閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)論文

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1進(jìn)口檢修閘門及其啟閉設(shè)備

由于事故閘門在非小頻率洪水期，長(zhǎng)期處于擋水狀態(tài)，且隧洞又較長(zhǎng)，水頭較高，經(jīng)分析比較，在事故閘門前設(shè)置1道檢修閘門是必要的，用來事故閘門及其埋件檢修時(shí)擋水。檢修閘門孔口尺寸為10.5m×10.5m，按正常蓄水位設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)水頭為40m。其底坎高程為224.00m，閘門檢修平臺(tái)高程為278.25m。檢修閘門為焊接結(jié)構(gòu)，主體材料根據(jù)其工作環(huán)境溫度、操作條件及荷載工況設(shè)計(jì)為Q345B，主橫梁采用工字型實(shí)腹等截面焊接結(jié)構(gòu)，閘門主支承采用高強(qiáng)度鋼聚甲醛復(fù)合材料滑道，較常用的鑄鐵滑塊摩擦系數(shù)低，可以大大降低啟閉機(jī)容量，節(jié)省了工程投資。門葉結(jié)構(gòu)按國(guó)家運(yùn)輸單元?jiǎng)澐謽?biāo)準(zhǔn)沿高度方向設(shè)計(jì)成5節(jié)制造運(yùn)輸，在現(xiàn)場(chǎng)焊接連成整體，閘門采用上游止水方式。閘門的操作條件為靜水啟閉，閘門充水平壓方式采取節(jié)間充水平壓方式和小門充水平壓方式兩種進(jìn)行比較。考慮閘門孔口尺寸較大，為大型平面滑動(dòng)閘門，設(shè)計(jì)水頭又高，采用節(jié)間充水平壓方式，會(huì)引起閘門振動(dòng)，存在安全隱患。因此，經(jīng)綜合比較采用小門充水平壓方式是合適的，當(dāng)閘門前后水頭差達(dá)到預(yù)先設(shè)定值時(shí)靜水啟門。檢修閘門的數(shù)量為1孔1扇，選用1門1機(jī)的布置方式，經(jīng)計(jì)算選用1×1600kN高揚(yáng)程固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)操作，閘門平時(shí)鎖定在檢修平臺(tái)上，不存在鋼絲繩泡水問題，也避免了采用拉桿裝拆繁瑣問題。閘門鎖定梁采用如意式自動(dòng)鎖定梁，較常用的人工及半自動(dòng)工字梁操作方便，省時(shí)省力，安全可靠。啟閉機(jī)平臺(tái)的布置根據(jù)啟閉機(jī)上極限、閘門充水行程及閘門整節(jié)吊離孔口并留有檢修底水封的空間高度，確定啟閉機(jī)平臺(tái)高程為296.50m。

2進(jìn)口事故閘門及其啟閉設(shè)備

在檢修閘門下游側(cè)設(shè)有1道1孔1扇事故閘門，在隧洞及出口工作閘門發(fā)生事故時(shí)可起到保護(hù)作用。事故閘門孔口尺寸為10.5m×10.5m，其底坎高程為224.00m，閘門擋水水位按萬年校核水位268.50m設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)水頭按系列水頭取為45m，閘門檢修平臺(tái)高程為278.25m。事故閘門為焊接結(jié)構(gòu)，閘門主體材料依據(jù)其工作環(huán)境溫度、操作條件及荷載工況設(shè)計(jì)為Q345B，由于底主橫梁荷載較大，采用箱型梁實(shí)腹等截面組合梁，其他主橫梁采用工字型實(shí)腹等截面組合梁。閘門主輪材料依據(jù)輪壓荷載選為ZG35Cr1Mo,采用偏心軸定輪支承，以便在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，調(diào)整各主輪踏面高度，使每個(gè)主輪踏面盡量在同一平面內(nèi)。因閘門跨度較大，為保證主輪與主軌踏面接觸良好，主輪軸承選用自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承，以便適應(yīng)主輪處轉(zhuǎn)角。門葉按國(guó)家運(yùn)輸單元?jiǎng)澐謽?biāo)準(zhǔn)分5節(jié)設(shè)計(jì)、制造及運(yùn)輸，在工地焊接連成整體。閘門采用上游止水方式，以避免閘門長(zhǎng)期處于擋水狀態(tài)而使主輪泡水而發(fā)生銹蝕破壞。閘門的操作條件為利用配重動(dòng)水閉門，閘門的配重可選擇利用水柱和鑄鐵配重兩種方式，考慮利用水柱閉門閘門結(jié)構(gòu)復(fù)雜，啟閉機(jī)容量大，投資相對(duì)較高，選用了簡(jiǎn)便易行的鑄鐵加重塊布置固定在閘門門葉梁格內(nèi)，用來滿足動(dòng)水閉門的要求。閘門充水平壓方式可采用節(jié)間充水和小門充水兩種方式，考慮閘門孔口尺寸較大，為大型平面定輪閘門，設(shè)計(jì)水頭又高，為避免充水時(shí)引起閘門振動(dòng)，埋下安全隱患，采用了在門體上開小門充水平壓方式，當(dāng)閘門前后水壓差達(dá)到設(shè)定的數(shù)值后靜水啟門。閘門啟閉設(shè)備考慮了固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)和液壓?jiǎn)㈤]機(jī)兩種啟閉設(shè)備，對(duì)于該部位兩種啟閉設(shè)備都需要水工布置安裝固定排架，如使用液壓機(jī)需配拉桿，增加了施工及運(yùn)行期安裝與拆卸的工程量。固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)較液壓?jiǎn)㈤]機(jī)造價(jià)低廉，更經(jīng)濟(jì)合理，足以滿足操作閘門的要求。因此，閘門選擇了2×2500kN高揚(yáng)程固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)進(jìn)行操作。閘門平時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)，啟閉機(jī)吊具直接與閘門吊耳相連接，由于閘門為上游止水，不存在鋼絲繩泡水問題。啟閉機(jī)安裝高程根據(jù)啟閉機(jī)上極限、小門充水行程高度及閘門整節(jié)吊離孔口在檢修平臺(tái)以上有一定的裕度綜合考慮，確定啟閉機(jī)布置在296.50m高程的平臺(tái)上。

