抽水蓄能電站高水頭偏心鉸弧形閘門安裝技術(shù)

齊界夷 ，程雪如

(1.中國葛洲壩集團(tuán)三峽建設(shè)工程有限公司，湖北 宜昌 443002；2.中國能建工程研究院水電施工設(shè)計(jì)研究所，湖北 宜昌 443002；3.長江生態(tài)環(huán)保集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430010)

0 引言

偏心鉸弧形閘門因其偏心鉸結(jié)構(gòu)有效避免了閘門運(yùn)動(dòng)過程中面板與主止水發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)時(shí)對(duì)止水產(chǎn)生的切搓力，延長了主止水的使用壽命，也減小了啟閉機(jī)油缸的啟閉容量；偏心鉸壓緊式止水結(jié)構(gòu)止水效果好，同時(shí)在局部開啟時(shí)可有效抑制閘門振動(dòng)[1]，因此，被廣泛用作高壓控制閘門，例如：新疆阿爾塔什水利樞紐工程深孔排沙洞工作閘門、小浪底水利樞紐排沙洞工作門、龍羊峽及拉西瓦水電站底孔工作弧門、九甸峽水電站泄洪洞及東江二級(jí)放空洞工作弧門等。

偏心鉸弧形閘門結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、安裝精度要求高，安裝難度較大。常規(guī)安裝方法先安裝閘門、啟閉機(jī)，然后提升閘門，根據(jù)閘門的實(shí)際位置調(diào)整門槽與閘門間隙，符合設(shè)計(jì)要求后完成閘門門槽的調(diào)整、加固焊接并澆筑二期混凝土[2]，從而控制門葉與門槽之間的間隙滿足止水壓縮量要求。受現(xiàn)場空間等條件限制，這種方法操作難度大，且工效低。

長龍山抽水蓄能電站(以下簡稱“該工程”)位于浙江省安吉縣天荒坪鎮(zhèn)境內(nèi)，地處華東電網(wǎng)負(fù)荷中心，裝機(jī)容量2 100 MW。該工程下水庫布置導(dǎo)流泄放洞，泄放洞出口閘門水頭為94 m，安裝偏心鉸弧形閘門。投標(biāo)方案中采用常規(guī)施工方法，計(jì)劃工期為120 d，而根據(jù)該工程當(dāng)時(shí)實(shí)際進(jìn)度和節(jié)點(diǎn)工期要求，需壓縮工期約60 d，否則將直接影響該工程下水庫下閘蓄水節(jié)點(diǎn)工期。鑒于此，通過研究和應(yīng)用拼裝前置整體吊裝、模擬計(jì)算各工況各構(gòu)件精確安裝坐標(biāo)等技術(shù)措施，優(yōu)化施工工藝流程，以提高安裝工效，同時(shí)保證安裝精度和施工安全。

1 工程特征

該工程導(dǎo)流泄放洞偏心鉸弧形閘門與啟閉機(jī)為上下結(jié)構(gòu)布置形式(圖1)，上部為啟閉機(jī)房，配置1 套1 600 kN/1 000 kN(啟門力/閉門力)閘門操作液壓啟閉機(jī)、1 套1 000 kN/500 kN(啟門力/閉門力)偏心鉸液壓啟閉機(jī)，全關(guān)后退位總水壓力10 400 kN；下部為弧形閘門室，閘門的孔口型式為潛沒式，孔口尺寸寬1.8 m×高2.4 m。偏心鉸弧形閘門安裝主要包括門槽鋼襯及其埋件、主止水座、門葉、支臂、拐臂、偏心鉸裝置及其支鉸座等(圖2)，其中門葉總重約36.3 t，門葉整體制造不分節(jié)，最大單元重量約16.7 t。

圖2 偏心鉸弧形閘門整體結(jié)構(gòu)圖

按照我國能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 35045—2014《水電工程鋼閘門制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范》[3]的要求，弧形閘門鉸座安裝的精度要求較高，允許偏差見表1 所列。

表1 支鉸座安裝允許偏差 mm

2 拼裝前置整體吊裝技術(shù)

