南水北調(diào)中線京石段金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)回顧和總結(jié)

王遠(yuǎn)旺

（河北省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，天津300250）

1 概述

南水北調(diào)中線京石段應(yīng)急供水工程總干渠金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備分布在大型河渠交叉工程（包括倒虹吸、渡槽、暗渠）、隧洞工程和控制性工程（包括退水閘、分水閘）這三類建筑物中。其中檢修閘44座，節(jié)制閘13座，退水閘11座，分水閘13座，共81座。金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備共計(jì)門槽244孔，閘門195扇，啟閉機(jī)151臺(tái)，設(shè)備總重超過4000t。該工程已經(jīng)通過驗(yàn)收，并經(jīng)過輸水運(yùn)行，金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備運(yùn)行正常。

2 閘的類型、功能及金結(jié)設(shè)備的布置

2.1 類型

根據(jù)工程運(yùn)用和管理需要，本段總干渠上的閘分為檢修閘、節(jié)制閘、退水閘、分水閘4種類型。

2.2 功能

本段總干渠上的檢修閘功能是配合建筑物的檢修，倒虹吸出口的檢修閘還可以使其進(jìn)口保持一定的淹沒度；節(jié)制閘的功能是調(diào)節(jié)總干渠和建筑物進(jìn)口水位，控制總干渠輸水量，檢修建筑物，配合退水和分水；退水閘的功能是保證建筑物和渠道安全而退泄渠道內(nèi)水量；分水閘功能是為各地分水。

工作閘門用于實(shí)現(xiàn)上述各閘的基本功能；檢修閘門用于檢修工作閘門、門槽埋件及水工建筑物。

2.3 布置

本段總干渠上的檢修閘布置在建筑物的進(jìn)口、出口，倒虹吸進(jìn)口檢修閘和渡槽、暗渠、隧洞的進(jìn)、出口檢修閘均只設(shè)置檢修閘門；倒虹吸出口的檢修閘、節(jié)制閘、退水閘、分水閘均設(shè)置工作閘門和檢修閘門；除倒虹吸出口閘外，其余閘的檢修閘門均設(shè)置在工作閘門的上游。

節(jié)制閘的工作閘門、倒虹吸出口檢修閘的工作閘門均采用露頂式弧形閘門液壓啟閉機(jī)操作，一門一機(jī)布置；檢修閘、節(jié)制閘的檢修閘門均采用露頂式疊梁閘門，多孔設(shè)置1～2扇，采用1臺(tái)電動(dòng)葫蘆操作；退水閘、孔口尺寸較大分水閘的工作閘門和檢修閘門均采用平面滾輪閘門卷揚(yáng)啟閉機(jī)操作，一門一機(jī)布置；孔口尺寸較小的分水閘的工作閘門均采用鑄鐵閘門手電兩用螺桿式啟閉機(jī)操作，一門一機(jī)布置。

3 閘門、啟閉機(jī)的設(shè)計(jì)與選型

3.1 弧形工作閘門及液壓啟閉機(jī)

3.1.1 弧形工作閘門

總干渠上節(jié)制閘的工作閘門、倒虹吸出口檢修閘的工作閘門均采用露頂式弧形閘門?；⌒伍l門均采用雙主橫梁、斜支臂結(jié)構(gòu)，支鉸采用圓柱鉸支承，軸承采用滑動(dòng)軸承，軸套材料為鋼基聚甲醛復(fù)合材料，軸套自帶密封。倒虹吸出口弧形閘門的設(shè)計(jì)水位采用倒虹吸出口閘的加大水位和進(jìn)口閘的設(shè)計(jì)水位兩者的較大值。其他部位的弧形閘門設(shè)計(jì)水位采用相應(yīng)處的加大水位?；￠T支鉸鉸軸高度高于加大水位0.5m。

為保證工作閘門冬季的正常運(yùn)行，防止弧形閘門與門槽兩側(cè)埋件凍結(jié)，影響閘門啟閉，弧門兩側(cè)埋件中設(shè)有熱油循環(huán)用的加熱空腔和管路。加熱范圍為設(shè)計(jì)水位至加大水位之間，并上下各留一定的余量。如圖1所示。

加熱空腔分左右2個(gè)腔，1個(gè)腔進(jìn)油，1個(gè)腔回油，空腔和管路均采用不銹鋼材料。內(nèi)部封閉熱油腔焊接完畢，并與油管焊接為一體，密封焊縫經(jīng)超聲波探傷檢驗(yàn)合格后，對其內(nèi)部空腔和油管進(jìn)行打壓試驗(yàn)。加熱空腔周邊設(shè)保溫腔，主保溫材料選用巖棉板多層平鋪或立鋪，以巖棉（散）作為縫隙填充。

表1 巖棉保溫材料的主要技術(shù)指標(biāo)

