閘門啟閉機(jī)設(shè)計(jì)方案復(fù)核

宋建華

(內(nèi)蒙古綽勒水利水電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

閘門及啟閉設(shè)備是水利工程中不可或缺的重要水工機(jī)械，可根據(jù)需要進(jìn)行擋水、泄水操作，其運(yùn)行狀態(tài)關(guān)乎整個(gè)工程的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]。閘門及啟閉機(jī)應(yīng)滿足起重機(jī)械技術(shù)、防腐防凍，配電配置合理等要求[2]。全方位對(duì)閘門和啟閉設(shè)備各生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)控，在生產(chǎn)中復(fù)核閘門啟閉機(jī)設(shè)計(jì)方案的合理性，根據(jù)圖紙及技術(shù)特性要求，對(duì)閘門啟閉機(jī)啟閉力進(jìn)行驗(yàn)算，以驗(yàn)算結(jié)果反饋設(shè)計(jì)方案[3]。閘門應(yīng)嚴(yán)格保證設(shè)計(jì)要求的孔口、門槽尺寸、垂直度和平整度，啟閉機(jī)的啟閉力符合現(xiàn)行規(guī)范要求[4-5]。由于鋼結(jié)構(gòu)閘門長期浸泡水中易受腐蝕，顯著降低了鋼閘門的承載能力，嚴(yán)重影響工程安全性，需對(duì)其進(jìn)行專門防腐保護(hù)，而鋼結(jié)構(gòu)水閘門較成熟的防腐方法是涂料防腐與噴涂防腐[6-8]。閘門及啟閉機(jī)運(yùn)行過程中，通過合理可靠的供配電系統(tǒng)對(duì)整個(gè)閘門及啟閉設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行保護(hù)、監(jiān)視和控制[9]。

1 供水工程基本情況

1.1 工程由來

興安盟經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)位于烏蘭浩特市區(qū)東南部，烏蘭浩特市總面積865.15km2，總?cè)丝?8.7萬人，是全盟政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心。但烏蘭浩特市是自治區(qū)嚴(yán)重缺水城市之一，水資源的短缺成為制約地區(qū)經(jīng)濟(jì)和工業(yè)發(fā)展的主要因素，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，對(duì)水資源的需求越來越迫切。因此，建設(shè)興安盟經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)工業(yè)供水工程，合理配置洮兒河豐富的水利資源，保證工業(yè)園區(qū)的正常運(yùn)行是非常迫切和必要的。

1.2 工程布置

供水工程凈水廠設(shè)計(jì)供水規(guī)模為：近期10萬m3/d、遠(yuǎn)期20萬m3/d。建筑物包括新建出口檢修閘門井、重建工作閘門室及消能段。供水工程分為改建工程和新建工程。其中，改建工程為輸水洞工作閘門及啟閉機(jī)，檢修閘門孔口尺寸為4.0m×5.0m(高×寬)，閘底板高程335.5m，設(shè)平板鋼閘門兩扇，采用卷揚(yáng)啟閉機(jī)啟閉。新建工程為輸水洞出口事故閘門及啟閉機(jī)，閘門為弧形閘門，采用液壓?jiǎn)㈤]機(jī)啟閉，閘室段寬9.0m，長16.0m，閘底板高程335.5m。消能段長19.0m，采用挑流消能，挑角21°，半徑24m，鼻坎高程335.7m。

2 閘門及啟閉機(jī)設(shè)計(jì)方案復(fù)核

2.1 輸水洞工作閘門及啟閉機(jī)

2.1.1技術(shù)特性

輸水洞正常蓄水位365.4m，設(shè)計(jì)水位366.5m，閘門啟閉機(jī)為弧門卷揚(yáng)啟閉機(jī)，閘門配重40T。根據(jù)水工布置方案，需改建輸水洞出口，將弧門閘室后移，取水時(shí)將弧形工作閘門關(guān)閉，封閉輸水洞出口使水進(jìn)入取水管道。閘門型式：潛孔式弧形鋼閘門，孔口數(shù)量為1孔，閘門尺寸為5.0m×4.0m(寬×高)，底坎高程335.5m，設(shè)計(jì)水頭31.0m，支鉸高度5.2m，弧面板半徑R=7.2m，運(yùn)行條件為動(dòng)水啟閉，閘門重量38.0t/扇，埋件重量6.0t/孔，啟閉設(shè)備為弧門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，啟閉機(jī)容量QHSY-2×630KN/2×150KN。