將門葉與支臂進(jìn)行提前拼裝，運(yùn)至安裝部位后采取整體吊裝的方法，具體施工工序?yàn)椋褐сq座安裝→支鉸安裝→門葉與支臂拼裝→門葉與支臂整體吊裝→支臂與活動(dòng)支鉸斷面螺栓連接→門葉前頂止水到位。支鉸座與支鉸安裝采取制作調(diào)整架、工裝的措施，并結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬數(shù)據(jù)，使安裝簡便，同時(shí)保證安裝精度；門葉與支臂采取廠內(nèi)提前拼裝+現(xiàn)場整體吊裝技術(shù)，降低了安裝難度，提高了施工工效。

2.1 支鉸座安裝

采用支鉸調(diào)整架控制支鉸螺栓安裝精度。按照設(shè)計(jì)圖紙加工制作支鉸調(diào)整架(圖3)，其上設(shè)置碼板與螺栓孔，利用支鉸調(diào)整架上螺栓孔反向穿定位螺栓對(duì)支鉸螺栓定位，根據(jù)測放的支鉸安裝控制點(diǎn)線確定支鉸調(diào)整架安裝位置，然后在支鉸調(diào)整架的4 個(gè)角安裝螺母和背母，其它的螺母和背母須松開，待反復(fù)調(diào)整和測量直到各項(xiàng)數(shù)據(jù)符合要求后再上緊。

圖3 支鉸調(diào)整架示意圖

支鉸螺栓與一期錨板焊接加固。在調(diào)整架和支鉸螺栓準(zhǔn)確定位后，緊固螺母與背母，進(jìn)行支鉸螺栓與一期錨板的焊接。支鉸螺栓焊接時(shí)，先進(jìn)行4 個(gè)角螺栓定位焊接，再焊接中間各螺栓，焊接完成并對(duì)支鉸調(diào)整架進(jìn)行復(fù)測合格后，再進(jìn)行支鉸的整體吊裝安裝。

安裝偏心鉸裝置固定螺柱時(shí)，為便于控制螺柱安裝位置，采取制作簡易偏心鉸裝置(以下簡稱“工裝”)的方法。工裝采用長寬均為1 600 mm、厚度為30 mm 的鋼板制作，應(yīng)用CAD 軟件模擬偏心鉸裝置的固定鉸中心、前頂位活動(dòng)鉸中心、后退位活動(dòng)鉸中心，將三個(gè)控制點(diǎn)標(biāo)記在工裝上，工裝上的螺柱孔與支鉸調(diào)整架匹配鉆孔，保證螺柱孔位置不變。

用起重設(shè)備將工裝吊裝至偏心鉸裝置安裝一期埋件處，調(diào)整工裝位置到位，將工裝臨時(shí)固定，然后安裝螺柱臨時(shí)點(diǎn)焊固定，待螺柱全部定位后將工裝拆除，最后按照要求焊接螺柱。固定螺栓使用的簡易偏心鉸裝置如圖4所示。

圖4 簡易偏心鉸裝置

2.2 支鉸與拐臂整體定位安裝

2.2.1 模擬計(jì)算與廠內(nèi)定位拼裝

根據(jù)閘門固定鉸中心坐標(biāo)，采用計(jì)算機(jī)模擬閘門全關(guān)狀態(tài)前頂位狀態(tài)及運(yùn)行軌跡，從而取得拐臂中心線與固定鉸中心線、活動(dòng)鉸中心線的夾角等偏心參數(shù)精確數(shù)據(jù)。

