閘門水下安裝運(yùn)載及起重設(shè)備的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

曾 文， 范如谷， 徐紅剛， 郜仕宏

(中國(guó)水利水電夾江水工機(jī)械有限公司，四川夾江 614100)

閘門水下安裝運(yùn)載及起重設(shè)備的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

曾 文， 范如谷， 徐紅剛， 郜仕宏

(中國(guó)水利水電夾江水工機(jī)械有限公司，四川夾江 614100)

內(nèi)陸水庫(kù)水下安裝的限制條件很多，具有較多的不確定性和特殊性。針對(duì)閘門水下安裝過(guò)程中運(yùn)輸、起重及深潛(119 m)等作業(yè)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了滿足安裝要求的水上平臺(tái)和高揚(yáng)程起重設(shè)備，實(shí)際應(yīng)用情況良好。

水下安裝；閘門；浮箱；高揚(yáng)程；起重；設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1 概述

塔貝拉水利樞紐(Tarbela Project)位于巴基斯坦內(nèi)陸地區(qū)，最大壩高143m，壩頂長(zhǎng)2 743m，是世界上已建填筑量最大的土石壩。工程于1968年開工，1976年正式蓄水發(fā)電。塔貝拉第四期工程是對(duì)現(xiàn)有水電站進(jìn)行再次擴(kuò)建，主要工作是將現(xiàn)有的4號(hào)灌溉隧洞改為引水發(fā)電洞，新建取水口和發(fā)電廠，擴(kuò)建后裝機(jī)容量將增加1 410 MW。

工程施工要求用疊梁閘門封堵現(xiàn)有的4號(hào)隧洞取水口，該取水口位于大壩右岸側(cè)的庫(kù)區(qū)水域中間，距岸邊最近距離約200 m，周邊均為陡坡(圖1)。以正常蓄水水位計(jì)算，閘門槽頂部平臺(tái)位于庫(kù)區(qū)水面以下90．44 m，底檻位于水面以下約119 m處。4號(hào)隧洞取水口安裝的閘門數(shù)量為2套，每套4節(jié)，單套重量為108 t，單節(jié)最大重量為32 t。由于該工程處于內(nèi)陸地區(qū)，庫(kù)區(qū)僅有小型漁船，沒有適合閘門運(yùn)載安裝的大型運(yùn)輸船舶及起重設(shè)備，故須專門針對(duì)閘門水面運(yùn)載和深水水下安裝設(shè)計(jì)運(yùn)輸平臺(tái)和起重設(shè)備。

該閘門單節(jié)最大尺寸(頂節(jié)門葉):5．855 m (寬)×4．242 m(高)×1．248 m(厚)。

2 總體方案選擇

(1)主要安裝流程。

疊梁閘門水下安裝主要工藝流程:

閘門運(yùn)輸?shù)酱a頭 →閘門裝上水上平臺(tái)→拖運(yùn)水上平臺(tái)到門槽上方→用全站儀+GPS定位→液壓抓梁吊起第一節(jié)閘門→下放閘門到接近門槽平臺(tái)頂部→潛水員確定位置→潛水員引導(dǎo)下，閘 門下放進(jìn)入門槽 —→繼續(xù)下放閘門到底檻 —→脫開液壓抓梁并將其提升到水上平臺(tái)—→潛水員檢查確認(rèn)一→重復(fù)進(jìn)行下一節(jié)閘門的安裝。

圖1 4號(hào)隧洞取水口位置示意圖

水面安裝平臺(tái)及起重設(shè)備根據(jù)安裝工藝流程和運(yùn)輸?shù)葪l件確定。

(2)起重方案的選擇。

根據(jù)閘門單節(jié)最大重量為32 t，考慮到門槽內(nèi)的起吊阻力及少量泥沙淤積等因素，確定起重容量為45 t；鑒于閘門底檻距水面約119 m，考慮到單節(jié)閘門高度、抓梁高度及富裕揚(yáng)程，最終確定總揚(yáng)程為125 m。