2.1.2啟閉力復(fù)核

根據(jù)SL 74—2019《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄D，閘門總靜水壓力上游水平分力計(jì)算：

(1)

式中，PS—上游水平分力，kN；γ—水的容重，取10kN/m3；HS—上游水頭，m；HX—下游水頭，m；h—閘門高度(計(jì)算到頂止水)，m；B—孔口寬度，m。

根據(jù)式(1)計(jì)算得出，PS為5800kN。

上游垂直分力采用式(2)計(jì)算：

(2)

式中，VS—上游垂直分力，kN；R—弧門面板曲率直徑，m；φ—閘門底緣的上游傾角。

根據(jù)式(2)計(jì)算得出，VS為2818.8kN。

總靜水壓力計(jì)算：

(3)

閘門總動(dòng)水壓力計(jì)算：

Pj=1.1P

(4)

式(4)計(jì)算得出，Pj為7093.8kN，其中1.1為動(dòng)水系數(shù)。

根據(jù)SL 74—2019啟閉力計(jì)算章節(jié)，閘門閉門力計(jì)算：

(5)

式中,FW—閉門力，kN；nT—摩擦阻力安全系數(shù)；Tzd—支撐摩阻力，kN；Tzs—止水摩阻力，kN；Pt—上托力，kN；r3—上托力對(duì)弧形閘門轉(zhuǎn)動(dòng)中心的力臂，m；ng—計(jì)算閉門力用的閘門自身修正系數(shù)，kN；G—閘門自重，kN；r2—閘門自重對(duì)弧形閘門轉(zhuǎn)動(dòng)中心的力臂，m。

經(jīng)計(jì)算，閘門閉門力FW為220.0kN。

閘門啟門力計(jì)算：

(6)

式中,FQ—啟門力，kN；R2—啟門力對(duì)弧形閘門轉(zhuǎn)動(dòng)中心的力臂，m；n′g—自重修正系數(shù)；r2—閘門自重對(duì)弧形閘門轉(zhuǎn)動(dòng)中心的力臂，m；Gj—加重塊重量，kN；R1—加重對(duì)弧形閘門轉(zhuǎn)動(dòng)中心的力臂，m；PX—下吸力，kN；R4—下吸力對(duì)弧形閘門轉(zhuǎn)動(dòng)中心的力臂，m。

經(jīng)計(jì)算，得出閘門啟門力FQ為902.0kN，表明閘門不能完全依靠自重閉門，因此，需加下壓力。

2.2 輸水洞出口事故閘門及啟閉機(jī)

2.2.1技術(shù)特性

輸水洞正常蓄水位365.40m，設(shè)計(jì)水位366.5m，校核洪水位367.61m，閘底板高程335.5m，根據(jù)水工總體布置方案，并考慮應(yīng)對(duì)工作閘門發(fā)生事故或檢修，初步確定在輸水洞工作閘門前布置一道事故閘門及啟閉設(shè)備，閘門型式為潛孔式平面滑動(dòng)鋼閘門。閘門梁系結(jié)構(gòu)采用同層布置的形式，梁系與面板形成剛性整體，整體剛度較好。閘門主梁采用組合梁焊接結(jié)構(gòu)，次梁均采用型鋼結(jié)構(gòu)。閘門止水型式為下游止水，頂、側(cè)水封采用P型橡塑復(fù)合止水，底水封采用刀型橡膠水封。啟閉設(shè)備初步確定采用平門卷揚(yáng)式啟閉機(jī)。閘門型式為潛孔式平面滑動(dòng)鋼閘門，孔口數(shù)量1孔，孔口尺寸5.0m×4.0m(寬×高)，底坎高程335.5m，設(shè)計(jì)水頭31.0m，支承型式：滑道支承，止水型式：下游止水，運(yùn)行條件：動(dòng)閉靜啟，吊點(diǎn)形式為雙吊點(diǎn)、吊點(diǎn)距為2.78m，閘門重量28.0t/扇，埋件重量：10.0t/孔，啟閉機(jī)型式：固定式卷揚(yáng)啟閉機(jī)，啟閉機(jī)容量QPK-2×630KN/2×300KN。

