閘門水下安裝運載及起重設備的設計與應用

曾 文， 范如谷， 徐紅剛， 郜仕宏

(中國水利水電夾江水工機械有限公司，四川夾江 614100)

閘門水下安裝運載及起重設備的設計與應用

曾 文， 范如谷， 徐紅剛， 郜仕宏

(中國水利水電夾江水工機械有限公司，四川夾江 614100)

內陸水庫水下安裝的限制條件很多，具有較多的不確定性和特殊性。針對閘門水下安裝過程中運輸、起重及深潛(119 m)等作業的特點，設計了滿足安裝要求的水上平臺和高揚程起重設備，實際應用情況良好。

水下安裝；閘門；浮箱；高揚程；起重；設計與應用

1 概述

塔貝拉水利樞紐(Tarbela Project)位于巴基斯坦內陸地區，最大壩高143m，壩頂長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年正式蓄水發電。塔貝拉第四期工程是對現有水電站進行再次擴建，主要工作是將現有的4號灌溉隧洞改為引水發電洞，新建取水口和發電廠，擴建后裝機容量將增加1 410 MW。

工程施工要求用疊梁閘門封堵現有的4號隧洞取水口，該取水口位于大壩右岸側的庫區水域中間，距岸邊最近距離約200 m，周邊均為陡坡(圖1)。以正常蓄水水位計算，閘門槽頂部平臺位于庫區水面以下90．44 m，底檻位于水面以下約119 m處。4號隧洞取水口安裝的閘門數量為2套，每套4節，單套重量為108 t，單節最大重量為32 t。由于該工程處于內陸地區，庫區僅有小型漁船，沒有適合閘門運載安裝的大型運輸船舶及起重設備，故須專門針對閘門水面運載和深水水下安裝設計運輸平臺和起重設備。

該閘門單節最大尺寸(頂節門葉):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:

閘門運輸到碼頭 →閘門裝上水上平臺→拖運水上平臺到門槽上方→用全站儀+GPS定位→液壓抓梁吊起第一節閘門→下放閘門到接近門槽平臺頂部→潛水員確定位置→潛水員引導下，閘 門下放進入門槽 —→繼續下放閘門到底檻 —→脫開液壓抓梁并將其提升到水上平臺—→潛水員檢查確認一→重復進行下一節閘門的安裝。

圖1 4號隧洞取水口位置示意圖

水面安裝平臺及起重設備根據安裝工藝流程和運輸等條件確定。

(2)起重方案的選擇。

根據閘門單節最大重量為32 t，考慮到門槽內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，考慮到單節閘門高度、抓梁高度及富裕揚程，最終確定總揚程為125 m。

鑒于庫區沒有大型運輸船舶，經綜合分析考慮到簡易碼頭距安裝點約有5 000 m的水路運輸、且一套閘門為4節、水運時間對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履帶起重機方案；②移動門式起重機方案；③固定門式起重機+移動臺車 方案。各方案比較情況見表1。

表1 閘門起吊方案比較表

經分析比較，最終確定采用“固定門式起重機+移動臺車方案”，其主要技術參數為:起重容量45 t，揚程125 m，起升速度(變頻調速)為0～2．5 m/min，移動臺車承載能力為32 t，運行速度為5 m/min。

經調查，當地可租用到150 t履帶起重機和120 t汽車起重機。

(3)水上平臺方案。

水上平臺應能布置高揚程固定門式起重機、深潛保障服務系統、移動臺車和軌道、柴油發電機、空壓機及錨泊設備等，具備運載一套4節閘門(108 t)的能力，初步估算，水上平臺上的載荷約為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。

根據工期要求及陸地運輸限制，水上平臺采用多個浮箱構建，單個浮箱尺寸為12 m(長)×3 m(寬)×1．5 m(高)，浮箱體為用鋼板焊接的密閉箱形結構，箱體相互連接的側面均有連接接頭。由于要將閘門吊到水面以下，需要在水上平臺中間留出開口，開口尺寸應滿足閘門吊裝需要，即水上平臺方案為:采用多個浮箱平臺組合，額定載重不小于160 t，平臺中間留安裝吊物孔，平臺能夠適應庫區氣候環境(內陸水庫)，面積能滿足設備布置需要。