鑒于庫(kù)區(qū)沒有大型運(yùn)輸船舶，經(jīng)綜合分析考慮到簡(jiǎn)易碼頭距安裝點(diǎn)約有5 000 m的水路運(yùn)輸、且一套閘門為4節(jié)、水運(yùn)時(shí)間對(duì)安裝影響較大及定位一次宜完成一套閘門安裝等因素，提出了閘門起吊的三種方案:①履帶起重機(jī)方案；②移動(dòng)門式起重機(jī)方案；③固定門式起重機(jī)+移動(dòng)臺(tái)車 方案。各方案比較情況見表1。

表1 閘門起吊方案比較表

經(jīng)分析比較，最終確定采用“固定門式起重機(jī)+移動(dòng)臺(tái)車方案”，其主要技術(shù)參數(shù)為:起重容量45 t，揚(yáng)程125 m，起升速度(變頻調(diào)速)為0～2．5 m/min，移動(dòng)臺(tái)車承載能力為32 t，運(yùn)行速度為5 m/min。

經(jīng)調(diào)查，當(dāng)?shù)乜勺庥玫?50 t履帶起重機(jī)和120 t汽車起重機(jī)。

(3)水上平臺(tái)方案。

水上平臺(tái)應(yīng)能布置高揚(yáng)程固定門式起重機(jī)、深潛保障服務(wù)系統(tǒng)、移動(dòng)臺(tái)車和軌道、柴油發(fā)電機(jī)、空壓機(jī)及錨泊設(shè)備等，具備運(yùn)載一套4節(jié)閘門(108 t)的能力，初步估算，水上平臺(tái)上的載荷約為115 t，考慮一定的裕度和不確定因素，額定承載能力不小于160 t。

根據(jù)工期要求及陸地運(yùn)輸限制，水上平臺(tái)采用多個(gè)浮箱構(gòu)建，單個(gè)浮箱尺寸為12 m(長(zhǎng))×3 m(寬)×1．5 m(高)，浮箱體為用鋼板焊接的密閉箱形結(jié)構(gòu)，箱體相互連接的側(cè)面均有連接接頭。由于要將閘門吊到水面以下，需要在水上平臺(tái)中間留出開口，開口尺寸應(yīng)滿足閘門吊裝需要，即水上平臺(tái)方案為:采用多個(gè)浮箱平臺(tái)組合，額定載重不小于160 t，平臺(tái)中間留安裝吊物孔，平臺(tái)能夠適應(yīng)庫(kù)區(qū)氣候環(huán)境(內(nèi)陸水庫(kù))，面積能滿足設(shè)備布置需要。

3 水上平臺(tái)的設(shè)計(jì)

水上平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)由14個(gè)浮箱模塊組成，按三列五行排列，主尺寸為36 m×15 m×1．5 m，考慮到在其中間留安裝吊物孔，則平臺(tái)中間部位無(wú)浮箱。單個(gè)浮箱重約11．5 t，浮箱體為船用鋼板焊接的密閉箱形結(jié)構(gòu)，箱體相互連接的側(cè)面設(shè)置有連接接頭，浮箱情況見圖2。

浮箱最大允許吃水深度為1 200 mm，單個(gè)浮箱排水量約為4

3．2 t，14個(gè)浮箱合計(jì)滿載排水量為604．8 t。14個(gè)浮箱自重為161 t，固定門式起重機(jī)、移動(dòng)臺(tái)車、發(fā)電機(jī)及錨鏈機(jī)等設(shè)備重量約為110 t，合計(jì)重量約為271 t。604．8 t－271 t=334．8(t)，即水上平臺(tái)允許載重量為334．8 t，滿足額定承載能力不小于160 t的要求。