2.2.2啟閉力復(fù)核

為減小事故閘門啟閉機(jī)持住力及避免閘門配置，閘門支承型式初步確定采用滑道支承，止水型式初步確定采用下游止水。閘門閉門力采用式(7)計(jì)算：

FW=nT(Tzd+Tzs)-ngG+Pt-WS

(7)

式中,FW—閉門力，kN；nT—摩擦阻力安全系數(shù)；ng—計(jì)算閉門力用的閘門自身修正系數(shù)；Pt—上托力，kN；WS—作用在閘門上的水柱壓力，kN。

經(jīng)計(jì)算，閘門閉門力FW為-455.32kN，表明閘門依靠自重機(jī)水柱壓力可以閉門，無需施加下壓力。

閘門持住力計(jì)算：

FT=n′GG+Gj+WS+Px-Pt-(Tzd+Tzs)

(8)

式中,FT—持住力，kN；n′G—計(jì)算持住力和啟門力用的閘門自身修正系數(shù)；Gj——加重塊重量，kN；Px——下吸力，kN。

經(jīng)計(jì)算，閘門持住力FT為901.7kN。

閘門啟門力計(jì)算：

FQ=nT(Tzd+Tzs)+Px+n′GG+Gj+WS

(9)

式中,FQ—啟門力，kN。

由于閘門為靜水啟門，按照4m水壓差計(jì)算，得出FQ為396.0kN。

2.3 閘門結(jié)構(gòu)防腐、防凍復(fù)核

根據(jù)GB 50046—2018《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)規(guī)范》，閘門及埋件防腐采用噴鋅封閉的防腐方法。除閘門加工表面、埋件與混凝土接觸面、已鍍鉻處理的不銹鋼表面外，均進(jìn)行噴鋅封閉。本閘門采用涂鋅層的方式進(jìn)行防腐保護(hù)，鋅層第1層厚120μm，第2層厚80μm，封閉層第1層厚50μm(環(huán)氧云鐵)，第2層厚120μm(環(huán)氧面漆)?？紤]到當(dāng)?shù)囟練夂蚝?，閘門前易結(jié)冰，根據(jù)規(guī)范規(guī)定閘門不得承受靜冰壓力，因此閘門在關(guān)閉位置時(shí)處于水下及在閘室采取適當(dāng)保溫措施。

2.4 閘門及起閉機(jī)配電復(fù)核

2.4.1電源選取

供水工程閘門及啟閉設(shè)備電氣部分包括輸水洞工作閘門、檢修閘門、穩(wěn)壓井用電及自動(dòng)化系統(tǒng)。該輸水洞右側(cè)有一察爾森變電站，距離輸水洞約200m，根據(jù)GB 50052—2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，永久電源采用10kV電壓等級(jí)。由該變電站10kV母線引出，為配電系統(tǒng)的合理性，在輸水洞旁設(shè)置一臺(tái)10/0.4kV的油浸式變壓器，變壓至0.4kV至輸水洞啟閉機(jī)房內(nèi)的低壓動(dòng)力柜，由動(dòng)力柜饋線至各用電設(shè)備處以及穩(wěn)壓井內(nèi)低壓動(dòng)力柜。由于10kV高壓配電線路距輸水洞較近，因此該線路采用10kV高壓電纜直埋至變壓器高壓側(cè)。工程供水保證率為97%，供電保證率要求達(dá)到100%。因此需考慮其備用電源。在輸水洞旁設(shè)置1臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組，當(dāng)電源斷電后，由此柴油發(fā)電機(jī)組供電。