現(xiàn)場安裝前，以前頂位活動(dòng)鉸中心為控制點(diǎn)，在廠內(nèi)搭設(shè)偏心鉸裝置調(diào)整平臺(tái)，將偏心鉸裝置吊裝至平臺(tái)上，先調(diào)整固定鉸安裝狀態(tài)的角度，用型鋼臨時(shí)固定，然后模擬閘門全關(guān)位置狀態(tài)并調(diào)整活動(dòng)鉸的角度，用全站儀測量拐臂中心線與固定鉸中心線、活動(dòng)鉸中心線的夾角；用手動(dòng)葫蘆調(diào)整拐臂位置，測量夾角滿足要求后臨時(shí)固定拐臂位置，再用手動(dòng)葫蘆調(diào)整拐臂位置時(shí)測量活動(dòng)鉸位置的變化情況，夾角和活動(dòng)鉸變化量滿足設(shè)計(jì)要求后，用型鋼固定偏心鉸裝置，即支鉸與拐臂實(shí)現(xiàn)提前整體定位。安裝時(shí)將調(diào)整定位的支鉸與拐臂組合體整體運(yùn)輸至安裝部位后，按照事先模擬和現(xiàn)場精確放樣的控制點(diǎn)，采用吊裝設(shè)備進(jìn)行整體吊裝。

2.2.2 現(xiàn)場整體吊裝

在支鉸座一期埋件測量放點(diǎn)，焊接二期埋件托架，二期埋件吊裝到位只需要微調(diào)便可做臨時(shí)加固，將支鉸座運(yùn)輸至現(xiàn)場，采用汽車吊進(jìn)行安裝，用螺栓固定在二期埋件上；并采用2 臺(tái)5t 葫蘆將支鉸座前端與支臂連接部分調(diào)至閉門模擬工況前頂位狀態(tài)。支鉸座拐臂調(diào)至閉門模擬拐臂后退位狀態(tài)詳如圖5 所示。

圖5 支鉸座拐臂調(diào)至閉門模擬拐臂后退位狀態(tài)

支鉸設(shè)計(jì)有永久吊耳，吊裝時(shí)使用兩根φ32 鋼絲繩通過20 t 卸扣與吊耳連接進(jìn)行吊裝。支鉸安裝完成后使用5 t 手動(dòng)葫蘆將活動(dòng)鉸固定。

2.3 門葉與支臂拼裝及整體吊裝

采取將門葉與支臂在廠內(nèi)提前拼裝為整體，總重約17.41 t，然后運(yùn)輸至安裝現(xiàn)場，再采用起重機(jī)械進(jìn)行吊裝。門葉側(cè)使用鋼絲繩，支臂側(cè)使用手動(dòng)葫蘆進(jìn)行角度調(diào)整，將支臂角度調(diào)整為閘門前頂位時(shí)角度，如圖6 所示。閘門偏心參數(shù)、運(yùn)行軌跡及前頂位時(shí)角度等事先采用計(jì)算機(jī)模擬確定。

門葉就位時(shí)，將其放置在底主止水上，支臂上端面與活動(dòng)支鉸端面對(duì)正后，穿支臂與支鉸的連接螺栓，使支臂上端與活動(dòng)支鉸連接，滿足設(shè)計(jì)要求后，用葫蘆將支鉸座拐臂調(diào)整至前頂位置，檢查水封壓縮量及止水情況，滿足要求后，將閘門用支撐架支撐，最后起重機(jī)械緩慢松鉤，安裝完成。

3 模擬計(jì)算門槽一次安裝技術(shù)

偏心鉸弧形閘門的啟閉需要門槽鋼襯、止水裝置、門葉、支臂，以及與支臂和門葉鉸接的拐臂、液壓啟閉機(jī)等機(jī)構(gòu)協(xié)同運(yùn)行。門槽鋼襯及其止水座為固定結(jié)構(gòu)，門葉須在液壓啟閉機(jī)的作用下通過支臂頂推與門槽止水準(zhǔn)確且緊密貼合，方可保證密封效果。常規(guī)方法在安裝門槽及止水座時(shí)不能一次固定，需向外側(cè)偏移一定距離臨時(shí)加固，在門葉安裝定位后再反拉調(diào)整門槽及止水座。