當(dāng)?shù)乜勺庥闷嚻鹬貦C(jī)容量為120 t，根據(jù)閘門重量和汽車起重機(jī)起重能力曲線，汽車起重機(jī)可將閘門吊裝到水上平臺(tái)的端部，為此，移動(dòng)臺(tái)車軌道需布置到平臺(tái)的一端，以滿足將閘門吊裝到水上平臺(tái)上的要求。

圖2 浮箱示意圖

水上平臺(tái)需要在安裝位置進(jìn)行定位錨泊并方便調(diào)整，故在平臺(tái)上配置了4個(gè)1 t海軍錨，4個(gè)角上各布置了一臺(tái)拉力為5 t的電動(dòng)絞纜機(jī)。供電系統(tǒng)由柴油發(fā)電機(jī)及配電箱組成，容量為108 kW，該容量考慮了起重設(shè)備、移動(dòng)臺(tái)車、電動(dòng)絞纜機(jī)、水泵、照明及潛水作業(yè)供電(潛水鐘及潛水加熱系統(tǒng)等)。平臺(tái)上的空壓機(jī)采用柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)，可降低發(fā)電機(jī)容量。為保證潛水和安裝作業(yè)的安全，發(fā)電機(jī)配置了兩臺(tái)，一臺(tái)使用，另一臺(tái)備用。水上平臺(tái)總體布置情況見圖3。

水上平臺(tái)及設(shè)備組裝。按120 t汽車起重機(jī)起重能力曲線、單個(gè)浮箱重量(約11．5 t)及浮箱尺寸等條件，水上平臺(tái)采用浮箱吊到靠岸邊的水中，系住水中浮箱后外推，再吊下一浮箱并組合，按該流程重復(fù)完成水上平臺(tái)的組裝。在水上平臺(tái)設(shè)備組裝中，固定門機(jī)門架位于平臺(tái)中間位置，吊裝半徑最大，經(jīng)復(fù)核，起重機(jī)容量滿足組裝要求，其余設(shè)備均可采用調(diào)整浮箱位置的方式進(jìn)行安裝。浮箱節(jié)間的連接強(qiáng)度、浮箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及水上平臺(tái)整體穩(wěn)定性等由專業(yè)單位校核，校核結(jié)論為符合安全要求。

圖3 水上平臺(tái)總體布置圖

4 起重設(shè)備及移動(dòng)臺(tái)車的設(shè)計(jì)

(1)起重設(shè)備的設(shè)計(jì)。

水上平臺(tái)上的起重設(shè)備為起重容量45 t、揚(yáng)程125 m、起升速度(變頻調(diào)速)為0～2．5 m/min的固定門式起重機(jī)。

為有效控制鋼絲繩多層繞返回偏角、降低設(shè)備重心及操作維護(hù)方便，起升機(jī)構(gòu)采用閉式傳動(dòng)，布置在門架底部(機(jī)架與下橫梁焊接為一體)。由于揚(yáng)程達(dá)到了125 m，鋼絲繩在卷筒上需8層繞。為使鋼絲繩在卷筒上整齊纏繞，必須嚴(yán)格控制鋼絲繩的返回偏角。因此，卷筒采用折線繩槽，并設(shè)置了導(dǎo)向滑輪組。鋼絲繩的返回偏角均為1．34°，從而保證了鋼絲繩在卷筒上整齊纏繞。為有效的減小浮箱的局部荷載，設(shè)計(jì)時(shí)控制了門腿下端的間距(6 000 mm)，門機(jī)設(shè)計(jì)了較長(zhǎng)的下橫梁(8 000 mm)，且下橫梁整體分多點(diǎn)固定在浮箱上。門架均采用工字梁結(jié)構(gòu)，重約1