2.4.2用電負(fù)荷

輸水洞用電包括：①輸水洞事故檢修門啟閉機(jī)容量，37kW；②輸水洞工作門啟閉機(jī)容量，37kW；③其他，20kW。穩(wěn)壓井用電包括：①循環(huán)潛水泵容量，5.5×2=11kW；②電動(dòng)蝶閥容量，3×4=12kW；③電暖器容量，3kW；④其它：13kW。綜上，用電設(shè)備總?cè)萘繛?33kW。根據(jù)GB 50052—2009，輸水洞閘門與穩(wěn)壓井不是同時(shí)運(yùn)行，選擇變壓器容量時(shí)應(yīng)以最大負(fù)荷建筑物用電負(fù)荷考慮，因此以輸水洞用電容量來選擇變壓器容量，考慮設(shè)備同時(shí)使用率、負(fù)荷使用系數(shù)以及單臺(tái)設(shè)備啟動(dòng)電流倍數(shù)，最終確定頭部用電負(fù)荷應(yīng)以輸水洞工作閘門負(fù)荷來選擇變壓器容量。

2.4.3供配電系統(tǒng)

(1)主接線的確定：由于主電源回路數(shù)為一回，所以本工程配電中心低壓接線形式為單母線接線，該方案接線簡(jiǎn)單清晰，運(yùn)行方便，能滿足運(yùn)行要求。

(2)主要電氣設(shè)備及容量的選擇：輸水洞啟閉機(jī)房內(nèi)布置1面型號(hào)為XL-21型動(dòng)力柜以及與啟閉機(jī)配套的就地控制柜2面，柜體尺寸為(寬×高×深)700mm×1700mm×350mm；變壓器布置在室外，容量經(jīng)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)計(jì)算確定為100kVA，具體型號(hào)為S11-100/10/0.4kV；輸水洞、穩(wěn)壓井用電均以0.4kV電纜線路呈放射狀均勻分布在0.4kV母線上；穩(wěn)壓井內(nèi)布置1面型號(hào)為XL-21型動(dòng)力柜以及與啟閉機(jī)配套的就地控制柜1面，柜體尺寸為(寬×高×深)700mm×1700mm×350mm，穩(wěn)壓井用電均以0.4kV電纜線路呈放射狀均勻分布在0.4kV母線上。

2.4.4過電壓保護(hù)及接地

過電壓主要包括操作過電壓及雷電過電壓。由于取水頭部主要負(fù)荷均為低壓負(fù)荷，不存在操作過電壓，對(duì)于雷電過電壓防護(hù)，又分防直擊雷及雷電侵入波過電壓保護(hù)2部分。對(duì)于建筑物應(yīng)在各建筑物房頂上加裝避雷帶防止直擊雷。依據(jù)接地的不同作用，接地分為工作接地和保護(hù)性接地。取水頭部所有電氣設(shè)備外殼接地、自動(dòng)化系統(tǒng)接地。本工程閘門及啟閉設(shè)備的工作接地、保護(hù)接地及雷電防護(hù)接地采用聯(lián)合接地方式。

3 結(jié)論及建議

閘門及啟閉設(shè)備是重要水工機(jī)械設(shè)備，設(shè)備安全穩(wěn)定工作對(duì)整個(gè)水利工程高效運(yùn)行有關(guān)鍵意義。本文對(duì)興安盟供水工程閘門和啟閉設(shè)備進(jìn)行復(fù)核并評(píng)價(jià)其合理性，結(jié)果表明各項(xiàng)指標(biāo)均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。在閘門及啟閉設(shè)備運(yùn)行過程中，應(yīng)加強(qiáng)閘門及啟閉設(shè)備的檢修與維護(hù)，遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水、強(qiáng)烈地震、增水高度超過校核潮位等工況時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)復(fù)核及現(xiàn)場(chǎng)安全檢查，發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象及時(shí)上報(bào)并處理。下一步，應(yīng)以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為主線，大力提高水利工程機(jī)械設(shè)備數(shù)字化應(yīng)用水平，全面構(gòu)建具有“預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案”功能的智慧閘門啟閉體系，為提升水利工程安全提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。