豐滿水電站泄洪洞事故閘門改造的優(yōu)化設(shè)計(jì)

王興隆，尤晶晶，盧永勝

(1．豐滿發(fā)電廠，吉林 吉林 132108;2．吉林省第二松花江防汛機(jī)動(dòng)搶險(xiǎn)隊(duì)，吉林 吉林 132001;3．吉林省第二地質(zhì)探礦工程大隊(duì)，吉林 吉林 132013)

豐滿水電站位于第二松花江中上游，是二松流域的控制性工程，最大庫(kù)容110億m3，在豐滿大壩左岸的山體內(nèi)建有直徑為9.20 m的泄洪洞。泄洪洞進(jìn)口設(shè)有兩扇外形尺寸5.40 m×9.88 m×1.13 m(寬 × 高 × 厚)的平面定輪事故閘門［1］，設(shè)計(jì)水頭61 m，由2×100 t固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)操作，出口設(shè)有一扇弧形工作閘門。該進(jìn)口閘門于1988年由檢修閘門改造為事故閘門，在閘門上面增設(shè)了重約130 t的箱型配重結(jié)構(gòu)，配重結(jié)構(gòu)上部以雙吊耳與啟閉機(jī)動(dòng)滑輪組連接，下部以雙吊耳與閘門吊耳連接。原閘門上部Φ350 mm的充水閥未作變動(dòng)，但閥桿改為配重箱剛性連接，其開關(guān)通過單獨(dú)起升配重箱來實(shí)現(xiàn)。1994年，在三期擴(kuò)機(jī)工程中，由于將泄洪洞增建了發(fā)電支洞，泄洪洞進(jìn)口閘門的運(yùn)行時(shí)數(shù)、頻次以及檢修維護(hù)等也發(fā)生了較大的變化，帶有配重結(jié)構(gòu)的閘門已不適應(yīng)檢修、維護(hù)、操作的需要，需對(duì)閘門結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面技術(shù)改造，以滿足水庫(kù)調(diào)水、機(jī)組運(yùn)行 (引水)的安全。限于已建的閘門井水工結(jié)構(gòu)不應(yīng)作改變處理的條件約束，故在閘門改造中需對(duì)閘門結(jié)構(gòu)、充水閥的操作方式等關(guān)鍵問題進(jìn)行改造設(shè)計(jì)優(yōu)化，以達(dá)到門體結(jié)構(gòu)科學(xué)合理，滿足事故閘門可靠運(yùn)行和檢修方便的要求。

1 問題的提出

豐滿水電站泄洪洞進(jìn)口事故閘門由于自身結(jié)構(gòu)和工作性質(zhì)等原因，存在若干個(gè)制約閘門安全運(yùn)行的缺陷隱患，已不能保證閘門的正常檢修和安全運(yùn)行，主要有以下幾個(gè)方面:

a． 閘門組成構(gòu)件布置不合理，門葉檢修極為困難。與常規(guī)的閘門相比，該閘門活動(dòng)部件增加了與閘門外形尺寸相當(dāng)?shù)呐渲叵?，大尺寸活?dòng)部件多而大，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有欠缺。閘門檢修時(shí)須將與門葉體積相當(dāng)?shù)?、?21 t的配重箱移位至檢修平臺(tái)上，占用了檢修室有限的檢修空間和墻體錨點(diǎn)，制約閘門主輪等重要部件的檢修和門葉噴鋅防腐施工場(chǎng)地。此外，檢修時(shí)高厚比很大的配重箱的固定、啟閉機(jī)動(dòng)滑輪組的拆裝轉(zhuǎn)移等都很難實(shí)現(xiàn)和保證安全。

b． 閘門主輪轉(zhuǎn)動(dòng)不暢，多數(shù)不轉(zhuǎn)。閘門主輪軸承為壓合膠木軸瓦，受端面滲水局部膨脹影響，使摩擦阻力大增，造成啟閉力增大，啟閉困難，閘門起升運(yùn)行有振動(dòng)。

c． 充水閥人工開關(guān)操作困難。事故閘門啟門前需對(duì)泄洪洞進(jìn)行充水，打開充水閥需要至少2個(gè)人到60 m深的閘門上，利用配重箱與閘門之間僅有0.80 m凈距的空間，手工退出吊耳上銷軸，然后起升配重箱，帶動(dòng)閥桿開啟閥門。關(guān)門前需關(guān)閉充水閥，先落配重箱，使閥桿在配重箱重力作用下推動(dòng)充水閥關(guān)閉，然后穿入吊耳上銷軸。由于銷軸退穿作業(yè)空間極其狹小、構(gòu)件配合面銹蝕退穿阻力大、作業(yè)環(huán)境陰冷滴水、銷軸重量大等因素，給開關(guān)充水閥操作造成很大的困難和危險(xiǎn)。

d． 充水閥開關(guān)方式不靈活。充水閥的開關(guān)是通過起升配重箱來實(shí)現(xiàn)，只能動(dòng)水開、無壓 (或靜水)關(guān)，不能動(dòng)水關(guān)，充水閥開關(guān)方式不夠靈活。若在充水過程中需要關(guān)閉充水閥停止充水，則閥桿有可能在強(qiáng)大的關(guān)閥軸向壓力和動(dòng)水阻礙閥門關(guān)閉的雙重作用下彎曲變形損壞。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 門葉結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖1 閘門總體結(jié)構(gòu)布置圖