3.1.2 液壓啟閉機(jī)

弧形工作閘門采用后拉式液壓啟閉機(jī)操作，容量2×200kN～2×400kN，布置為一門一機(jī)，多臺(tái)啟閉機(jī)共用一個(gè)液壓站。液壓站設(shè)置兩套電機(jī)泵組，一套工作，一套備用，油泵采用軸向柱塞泵。管路和油箱采用不銹鋼材料。每支液壓缸設(shè)置一套內(nèi)置式行程檢測裝置，用于閘門開度顯示和雙缸同步控制，在閘門啟閉過程中，閘門行程檢測裝置全程連續(xù)檢測兩只液壓缸的行程偏差，當(dāng)偏差值大于10mm時(shí)，自動(dòng)調(diào)整比例調(diào)速閥進(jìn)出流量實(shí)現(xiàn)同步糾偏，當(dāng)雙缸同步偏差值不超過5mm時(shí)糾偏調(diào)節(jié)停止?；⌒伍l門操作方式為動(dòng)水啟閉。

3.1.3 檢修設(shè)備

為檢修弧形閘門和液壓啟閉機(jī)的液壓缸，在閘門室內(nèi)設(shè)置1臺(tái)LX型電動(dòng)單梁懸掛起重機(jī)，容量50kN，揚(yáng)程18m。起升速度雙速，可進(jìn)行有線控制及遙控器無線控制。

3.2 疊梁檢修閘門及電動(dòng)葫蘆

3.2.1 疊梁檢修閘門

檢修閘、節(jié)制閘的檢修閘門均采用露頂式疊梁閘門，單節(jié)高度1.8～3m，布置2～3根主梁。各節(jié)閘門可以互換使用。閘門節(jié)間設(shè)置定位桿和定位套。閘門采用滑塊支承，滑塊材料為鋼基聚甲醛復(fù)合材料，每節(jié)閘門安裝4個(gè)。疊梁閘門平時(shí)存放在閘室旁的門庫內(nèi)。疊梁檢修閘門操作方式為靜水啟閉，平壓方式為節(jié)間充水平壓。

3.2.2 電動(dòng)葫蘆疊梁檢修閘門均采用單電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)移動(dòng)式電動(dòng)葫蘆操作，多門一機(jī)，容量為2×100kN，揚(yáng)程8～12m，起升速度為雙速3.5/0.35m/min，起升電機(jī)功率13/1.5kW（接電持續(xù)率25%）。電動(dòng)葫蘆設(shè)有上、下極限限位裝置和超載限制器。電動(dòng)葫蘆采用工字型軌道，軌道型號(hào)I56a。電動(dòng)葫蘆通過機(jī)械式自動(dòng)掛脫梁起吊疊梁檢修閘門。

3.3 平面滾輪閘門及固定卷揚(yáng)啟閉機(jī)

退水閘、孔口尺寸較大分水閘的工作閘門和檢修閘門均采用平面滾輪閘門，懸臂輪支承，滾輪軸套采用鋼基聚甲醛復(fù)合材料或工程塑料合金。當(dāng)外渠洪水位高于總干渠設(shè)計(jì)水位時(shí)，工作閘門按雙向擋水設(shè)計(jì)。工作閘門的操作方式為動(dòng)水啟閉，檢修閘門的操作方式為動(dòng)閉靜啟，平壓方式為小開度提門充水平壓。檢修閘門平時(shí)鎖定在閘墩上的檢修平臺(tái)上。啟閉機(jī)均采用固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)，一門一機(jī)，啟閉機(jī)裝設(shè)閘門開度儀和銷軸式荷載限制器。

3.4 鑄鐵閘門及螺桿啟閉機(jī)

孔口尺寸較小的分水閘，工作閘門均采用鑄鐵閘門，啟閉機(jī)均采用手電兩用螺桿式啟閉機(jī)，一門一機(jī)布置。預(yù)留檢修門槽，不設(shè)檢修閘門。

4 設(shè)計(jì)總結(jié)

4.1 多孔弧形閘門的同步和閉門速度控制

倒虹吸出口檢修閘、節(jié)制閘均為2～3孔，設(shè)置2～3扇弧形工作閘門，一門一機(jī)布置，多孔設(shè)一個(gè)液壓站。運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)多孔閘門在啟閉過程中同步很困難，調(diào)試好的各閘門間開度相差不到20cm，有的相差較大，主要原因?yàn)楦鏖l門和埋件的制造、安裝偏差各不相同，各閘門啟閉過程中的阻力各不相同；液壓站到各支油缸的管路長度各不相同，壓力損失也不相同，導(dǎo)致各閘門間啟閉過程中出現(xiàn)不同步現(xiàn)象。當(dāng)啟閉過程出現(xiàn)各閘門間開度相差較大時(shí)，可以采用分別操作各閘門的方法使各閘門基本同步。本項(xiàng)目對閘門間同步也沒有較高的要求，只是要求各閘門能夠同時(shí)進(jìn)行啟閉，也能夠單獨(dú)進(jìn)行啟閉。對要求多個(gè)閘門同時(shí)啟閉且對各閘門開度同步性要求較高的，建議每孔閘門設(shè)一個(gè)液壓站。

