郁江調(diào)水工程引水隧洞進(jìn)水塔事故閘門設(shè)計(jì)

劉 國 瑞

根據(jù)廣西計(jì)委、水利廳批復(fù)的《廣西臨海工業(yè)園供水水源工程規(guī)劃報(bào)告》,欽州沿海工業(yè)園區(qū)供水所采取的中遠(yuǎn)期策略,就是先將郁江的水調(diào)至欽江,再從欽江引至大風(fēng)江,最后從大風(fēng)江輸入金窩水庫,然后從金窩水庫向工業(yè)園區(qū)的水廠供水。工程建成后,供水能力可達(dá)120萬m3/d。郁江調(diào)水工程是特指將郁江水調(diào)至欽江,再從欽江引至大風(fēng)江的工程部分。郁江調(diào)水工程涉及調(diào)出和調(diào)入兩大流域,調(diào)出流域即郁江流域,調(diào)入流域有欽江流域和大風(fēng)江流域。

郁江調(diào)水工程調(diào)水水源地位于郁江西津水庫庫區(qū)支流沙坪河,輸水路線是通過引水隧洞實(shí)現(xiàn)從沙坪河調(diào)水至欽江支流小西江,通過小西江自流引水到欽江久隆鎮(zhèn),經(jīng)青年水閘調(diào)節(jié)后,欽江河水通過欽江支流大霧坪河—大風(fēng)江支流那慶河輸水線路實(shí)現(xiàn)自流引水到大風(fēng)江。涉及的工程點(diǎn)有沙坪河輸水隧洞進(jìn)水口、小西江及欽江輸水走廊、欽江支流大霧坪河引水口、大風(fēng)江支流那慶河出水口。其中輸水隧洞進(jìn)口位于沙坪河沙坪鎮(zhèn)企石村,出口位于欽江支流小西江舊州鎮(zhèn)雙龍?zhí)链甯浇?隧洞長(zhǎng)10.5 km。隧洞進(jìn)口設(shè)進(jìn)水塔1座,進(jìn)水塔內(nèi)設(shè)攔污柵、事故閘門、工作閘門各1道。其中事故閘門的作用是在引水過程中,其下游的工作閘門或隧洞發(fā)生事故時(shí)動(dòng)水下閘切斷水流,以防止事故擴(kuò)大并提供檢修條件。閘門孔口尺寸3 m×4 m(寬×高),底檻高程53.2 m,閘門以隧洞最高引水位63 m設(shè)計(jì),相應(yīng)設(shè)計(jì)水頭9.8 m。閘門操作條件為動(dòng)水閉門,靜水啟門。

1 門葉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本閘門采用平面滑動(dòng)鋼閘門,單吊點(diǎn)啟吊。閘門的特性見表1。

表1 閘門特性表

門葉采用焊接結(jié)構(gòu),設(shè)3根實(shí)腹式焊接組合工字型主梁,門葉中部設(shè)1根縱隔板,主梁支承于邊柱上,縱隔板兼作豎直次梁并支承于主梁上；水平次梁為連續(xù)梁,它通過縱隔板上的預(yù)留孔并支承在縱隔板上；閘門梁格為等高布置。為了保證本閘門能夠順利閉門,同時(shí)為節(jié)約閘門及啟閉機(jī)的投資,在設(shè)計(jì)上采用水柱閉門,并利用中主梁承受水柱的作用。為此,閘門面板分成了兩部分,上部面板布置于下游面并兼作頂、中主梁的后翼緣,下部面板布置于上游面并兼作底、中主梁的前翼緣。頂止水、側(cè)止水及轉(zhuǎn)角止水布置在門葉下游面,底止水布置在門葉上游面。主支承布置于下游面,反向及側(cè)向支承布置于上游面。閘門底緣下游傾角42.7°,滿足規(guī)范規(guī)定的不小于30°的要求。此外,本事故閘門為靜水啟門,故在頂主梁處設(shè)置了充水閥,以在啟門前充水平壓。

事故閘門的總體布置如圖1所示。

圖1 門葉總圖(單位:mm)

2 支承行走機(jī)構(gòu)的選擇

平面閘門的行走支承型式按閘門啟閉時(shí)的阻力分滑動(dòng)式行走支承與滾動(dòng)式行走支承兩大類。滾動(dòng)式支承的摩阻力較滑動(dòng)式支承小,可有效降低啟閉力,但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,投資及維護(hù)成本高。本閘門利用水柱動(dòng)水閉門,只要采用合理的水柱重量,持住力就不會(huì)過大；采用充水閥充水平壓后靜水啟門,因此啟門力也不會(huì)太大。據(jù)此,本閘門的主支承采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本較低,易于制造、安裝、維護(hù)的滑動(dòng)式支承。目前,滑動(dòng)支承的材料已有新的發(fā)展,產(chǎn)生了一批具有較高的承載能力及較低的摩擦系數(shù)的自潤滑減摩材料。經(jīng)過對(duì)多種支承材料的研究、比較,最終決定主支承采用鄭州華龍機(jī)械工程有限公司生產(chǎn)的 “華一HII-11”型滑塊,其材料為華龍系列工程塑料合金MGA?；瑝K的允許線荷載為28 kN/cm,在水中的最大摩擦系數(shù)為0.1,最小摩擦系數(shù)為0.035。閘門邊梁上左右各布置3塊,主滑塊按等荷載布置。

