為13.6 m/m in，最大輪壓420 kN，車輪直徑φ700 mm，車輪的材質(zhì)為ZG35CrMnSi，經(jīng)過熱處理車輪踏面和輪緣內(nèi)側(cè)硬度為HB380-450，具有很高的抗疲勞能力和使用壽命。大車走行機(jī)構(gòu)裝有行程式開關(guān)和緩沖器。小車走行機(jī)構(gòu)4個(gè)車輪組共8個(gè)車輪，驅(qū)動(dòng)車輪組采用其中2個(gè)車輪組。電動(dòng)機(jī)型號(hào)YZR 132M 2-6，減速器采用硬齒面減速器JZSYD315-355。小車運(yùn)行速度4.82 m/m in，小車上設(shè)有電動(dòng)插銷裝置，通過行程開關(guān)報(bào)警自動(dòng)鎖緊小車，以克服斜拉對(duì)小車產(chǎn)生的水平力。門機(jī)主起升機(jī)構(gòu)為雙吊點(diǎn)，吊點(diǎn)距2.2 m。由于吊點(diǎn)距小，采用一個(gè)卷筒，即將2個(gè)雙聯(lián)卷筒制作為一體，去掉同步軸，采用兩端分別驅(qū)動(dòng)，這樣主起升雙吊點(diǎn)同步性更好，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，從而減少整機(jī)重量?；啽堵蕿?，由于揚(yáng)程為45 m，卷筒采用折線式雙層纏繞，鋼絲繩與卷筒垂直平面的最大偏角1.8°。卷筒直徑1.6 m，長(zhǎng)度4.4 m，采用Q 345B焊接卷筒。鋼絲繩采用6W(19)-40-1700-乙鍍-右交。電動(dòng)機(jī)型號(hào)YZR 250M 1-8，減速器采用硬齒面減速器JZSYD355-140。平衡輪采用雙鉸接法，可滿足主起升斜拉要求。主起升機(jī)構(gòu)采用電子與機(jī)械復(fù)合式負(fù)荷控制器，當(dāng)荷重達(dá)到1倍額定容量時(shí)報(bào)警，當(dāng)荷重達(dá)到1.1倍額定容量時(shí)斷電。在主起升機(jī)構(gòu)中，還設(shè)有數(shù)碼顯示閘門開度儀，在司機(jī)室中可以監(jiān)控閘門的開度及啟閉力。門機(jī)采用電液夾軌器，并設(shè)有電氣聯(lián)鎖開關(guān)。門機(jī)供電采用鋁合金外殼單管4極的結(jié)構(gòu)型式的安全滑觸線，滑觸線型號(hào)為DHGJ-4-70/210-W。

參窩水庫壩上門機(jī)方案的最終實(shí)施，解決了水庫建成近30年來一直困擾水庫運(yùn)行中金屬結(jié)構(gòu)存在的問題，改善了水庫的環(huán)境面貌，減輕了工人在閘門維護(hù)中的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了安全性。