優(yōu)化設(shè)計(jì)后的事故閘門為深孔平面定輪全封閉焊接鋼閘門，結(jié)構(gòu)如圖1所示。閘門孔口尺寸為4 m×9 m，底檻高程204 m，設(shè)計(jì)水頭61 m，止水寬度為4.16 m，支承跨度為4.80 m，總水壓力21 330 N，閘門自重54.13 t(配重12 t)，采用雙吊點(diǎn)，閘門結(jié)構(gòu)主要材料為Q345。改造設(shè)計(jì)中考慮該閘門為事故、檢修的功用及原有閘門井水工結(jié)構(gòu)不能就動(dòng)的要求，經(jīng)設(shè)計(jì)優(yōu)化和技術(shù)論證，決定取消原配重箱，把閘門配重塊放置在主梁梁格內(nèi)，以降低閘門活動(dòng)部分的高度，在門槽內(nèi)去掉配重箱占位，為閘門創(chuàng)造檢修空間。閘門門葉為多主梁均布結(jié)構(gòu)，縱梁 (隔板)與主梁等高設(shè)計(jì)。閘門門體寬5.40 m，高9.88 m，厚0.94 m，止水凈寬4.16 m，止水凈高9.08 m，面板厚18 mm，在滿足高寬擋水尺寸要求外減少了閘門的厚度。由于閘門較高，考慮運(yùn)輸?shù)仍颍箝l門在工廠分三節(jié)制造，工地拼裝，并對(duì)止水墊板刨 (銑)削加工。閘門共設(shè)有10根相同截面的等腹主梁和9根工字鋼水平次梁，便于制造，主梁等腹板直接焊接于面板上，等腹主梁高0.936 m。采用等腹主梁設(shè)計(jì)較好地消除了門葉常規(guī)的變腹主梁占用門槽空間大的問題，在滿足門葉剛度的同時(shí)避開了對(duì)門槽水工結(jié)構(gòu)的改動(dòng)。配重塊的現(xiàn)場(chǎng)裝配在閘門組裝完畢并與啟閉機(jī)聯(lián)接后進(jìn)行，充滿配重塊時(shí)應(yīng)隨時(shí)注意閘門重心的變化情況，配重塊密充滿梁格后用18 mm厚的鋼板焊接封閉，以7 MPa壓力進(jìn)行打壓試驗(yàn)，以確保配重箱不進(jìn)水。閘門頂梁、邊梁、底梁均采用剛度較大的雙腹板箱型梁，這樣既能提高門業(yè)結(jié)構(gòu)的剛度，又能減小各箱型梁腹板的厚度。面板仍布置在上游面，頂、側(cè)止水也布置在上游面，充水閥孔尺寸、位置不變。閘門主梁布置除底主梁外均采取幾何均布的方式，底主梁采用雙腹板箱型梁。為減少底主梁以下懸伸長(zhǎng)度以降低底主梁荷載，同時(shí)又能滿足工作閘門和事故閘門下游傾角應(yīng)不小于30°的要求［2］，下游傾角設(shè)計(jì)為 33.5°。在邊梁外上部，設(shè)計(jì)閘門鎖定卡板，通過操作設(shè)置在檢修平臺(tái)上的翻板式鎖定裝置實(shí)現(xiàn)閘門鎖定。