3 水上平臺的設計

水上平臺主體結構由14個浮箱模塊組成，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，則平臺中間部位無浮箱。單個浮箱重約11．5 t，浮箱體為船用鋼板焊接的密閉箱形結構，箱體相互連接的側面設置有連接接頭，浮箱情況見圖2。

浮箱最大允許吃水深度為1 200 mm，單個浮箱排水量約為4

3．2 t，14個浮箱合計滿載排水量為604．8 t。14個浮箱自重為161 t，固定門式起重機、移動臺車、發電機及錨鏈機等設備重量約為110 t，合計重量約為271 t。604．8 t－271 t=334．8(t)，即水上平臺允許載重量為334．8 t，滿足額定承載能力不小于160 t的要求。

當地可租用汽車起重機容量為120 t，根據閘門重量和汽車起重機起重能力曲線，汽車起重機可將閘門吊裝到水上平臺的端部，為此，移動臺車軌道需布置到平臺的一端，以滿足將閘門吊裝到水上平臺上的要求。

圖2 浮箱示意圖

水上平臺需要在安裝位置進行定位錨泊并方便調整，故在平臺上配置了4個1 t海軍錨，4個角上各布置了一臺拉力為5 t的電動絞纜機。供電系統由柴油發電機及配電箱組成，容量為108 kW，該容量考慮了起重設備、移動臺車、電動絞纜機、水泵、照明及潛水作業供電(潛水鐘及潛水加熱系統等)。平臺上的空壓機采用柴油機驅動，可降低發電機容量。為保證潛水和安裝作業的安全，發電機配置了兩臺，一臺使用，另一臺備用。水上平臺總體布置情況見圖3。

水上平臺及設備組裝。按120 t汽車起重機起重能力曲線、單個浮箱重量(約11．5 t)及浮箱尺寸等條件，水上平臺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，按該流程重復完成水上平臺的組裝。在水上平臺設備組裝中，固定門機門架位于平臺中間位置，吊裝半徑最大，經復核，起重機容量滿足組裝要求，其余設備均可采用調整浮箱位置的方式進行安裝。浮箱節間的連接強度、浮箱結構強度及水上平臺整體穩定性等由專業單位校核，校核結論為符合安全要求。

圖3 水上平臺總體布置圖

4 起重設備及移動臺車的設計

(1)起重設備的設計。

水上平臺上的起重設備為起重容量45 t、揚程125 m、起升速度(變頻調速)為0～2．5 m/min的固定門式起重機。

為有效控制鋼絲繩多層繞返回偏角、降低設備重心及操作維護方便，起升機構采用閉式傳動，布置在門架底部(機架與下橫梁焊接為一體)。由于揚程達到了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，必須嚴格控制鋼絲繩的返回偏角。因此，卷筒采用折線繩槽，并設置了導向滑輪組。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，設計時控制了門腿下端的間距(6 000 mm)，門機設計了較長的下橫梁(8 000 mm)，且下橫梁整體分多點固定在浮箱上。門架均采用工字梁結構，重約1

2．4 t(圖4)。

閘門水下安裝時不確定因素較多，起重操作人員無法觀察到吊物和鋼絲繩狀態，且因潛水員反饋的位置和距離信息滯后，潛水員深水作業有效時間短(15～25 min)，因此而造成進入門槽作業的要求精度高，包括受水浮力和水下固定等因素影響，潛水員水下調整的力量和幅度有限。針對這些特殊情況，起升機構控制采用了變頻調速，速度為0～2．5 m/min，全行程往返時間約100 min，可滿足安裝強度的要求；在接近門槽平臺和門槽內，可采用低速下放和起升。起重機選用了精度較高的荷重傳感裝置，結合高程數據，下降出現“荷重不正常減少”可做出未準確入門槽、門槽內卡阻等判斷；起升“荷重超載”可做出門槽內卡阻的判斷。起升機構設置了高度顯示裝置，安裝過程中根據當前水位、門槽平臺高程及底檻高程可做出“接近門槽平臺”、“接近底檻”及“已出門槽”等判斷，以減輕潛水作業的壓力。起升機構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行了計算修正。