3出口工作閘門及其啟閉設(shè)備

在隧洞出口閘室段設(shè)1道1孔弧形工作閘門，用來調(diào)節(jié)50年一遇及以下小頻率洪水，閘門平時(shí)處于開啟狀態(tài)，當(dāng)事故閘門開啟需進(jìn)行充水平壓前，工作閘門下閘擋水，有局部開啟要求。由于弧形閘門無門槽，水流條件較平面閘門好，能更好地滿足閘門局部開啟調(diào)節(jié)泄量的要求，因此，工作閘門型式選用弧形閘門。工作閘門孔口尺寸為8.8m×8.8m，其底坎高程為193.00m，支鉸中心至底板距離確定為13.0m，閘門擋水水位按萬年校核水位268.50m設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)水頭按系列水頭取為76m，弧門面板外緣半徑為18m，經(jīng)流激振動(dòng)試驗(yàn)表明閘門布置合理滿足泄洪時(shí)支鉸不阻水及局部開啟要求。閘門采用直支臂主縱梁焊接結(jié)構(gòu)，按常用的計(jì)算方法，初步確定斷面形式及尺寸，再通過有限元計(jì)算方法進(jìn)行強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性分析，根據(jù)有限元計(jì)算成果加強(qiáng)了斷面尺寸。門葉主縱梁為焊接組合箱型梁，縱隔板為實(shí)腹T型焊接結(jié)構(gòu)，主梁和支臂均采用組合式焊接結(jié)構(gòu)，閘門主體材料依據(jù)其工作環(huán)境溫度、操作條件及荷載工況設(shè)計(jì)為Q345B。閘門頂水封結(jié)構(gòu)形式在門葉和門楣上各設(shè)一道,門葉上P型橡皮頂止水可沿水流方向在水封座板上移動(dòng),避免了支臂受水壓后的彈性壓縮使閘門漏水，門楣上水封采用轉(zhuǎn)角式,利用水壓力將水封壓緊在面板上。支鉸型式為圓柱鉸，支鉸材料為ZG35Cr1Mo，支鉸軸承為銅基鑲嵌自潤(rùn)滑球面軸承。支臂與門葉、支臂與支鉸之間均采用螺栓聯(lián)接，為了承受支鉸的作用力和便于閘門的精確安裝,設(shè)置了支承面經(jīng)加工的支承鋼梁,鋼梁埋入二期混凝土內(nèi)與一期混凝土埋件相連接，有效地將閘門所承受的荷載安全的傳遞到混凝土中去。潛孔弧形工作閘門啟閉設(shè)備可選用弧門卷揚(yáng)式啟閉機(jī)和液壓?jiǎn)㈤]機(jī)兩種型式，但經(jīng)計(jì)算該閘門需要1600kN閉門力才可動(dòng)水閉門，使用弧門卷揚(yáng)式啟閉機(jī)操作需要加配重，這樣必然增加啟門力，啟閉機(jī)的容量和重量以及外形尺寸都要相應(yīng)增加，勢(shì)必造成開挖量增大，造成浪費(fèi)。液壓?jiǎn)㈤]機(jī)本身可以設(shè)計(jì)成具有1600kN閉門力的型式，節(jié)省了配重，減小了啟門力，外形尺寸小，布置整齊、美觀。經(jīng)綜合比較選擇了中間鉸支搖擺式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作該閘門。液壓?jiǎn)㈤]機(jī)布置在225.8m高程液壓?jiǎn)㈤]機(jī)室內(nèi)，啟閉容量為4500kN/1600kN（啟門力/閉門力），一臺(tái)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)設(shè)置一套泵站進(jìn)行操作和控制，液壓?jiǎn)㈤]機(jī)吊點(diǎn)型式為單吊點(diǎn)，根據(jù)閘門的啟閉高度，確定啟閉機(jī)的工作行程13m，最大行程13.2m。

4結(jié)語

工程泄洪兼導(dǎo)流洞金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備設(shè)計(jì)各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求，且有一定的安全裕度及靜力安全儲(chǔ)備，尤其是對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的超大型弧形工作閘門的設(shè)計(jì)，采用了常規(guī)的手算結(jié)合有限元分析及流激振動(dòng)試驗(yàn)相互驗(yàn)證的方式，確保了閘門強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性均能滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。

作者:馬會(huì)全袁偉王緒建單位:中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司