閘門頂側(cè)止水采用常規(guī)P60［3］整體橡膠水封，底止水采用Ⅰ型橡膠水封。

事故閘門要求動(dòng)水關(guān)閉靜水啟門，在門葉上部設(shè)置了一個(gè)Φ350 mm液控充水閥。

閘門主軌、反軌、側(cè)軌、底坎以及門楣等埋件結(jié)構(gòu)，不作改造設(shè)計(jì)，仍沿用。

2.2 主輪等支承的優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于事故閘門改造中的水工結(jié)構(gòu)不能作大規(guī)模改動(dòng)和門槽寬深比限制，閘門主支承仍借鑒采用原閘門的簡(jiǎn)支軸定輪裝置，共設(shè)置了18套主輪和2臺(tái)小主輪支撐裝置。主輪輪軸采用偏心軸，輪軸材料選用45號(hào)鍛鋼，直徑Φ180 mm，表面鍍硬鉻0.05 mm，最大偏心5 mm，方便主輪輪面調(diào)平，軸端大 (小)圓直徑為190 mm(170 mm)，軸套采用FZ－5自潤(rùn)滑銅基軸承［4］，可解決大輪壓下主支承輪軸承潤(rùn)滑難保證的難題。主輪采用寬輪緣鑄鋼轉(zhuǎn)輪，踏面寬度160 mm，轉(zhuǎn)輪直徑為Φ800 mm，材料采用ZG340－640，退火處理，表面硬度HB≥200。主輪裝配結(jié)構(gòu)，如圖2所示。小主輪結(jié)構(gòu)與主輪相似，輪軸為標(biāo)準(zhǔn)軸，45號(hào)鍛鋼，直徑150 mm，表面鍍硬鉻0.05 mm，軸套采用FZ－5自潤(rùn)滑銅基軸承，滾輪直徑530 mm，輪緣踏面寬度140 mm。

閘門邊梁的上部和下部分別布設(shè)4套反輪裝置，反輪采用懸掛式結(jié)構(gòu)，配彈性橡膠墊，反輪材料選用 ZG270－500，直徑Φ200 mm，輪幅寬60 mm，輪軸材料選用45號(hào)鋼，表面鍍硬鉻0.05 mm，直徑Φ60 mm，軸套選用FZ－5自潤(rùn)滑銅基軸承。

閘門兩側(cè)不設(shè)滾輪式支撐裝置，閘門井結(jié)構(gòu)因未作變動(dòng)，仍采用滑靴式支撐裝置，共3組6套，均布在閘門邊梁上。

圖2 主輪裝配圖

2.3 閘門充水閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖3 充水閥結(jié)構(gòu)圖 (全關(guān)狀態(tài))［5］

在閘門的上部設(shè)有一個(gè)充水閥門［5］，過水通道水平貫穿梁格。為減輕充水時(shí)的閥門振動(dòng)，閥門采用實(shí)習(xí)閘板結(jié)構(gòu)，由喇叭形進(jìn)水口、閥板、閥室、矩形出水口、止水裝置等組成，設(shè)計(jì)水頭70 m。喇叭形進(jìn)水口為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，外口直徑為410 mm，內(nèi)口直徑為350 mm，錐形管道過渡，進(jìn)水口長(zhǎng)316 mm。其后緊接閥室，閥室長(zhǎng)194 mm，在閥室上游側(cè)鋼板沿內(nèi)口邊沿布設(shè)定制的P35型橡膠止水，設(shè)計(jì)預(yù)壓縮量4 mm，在閥室上游兩側(cè)鋼板的中上部設(shè)有防止閥門起升振動(dòng)和限位的懸臂式導(dǎo)軌，在閥室下游兩側(cè)鋼板設(shè)有懸臂式支撐主軌，閥板布設(shè)位于閥室中，尺寸為530 mm×600 mm×150 mm(寬×高×厚)，為實(shí)心厚鋼板結(jié)構(gòu)，設(shè)有鋼滑塊支撐，無支撐滾輪裝置，閥板上部設(shè)有一組吊耳板，與液壓缸活塞桿連接，閥板下部底沿設(shè)計(jì)成向下游上挑30°的銳邊結(jié)構(gòu)，用以改善出水流態(tài)。在主軌的下游為充水閥的出口段，矩形結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)約440 mm。在閥板上游側(cè)四周還設(shè)置5 mm的倒角，以減輕對(duì)橡膠止水的損壞。充水閥的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

閘門充水閥的驅(qū)動(dòng)裝置為小型液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，主要由液壓泵、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件等組成［6］。油箱、油泵組、各控制閥等集合在一個(gè)可在水下工作的不銹鋼罐內(nèi)，構(gòu)成液壓泵站，液壓油選用耐低溫N32礦物基液壓油。