本閘門的反向支承采用彈性反輪,靠橡皮墊塊的彈性將門葉向下游主軌側(cè)擠壓,以避免閘門啟閉時(shí)發(fā)生前后晃動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)順利平穩(wěn)下閘,同時(shí)也提高了設(shè)置在下游的頂、側(cè)水封的止水效果。側(cè)向支承采用懸臂側(cè)輪,以有效降低閘門啟閉時(shí)左右晃動(dòng)的幅度,避免閘門因左右傾斜而卡阻。

3 止水裝置設(shè)計(jì)

止水漏水會(huì)引起閘門產(chǎn)生震動(dòng)和空蝕,導(dǎo)致閘門結(jié)構(gòu)、埋件以及止水本身的破壞,影響閘門的正常工作。對(duì)兼作檢修閘門的事故閘門而言,止水的密封效果不但決定著閘門能否有效截?cái)嗨?還關(guān)系到檢修人員的工作條件和安全。因此,必須確保閘門的止水效果良好。

本閘門利用水柱閉門,頂止水、側(cè)止水及轉(zhuǎn)角止水布置在門葉下游面,底止水布置在門葉上游面,實(shí)現(xiàn)了水柱的有效利用和閘門在水壓作用下的可靠止水,避免了由于主梁和主支承在高水頭下產(chǎn)生變形而影響閘門的止水效果。為保證止水嚴(yán)密并降低止水與座板之間的摩阻力,對(duì)不銹鋼止水座板進(jìn)行了機(jī)加工。

底止水采用條形止水,止水預(yù)壓縮5 mm,考慮壓縮后體積膨脹的因素,以及使水流流態(tài)良好,底止水下端切成45°坡口。頂、側(cè)及轉(zhuǎn)角止水采用P型止水,止水預(yù)壓縮4 mm,為避免橡皮圓頭翻卷及壓板邊緣切割橡皮,止水壓板的邊緣加工為圓弧狀。為了減少止水與座板間的摩阻力,并提高止水的耐磨性,頂、側(cè)及轉(zhuǎn)角止水的材料均采用橡塑復(fù)合型橡皮。底止水采用整體成型,各止水之間的連接采用熱膠合,以消除止水橡皮接縫處的漏水隱患。

4 門槽設(shè)計(jì)

水流經(jīng)過門槽段時(shí),邊界的突變會(huì)引起水流壓力的急劇變化,易形成渦流并產(chǎn)生負(fù)壓,在一定條件下還會(huì)產(chǎn)生空穴和閘門震動(dòng),導(dǎo)致門槽及其埋件的空蝕?？瘴g后的固體表面又會(huì)使空穴現(xiàn)象激化,加劇空蝕作用,造成更嚴(yán)重的空蝕破壞。為了防止門槽段產(chǎn)生空蝕,除了考慮泄水建筑物總體布置、閘門底緣型式和門后通氣等因素外,一般尚應(yīng)選擇合理的門槽型式。

初生空穴數(shù)是表示空穴現(xiàn)象發(fā)生條件的參數(shù),它反映物體形狀的空穴特性。不同體形的門槽具有不同的初生空穴數(shù),初生空穴數(shù)越小,說明體形越好,越不容易發(fā)生空穴現(xiàn)象。選擇門槽型式,首先應(yīng)計(jì)算出水流空穴數(shù),若其大于所選門槽型式的初生空穴數(shù),則所選門槽一般不會(huì)發(fā)生空穴。通常可根據(jù)計(jì)算出的水流空穴數(shù)選擇Ⅰ型或Ⅱ型門槽。

通過計(jì)算可知本閘門門槽的水流空穴數(shù)K=85.6,據(jù)此選用Ⅰ型門槽。門槽寬W=700mm,深D=400mm,寬深比W/D=1.75,在規(guī)范規(guī)定的較優(yōu)取值范圍內(nèi)。門槽初生空穴數(shù)Ki=0.67,所選門槽的水流空穴數(shù)大于其初生空穴數(shù)。

5 啟閉機(jī)選擇

事故閘門的啟閉機(jī)是實(shí)現(xiàn)順利閉門的重要設(shè)備,其布置與選型在工程設(shè)計(jì)中甚為關(guān)鍵。應(yīng)根據(jù)閘門的操作條件以及水工建筑物的布置等因素,經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。

固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊,承載能力大,運(yùn)行平穩(wěn)可靠且安裝維護(hù)方便,使用最為廣泛,主要用于靠自重、水柱或其他加重方式關(guān)閉孔口的閘門。本閘門利用水柱閉門,且啟閉機(jī)的布置空間有限,因此啟閉設(shè)備宜采用固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)。鑒于事故閘門的重要性,為了確保閘門在需要時(shí)可以及時(shí)閉門,卷揚(yáng)啟閉機(jī)配備了柴油發(fā)電機(jī)作為備用動(dòng)力。

6 結(jié) 語

事故閘門的門葉結(jié)構(gòu)布置,主支承、止水、門槽設(shè)計(jì)以及啟閉機(jī)選擇等關(guān)鍵問題直接影響到閘門的安全可靠運(yùn)行,在本閘門的設(shè)計(jì)中,我們對(duì)這些問題進(jìn)行了具體的分析和研究,并提出了相應(yīng)的解決方案,其設(shè)計(jì)具有一定的代表性和典型性。

事故閘門關(guān)系著水工建筑物、設(shè)備及檢修人員的安全,其設(shè)計(jì)、制作、安裝和運(yùn)用過程中仍有不少問題值得探討和深入研究,希望本文能拋磚引玉,以引起廣大同仁對(duì)此類閘門的足夠重視。