該工程根據(jù)固定鉸中心坐標(biāo)，采用計(jì)算機(jī)模擬、現(xiàn)場多點(diǎn)放樣控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)門槽一次安裝到位?？傮w方案為：事先采用計(jì)算機(jī)模擬全閉前頂位和后退位工況，直接將止水壓縮量模擬到位，計(jì)算出前頂位活動(dòng)鉸中心和后退位活動(dòng)鉸中心坐標(biāo)，然后將固定鉸中心、活動(dòng)鉸中心坐標(biāo)精確放樣至側(cè)墻，并使用不同的記號(hào)進(jìn)行標(biāo)記區(qū)分。門槽埋件安裝時(shí)以前頂位活動(dòng)鉸中心為基準(zhǔn)進(jìn)行放樣，埋件吊裝就位后以實(shí)際安裝位置進(jìn)行精確控制，再復(fù)測各項(xiàng)尺寸滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求后，門槽各構(gòu)件采用一期插筋直接焊接加固，從而實(shí)現(xiàn)一次安裝到位。該方法省去了常規(guī)方法根據(jù)閘門位置對(duì)門槽進(jìn)行調(diào)整的工序，工效顯著提高。

3.1 門槽鋼襯安裝程序

弧形工作閘門門槽鋼襯共7 塊，包括1 塊頂鋼襯、2 塊側(cè)鋼襯、1 塊底鋼襯和3 塊反弧段鋼襯；鋼襯與混凝土接觸面設(shè)有帶鉤鋼筋，現(xiàn)場焊接。鋼襯上游側(cè)接改建段鋼襯，下游側(cè)接弧形工作閘門側(cè)軌支座，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際測量數(shù)據(jù)，對(duì)門槽鋼襯進(jìn)行切割。

門槽鋼襯在廠內(nèi)完成錨筋焊接后，運(yùn)輸至導(dǎo)流泄放洞出口處，使用55 t 汽車吊吊裝就位，最大單件側(cè)鋼襯重731.7 kg。首先吊裝底鋼襯，然后吊裝側(cè)鋼襯、頂鋼襯；鋼襯吊裝就位后，進(jìn)行位置精確調(diào)整，并通過焊接錨筋進(jìn)行加固。

反弧段鋼襯待轉(zhuǎn)鉸止水安裝調(diào)整完成后進(jìn)行安裝。

3.2 門槽埋件及鋼襯定位吊裝

門槽埋件最大吊裝單元頂主止水座重6.1 t，采用55 t 汽車吊進(jìn)行裝卸及就位吊裝。吊裝順序?yàn)椋旱字髦顾鷤?cè)主止水座→側(cè)軌→頂主止水座→轉(zhuǎn)鉸止水→反弧段鋼襯。嚴(yán)格控制各部件工作面的里程、高程、中心距，表面平面度及兩端高程差等質(zhì)量指標(biāo)，達(dá)到規(guī)范要求后，進(jìn)行加固焊接。具體施工方法如下：

3.2.1 測量放點(diǎn)

使用CAD 軟件模擬，計(jì)算出支鉸座拐臂中心對(duì)應(yīng)樁號(hào)，以拐臂中心樁號(hào)作為測量放樣復(fù)核檢查點(diǎn)，同時(shí)也作為現(xiàn)場門槽安裝的基準(zhǔn)點(diǎn)；水封座板為弧形面，采用鋼卷尺測量放樣不僅方便且精度高。

3.2.2 底主止水座安裝

品牌名稱主要是以文字形式表現(xiàn)的品牌外在形象，品牌標(biāo)志物主要是以符號(hào)或圖形的形式表現(xiàn)的品牌外在形象，它們都是品牌設(shè)計(jì)不可或缺的內(nèi)容。設(shè)計(jì)的原則除了簡潔明了、易讀易記、新穎獨(dú)特等基本準(zhǔn)則之外，需要將品牌的文化、理念和形象設(shè)計(jì)的成果融入進(jìn)來，才能創(chuàng)建內(nèi)外一致、有豐富內(nèi)涵的品牌。

底主止水座安裝前先焊接支承托架，事先對(duì)底止水座中心基準(zhǔn)線準(zhǔn)確放樣，調(diào)整底止水座與孔口中心線重合。調(diào)整完成并通過復(fù)核測量后，進(jìn)行加固，焊接完成后，再次復(fù)測其高程及相對(duì)孔口、門槽中心線的偏差、工作表面平面度及扭曲度，合格后進(jìn)行鋼性加固。