不銹鋼罐固定在閘門門頂，直徑500 mm，高約600 mm，由主罐體和上蓋組成，以法蘭連接，密封為帶有一道O型丁腈橡膠圈法蘭式結(jié)構(gòu)，罐體下部是油箱結(jié)構(gòu)，油體容積約為100 L，罐體中部為鋼隔板結(jié)構(gòu)，其上布置了電動(dòng)機(jī)油泵組、濾油器、溢流閥組、電磁換向閥、液控單向閥、球閥、壓力繼電器以及壓力表、部分管路等，內(nèi)部管路經(jīng)主罐罐壁與外部管路連接，在罐壁中上部設(shè)有液位觀察孔及接線盒，將罐內(nèi)的動(dòng)力電纜和信號(hào)電纜匯集成總電纜，經(jīng)專用電纜卷筒連接至位于閘門啟閉機(jī)室內(nèi)的PLC控制系統(tǒng)。電動(dòng)機(jī)功率1.1 kW，油泵選用柱塞泵，最大出口壓力可達(dá)32 MPa，溢流閥調(diào)整壓力設(shè)定為17.4 MPa，可保證有桿腔壓力控制在17.3 MPa，以三位四通電磁換向閥實(shí)現(xiàn)起升、停止、關(guān)閉3個(gè)運(yùn)行工況的油路更換。整個(gè)泵站元件布置十分緊湊而合理。液壓缸設(shè)置在閘門頂腹板支架上，活塞桿下端經(jīng)吊耳與閥板連接，在閘門頂設(shè)置了耐水壓性較強(qiáng)的磁致伸縮線性開度傳感器，同步監(jiān)測(cè)液壓缸活塞桿的線性伸縮運(yùn)行，即反映閥門的實(shí)際開度。此行程測(cè)量裝置不受水壓和有無水環(huán)境的干擾。液壓缸的直徑80 mm，活塞桿直徑50 mm，啟閉力40 kN，工作行程400 mm，啟閉速度不超過0.5 m/min。充水閥的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)原理，如圖4所示。

圖4 液壓系統(tǒng)原理圖

液壓系統(tǒng)還設(shè)置了一套鎖定推桿系統(tǒng)的液控系統(tǒng)，當(dāng)閘門經(jīng)過鎖定時(shí)，鎖定推桿系統(tǒng)依靠液壓缸活塞桿伸長(zhǎng)的動(dòng)力，能夠?qū)⒎迨芥i定的操控桿推至鎖定可靠打開的位置，保證鎖定裝置不卡阻閘門。

2.4 運(yùn)行方式的優(yōu)化設(shè)計(jì)

閘門優(yōu)化設(shè)計(jì)前的運(yùn)行方式為閘門和充水閥均由2×100 t固定卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)驅(qū)動(dòng)，只能聯(lián)動(dòng)不能獨(dú)立運(yùn)行，而且充水閥開關(guān)前均需要人工退穿吊耳銷軸。閘門起門操作流程為:退出吊耳銷軸——人員離開門頂——微啟卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)——開充水閥門后充水——平壓起門——檢修室閘門鎖定——配重箱結(jié)構(gòu)懸吊。閘門落門操作流程為穿入員耳銷軸——微落卷?yè)P(yáng)揚(yáng)啟閉機(jī)——檢修室退出閘門鎖定——落門。閘門不能在起升運(yùn)行中轉(zhuǎn)為落門工作狀態(tài)。

閘門優(yōu)化設(shè)計(jì)后的運(yùn)行方式為閘門和充水閥由各自獨(dú)立啟閉機(jī)分別驅(qū)動(dòng)，互不干擾，可并行操作。充水閥的開關(guān)可在閘門起升運(yùn)行中自主運(yùn)行，且不影響閘門起升運(yùn)行。如閘門在起門運(yùn)行中因故需作執(zhí)行落門操作時(shí)，可按需改變?？梢?，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的閘門及充水閥運(yùn)行方式較為靈活。

3 結(jié)束語(yǔ)

與改造前相比，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的事故閘門運(yùn)行安全可靠，能夠滿足“動(dòng)閉靜啟、充水靈活”的要求，優(yōu)化了閘門配重結(jié)構(gòu)布置，使閘門結(jié)構(gòu)其檢修、維護(hù)和運(yùn)行條件都有顯著提高。特別是優(yōu)化設(shè)計(jì)創(chuàng)造性地把可水下運(yùn)行的液壓?jiǎn)㈤]機(jī)作為閘門充水閥的驅(qū)動(dòng)裝置，改變了常規(guī)與閘門啟閉機(jī)的聯(lián)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立操作，提高了閘門運(yùn)行效率。

［1］ 王興隆，蘇河俊，劉忠躍．水下液控充水閥在高水頭平面閘門上的應(yīng)用［J］．東北電力技術(shù)，2011，32(7):19－21．

［2］ DL5039—1995，水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

［3］ 王興隆，楊傳文．尼爾基水利樞紐溢洪道金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］．東北水利水電，2010，28(9):6－7．

［4］ 宋 巖，徐 剛．應(yīng)用冷凍技術(shù)解決大直徑滑動(dòng)軸承安裝存在的問題［J］．東北電力技術(shù)，2005，26(7):31－33．

［5］ 王興?。乱嚎爻渌y的設(shè)計(jì)和應(yīng)用 ［J］．閥門，2011(5):6－7．

［6］ 姜繼海，宋錦春，高常識(shí)．液壓與氣壓傳動(dòng) ［M］．北京:高等教育出版社，2002．