液壓啟閉機(jī)啟門時(shí)活塞速度0.2～0.6m/min，閉門時(shí)活塞速度0.3～0.5m/min。本段液壓啟閉機(jī)大部分安裝在倒虹吸的出口閘，在驗(yàn)收時(shí)，閘門在動(dòng)水關(guān)閉，發(fā)現(xiàn)門頂溢流。原因?yàn)殚l門在動(dòng)水中關(guān)閉，水流速度在較短的時(shí)間內(nèi)變?yōu)榱?，水的?dòng)能轉(zhuǎn)變成勢能，門前水位升高超過門頂所致。建議倒虹吸出口弧門控制閉門速度或在閉門過程中停止一段時(shí)間再繼續(xù)閉門，可以避免門頂溢流。

4.2 熱油融冰設(shè)備的設(shè)置

本段所有弧形閘門埋件均預(yù)留有加熱空腔，部分閘安裝了電加熱油融冰設(shè)備。弧形閘門大部分安裝在倒虹吸的出口閘，冬季運(yùn)行時(shí)，水從倒虹吸出口出來，一般不會(huì)結(jié)冰，倒虹吸出口閘為封閉的啟閉機(jī)室，也有一定的保溫作用，熱油設(shè)備至今尚未投入使用。

本段弧形閘門埋件設(shè)置空腔，采用電加熱油設(shè)備，通過熱油循環(huán)加熱，使閘門和埋件不致結(jié)冰凍結(jié)在一起，影響閘門啟閉。

該方案能夠解決閘門和埋件凍結(jié)問題，但如果出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，整個(gè)閘門的門葉、支臂和液壓啟閉機(jī)的液壓缸都會(huì)出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象，閘門的啟閉也會(huì)很困難。熱油設(shè)備需根據(jù)各工程的實(shí)際運(yùn)行條件（包括安裝位置、環(huán)境溫度、閘門處水溫、有無保溫措施、閘門型式、啟閉機(jī)型式、門后水位等）論證設(shè)置的必要性。

4.3 排冰設(shè)施

京石段未設(shè)置專用的排冰閘和排冰閘門，必要時(shí)可以采用退水閘排冰。退水閘的工作閘門均為平面直升式，要全開后才能排冰，水位較高時(shí)會(huì)造成水資源浪費(fèi)。排冰閘門可以有多種門型進(jìn)行比較選擇，如臥倒閘門、下沉式閘門、舌瓣閘門等，排冰過程中均能有效減少水資源的浪費(fèi)。南水北調(diào)中線邢石段正在進(jìn)行施工，該段設(shè)置有2座排冰閘，經(jīng)比選，最終選擇了底軸驅(qū)動(dòng)臥倒閘門作為排冰閘門。

4.4 檢修閘門的配置

檢修閘、節(jié)制閘的檢修閘門均按建筑物進(jìn)行配置，每座閘均設(shè)置了檢修閘門和啟閉機(jī)，管理運(yùn)用較方便，也加大了工程投資和以后的管理運(yùn)行成本。對于長距離輸水項(xiàng)目，一般要設(shè)置多座閘來實(shí)現(xiàn)輸水、退水、分水和檢修功能，這就需要設(shè)置較多的檢修閘門。如果在前期設(shè)計(jì)階段將孔口寬度盡量做到標(biāo)準(zhǔn)化，在使用條件允許的條件下，多座建筑物合理配置一定數(shù)量的檢修閘門共用，值得設(shè)計(jì)人員考慮。

4.5 埋件的材料

京石段弧形閘門埋件外露表面均為不銹鋼材料，其他閘門的埋件外露表面（除止水座板和滑塊摩擦面外）均為Q235B。埋件部位投資相對較小，且容易銹蝕，檢修維護(hù)困難，從長遠(yuǎn)考慮，有條件時(shí)建議外露表面采用不銹鋼板或復(fù)合不銹鋼板。在南水北調(diào)中線后續(xù)的項(xiàng)目中，鋼閘門埋件外露表面采用不銹鋼板或復(fù)合不銹鋼板被推廣使用。

［1］SL74—95，水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］SL41—93，水利水電工程啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］楊逢堯，魏文偉.水工金屬結(jié)構(gòu)［M］.北京：中國水利水電出版社，2005.

［4］河北省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院.南水北調(diào)中線京石段應(yīng)急供水工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.2004.