3.2.3 側(cè)止水座及側(cè)軌安裝

以支鉸中心為原點(diǎn)，采用鋼卷尺測量在側(cè)墻放出多個(gè)控制點(diǎn)，以控制支鉸中心至側(cè)軌中心線的距離。經(jīng)緯儀架設(shè)在閘室內(nèi)，以軌道工作面向閘孔內(nèi)移500 mm 為基準(zhǔn)面放射線，通過拉線的方法控制側(cè)軌工作面至孔口中心的距離及側(cè)軌平面度。測量控制示意圖如圖7 所示。

圖7 測量控制示意圖

側(cè)止水座板自下而上逐節(jié)安裝，與底坎相同方法使用調(diào)節(jié)螺栓精調(diào)后加固。側(cè)軌鋼襯及側(cè)止水座板鋼襯安裝待側(cè)軌及側(cè)止水座板安裝完成后進(jìn)行；側(cè)軌安裝與側(cè)止水座板安裝方法相同，側(cè)軌安裝待側(cè)止水座板安裝完成后進(jìn)行。

3.2.4 頂主止水與轉(zhuǎn)鉸止水安裝

頂主止水位置按門葉實(shí)際位置進(jìn)行調(diào)整，安裝主要控制其工作面的里程、高程，其中，高程是指至底主止水工作面的高差。里程控制可以采用懸掛鋼絲的方法，高差采用水準(zhǔn)儀懸掛鋼帶尺控制。轉(zhuǎn)鉸止水安裝時(shí)，閘門處于后退位狀態(tài)；根據(jù)設(shè)計(jì)要求，彈簧長度為350 mm，圓P 水頭封與頂楣弧面在工作位段始終保持接觸，且無預(yù)壓縮；D 水頭封與兩側(cè)工作面始終接觸，且無預(yù)壓縮。圓P 頭水封及方P 頭水封與兩側(cè)工作面接觸或者有1 mm 的預(yù)壓縮，確保整個(gè)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)靈活無卡阻。

3.2.5 鋼襯安裝

現(xiàn)場測量出實(shí)際需要鋼襯尺寸，在廠內(nèi)進(jìn)行切割、焊接坡口加工。

反弧段鋼村待轉(zhuǎn)鉸水封安裝調(diào)整完成后進(jìn)行安裝。反弧段鋼襯分3 節(jié)制造，運(yùn)輸至安裝現(xiàn)場后，按先中間、后兩邊的順序進(jìn)行安裝，鋼襯背面錨筋在現(xiàn)場安裝時(shí)進(jìn)行焊接。

3.2.6 埋件及鋼襯焊接

門槽鋼襯及側(cè)軌支座材質(zhì)為Q355B，主止水座材質(zhì)為鑄鋼，現(xiàn)場采用手工電弧焊焊接。

4 應(yīng)用效果

長龍山抽水蓄能電站下水庫導(dǎo)流泄放洞出口偏心鉸弧形閘門安裝施工中應(yīng)用高水頭偏心鉸弧形閘門安裝技術(shù)，原計(jì)劃工期120 d，實(shí)際安裝工期僅50 d，節(jié)約工期70 d。偏心鉸弧形閘門安裝完成后，監(jiān)理檢查各項(xiàng)驗(yàn)收檢測數(shù)據(jù)均在規(guī)范允許范圍以內(nèi)，且無卡阻、無沖擊、無異常響聲現(xiàn)象，閘門關(guān)閉后無漏水現(xiàn)象，一次驗(yàn)收通過。

5 結(jié)語

抽水蓄能電站高水頭偏心鉸弧形閘門安裝技術(shù)突破常規(guī)施工方法，通過研究采用計(jì)算機(jī)模擬工況計(jì)算控制點(diǎn)、現(xiàn)場精確放樣、自制工裝、拼裝前置整體吊裝等技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)門槽一次安裝到位、門葉與支臂整體吊裝、支鉸與拐臂整體定位安裝，在長龍山抽水蓄能電站首次成功應(yīng)用，簡化了偏心鉸弧形閘門安裝工藝，提高了施工工效，實(shí)現(xiàn)了高水頭偏心鉸弧形閘門高效、安全、精確安裝。