2．4 t(圖4)。

閘門水下安裝時(shí)不確定因素較多，起重操作人員無(wú)法觀察到吊物和鋼絲繩狀態(tài)，且因潛水員反饋的位置和距離信息滯后，潛水員深水作業(yè)有效時(shí)間短(15～25 min)，因此而造成進(jìn)入門槽作業(yè)的要求精度高，包括受水浮力和水下固定等因素影響，潛水員水下調(diào)整的力量和幅度有限。針對(duì)這些特殊情況，起升機(jī)構(gòu)控制采用了變頻調(diào)速，速度為0～2．5 m/min，全行程往返時(shí)間約100 min，可滿足安裝強(qiáng)度的要求；在接近門槽平臺(tái)和門槽內(nèi)，可采用低速下放和起升。起重機(jī)選用了精度較高的荷重傳感裝置，結(jié)合高程數(shù)據(jù)，下降出現(xiàn)“荷重不正常減少”可做出未準(zhǔn)確入門槽、門槽內(nèi)卡阻等判斷；起升“荷重超載”可做出門槽內(nèi)卡阻的判斷。起升機(jī)構(gòu)設(shè)置了高度顯示裝置，安裝過(guò)程中根據(jù)當(dāng)前水位、門槽平臺(tái)高程及底檻高程可做出“接近門槽平臺(tái)”、“接近底檻”及“已出門槽”等判斷，以減輕潛水作業(yè)的壓力。起升機(jī)構(gòu)鋼絲繩在卷筒上緾繞了8層，高度顯示裝置按每

一層的緾繞半徑不同進(jìn)行了計(jì)算修正。

圖4 固定門式起重機(jī)總圖

卷筒裝置采用雙聯(lián)焊接卷筒，卷筒繩槽底部直徑為850 mm，鋼絲繩直徑為22 mm，單邊完整繩槽圈數(shù)為22圈。卷筒采用短軸型式，其中一端卷筒軸經(jīng)滾動(dòng)軸承支承于軸承座上，另一端通過(guò)能傳遞扭矩的卷筒聯(lián)軸器與減速器低速軸相連，以可靠消除卷筒的安裝誤差和重載變形。卷筒為折線繩槽，鋼絲繩端頭用壓板螺栓固定在卷筒的中部，鋼絲繩的纏繞方式為雙聯(lián)折線8層纏繞。為便于層間順利過(guò)渡，在過(guò)渡處設(shè)有過(guò)渡墊環(huán)，通過(guò)優(yōu)化卷筒結(jié)構(gòu)和導(dǎo)向滑輪布置，嚴(yán)格控制層間返回偏角(均為1．34°)，以保證鋼絲繩纏繞整齊。在卷筒軸上裝有1套起升高度限制傳感器(圖5)。

(2)移動(dòng)臺(tái)車的設(shè)計(jì)。

閘門單節(jié)最大重量為32 t，按最大重量設(shè)計(jì)移動(dòng)臺(tái)車容量。移動(dòng)臺(tái)車承載能力為32 t，運(yùn)行速度為5 m/min，軌距4 m，由2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪(共4個(gè)車輪組)帶動(dòng)臺(tái)車行走。外形尺寸為4．5 m(長(zhǎng)) ×1．9 m(寬)×0．65 m(高)，單臺(tái)重約6．5 t。

圖5 卷筒裝置總圖

為了與本工程另一安裝工作共用，在臺(tái)車使用時(shí)運(yùn)行方向需調(diào)整90°，軌距為1．47 m，為無(wú)動(dòng)力臺(tái)車。故臺(tái)車設(shè)置了兩套車輪組(驅(qū)動(dòng)輪組與無(wú)動(dòng)力輪組，兩套車輪組成90°布置)，當(dāng)用于運(yùn)輸閘門時(shí)采用驅(qū)動(dòng)輪組工作時(shí)，車體下方的無(wú)動(dòng)力輪組需拆除；當(dāng)用于安裝工作時(shí)，把無(wú)動(dòng)力輪組安裝上去，驅(qū)動(dòng)輪組的輪子不動(dòng)(圖6)。