圖4 固定門式起重機總圖

卷筒裝置采用雙聯焊接卷筒，卷筒繩槽底部直徑為850 mm，鋼絲繩直徑為22 mm，單邊完整繩槽圈數為22圈。卷筒采用短軸型式，其中一端卷筒軸經滾動軸承支承于軸承座上，另一端通過能傳遞扭矩的卷筒聯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折線8層纏繞。為便于層間順利過渡，在過渡處設有過渡墊環，通過優化卷筒結構和導向滑輪布置，嚴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)移動臺車的設計。

閘門單節最大重量為32 t，按最大重量設計移動臺車容量。移動臺車承載能力為32 t，運行速度為5 m/min，軌距4 m，由2個驅動輪(共4個車輪組)帶動臺車行走。外形尺寸為4．5 m(長) ×1．9 m(寬)×0．65 m(高)，單臺重約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，在臺車使用時運行方向需調整90°，軌距為1．47 m，為無動力臺車。故臺車設置了兩套車輪組(驅動輪組與無動力輪組，兩套車輪組成90°布置)，當用于運輸閘門時采用驅動輪組工作時，車體下方的無動力輪組需拆除；當用于安裝工作時，把無動力輪組安裝上去，驅動輪組的輪子不動(圖6)。

5 應用情況

圖6 移動臺車總圖

在4號隧洞取水口閘門安裝中，水上平臺在定位系統的指引下，通過調整錨泊系統，將其移動至閘門門槽上方水域，定位精度控制到厘米級別，固定門式起重機吊起液壓抓梁，將承載門葉的電動平車移動至門機吊點下放，用液壓抓梁提起閘門，然后下放，在下放過程中，通過觀察荷重顯示值和高度顯示值，準確掌握閘門在水下下放過程中的狀態，當門葉下放至閘門門槽孔口時，潛水員下水觀察閘門與門槽的相對位置后進行調整，從而使閘門順利進入門槽，閘門在門槽中繼續下放，繼續通過觀察門機的荷重顯示和高度顯示及時發現和避免閘門在門槽中出現卡阻現象，使閘門順利接近安裝位置，此時，通過設置在液壓抓梁上的光電信號系統確認閘門已經安裝到位，打開液壓抓梁，再次通過液壓抓梁上設置的光電信號系統確認液壓抓梁已打開到位，提起液壓抓梁，全程繼續使用固定門式起重機監控液壓抓梁順利提出門槽至水面，重復上述過程，完成其余閘門的安裝。2014年12月，順利完成了兩套、共8節閘門的水下安裝任務，經過潛水員水下檢測，各節閘門之間的錯位不大于2 mm，排干閘門下游側隧洞內的水，經過檢測得知:兩套閘門的總泄漏量大大低于工程要求，4號隧洞實現封堵。

6 結語

考慮到內陸水庫受運輸條件的限制、閘門水下安裝的特殊要求和不確定因素，設計制造了水上平臺和起重設備，該平臺及起重設備的功能較為完善，技術指標和參數合理，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收規范，DL/T 5018－2004［S］．

［2］ 水電水利工程啟閉機設計規范，DL/T 5167－2002［S］．

［3］ 張質文，虞和謙，等．起重機設計手冊［M］．北京:中國鐵道出版社，1998．

(責任編輯:李燕輝)

TV53+2;TV547．1;TV22

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1001-2184(2015)05-0107-05

曾 文(1963-)，男，四川南溪人，副總經理，高級工程師，碩士，從事水工金屬結構及啟閉起重設備制造安裝技術與管理工作；

范如谷(1982-)，男，四川金堂人，工程師，學士，從事水工金屬結構及啟閉起重設備制造設計工作；

徐紅剛(1976-)，男，四川成都人，項目副經理，助理工程師，從事水工金屬結構及啟閉起重設備制造安裝技術與管理工作；

郜時宏(1967-)，男，河南新鄉人，項目經理，工程師，從事水工金屬結構及啟閉起重設備制造安裝技術與管理工作．

2015-05-08