5 應(yīng)用情況

圖6 移動(dòng)臺(tái)車總圖

在4號(hào)隧洞取水口閘門安裝中，水上平臺(tái)在定位系統(tǒng)的指引下，通過(guò)調(diào)整錨泊系統(tǒng)，將其移動(dòng)至閘門門槽上方水域，定位精度控制到厘米級(jí)別，固定門式起重機(jī)吊起液壓抓梁，將承載門葉的電動(dòng)平車移動(dòng)至門機(jī)吊點(diǎn)下放，用液壓抓梁提起閘門，然后下放，在下放過(guò)程中，通過(guò)觀察荷重顯示值和高度顯示值，準(zhǔn)確掌握閘門在水下下放過(guò)程中的狀態(tài)，當(dāng)門葉下放至閘門門槽孔口時(shí)，潛水員下水觀察閘門與門槽的相對(duì)位置后進(jìn)行調(diào)整，從而使閘門順利進(jìn)入門槽，閘門在門槽中繼續(xù)下放，繼續(xù)通過(guò)觀察門機(jī)的荷重顯示和高度顯示及時(shí)發(fā)現(xiàn)和避免閘門在門槽中出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象，使閘門順利接近安裝位置，此時(shí)，通過(guò)設(shè)置在液壓抓梁上的光電信號(hào)系統(tǒng)確認(rèn)閘門已經(jīng)安裝到位，打開液壓抓梁，再次通過(guò)液壓抓梁上設(shè)置的光電信號(hào)系統(tǒng)確認(rèn)液壓抓梁已打開到位，提起液壓抓梁，全程繼續(xù)使用固定門式起重機(jī)監(jiān)控液壓抓梁順利提出門槽至水面，重復(fù)上述過(guò)程，完成其余閘門的安裝。2014年12月，順利完成了兩套、共8節(jié)閘門的水下安裝任務(wù)，經(jīng)過(guò)潛水員水下檢測(cè)，各節(jié)閘門之間的錯(cuò)位不大于2 mm，排干閘門下游側(cè)隧洞內(nèi)的水，經(jīng)過(guò)檢測(cè)得知:兩套閘門的總泄漏量大大低于工程要求，4號(hào)隧洞實(shí)現(xiàn)封堵。

6 結(jié)語(yǔ)

考慮到內(nèi)陸水庫(kù)受運(yùn)輸條件的限制、閘門水下安裝的特殊要求和不確定因素，設(shè)計(jì)制造了水上平臺(tái)和起重設(shè)備，該平臺(tái)及起重設(shè)備的功能較為完善，技術(shù)指標(biāo)和參數(shù)合理，能夠滿足閘門水下安裝的要求，可為同類型閘門水下安裝提供參考。

［1］ 水電水利工程鋼閘門制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范，DL/T 5018－2004［S］．

［2］ 水電水利工程啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范，DL/T 5167－2002［S］．

［3］ 張質(zhì)文，虞和謙，等．起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，1998．

(責(zé)任編輯:李燕輝)

TV53+2;TV547．1;TV22

B

1001-2184(2015)05-0107-05

曾 文(1963-)，男，四川南溪人，副總經(jīng)理，高級(jí)工程師，碩士，從事水工金屬結(jié)構(gòu)及啟閉起重設(shè)備制造安裝技術(shù)與管理工作；

范如谷(1982-)，男，四川金堂人，工程師，學(xué)士，從事水工金屬結(jié)構(gòu)及啟閉起重設(shè)備制造設(shè)計(jì)工作；

徐紅剛(1976-)，男，四川成都人，項(xiàng)目副經(jīng)理，助理工程師，從事水工金屬結(jié)構(gòu)及啟閉起重設(shè)備制造安裝技術(shù)與管理工作；

郜時(shí)宏(1967-)，男，河南新鄉(xiāng)人，項(xiàng)目經(jīng)理，工程師，從事水工金屬結(jié)構(gòu)及啟閉起重設(shè)備制造安裝技術(shù)與管理工作．

2015-05-08