頂升式液壓啟閉機在七星河水位調節壩中的應用

陸美文，唐 翔

（1.廣西水利電力職業技術學院，南寧 530023；2.廣西水利電力勘測設計研究院有限責任公司，南寧 530023）

1 工程概況

大藤峽水利樞紐的正常蓄水位為61.0 m，淹沒影響來賓市的武宣縣七星河。經過對七星河進行現場查勘及測量，河口處河谷高程與兩岸高程分別為36.0、66.0 m，河道呈現出蜿蜒曲折的形狀。七星河庫區在汛期來臨之際大藤峽水庫處于低水位運行狀態，消落帶隨之形成。從武宣縣城的地理位置來看，與七星河毗鄰而居，在夏季消落帶裸露，其后果是導致污泥淤積，垃圾成堆，會有大量的細菌和病毒衍生，由于污染而直接威脅到水環境的安全，導致城鄉居民生產生活環境惡化。為了解決此問題要采取的措施，可以將水位調節閘壩修建在七星河下游與黔江出口的位置，在閘壩上游61.0 m高程范圍內形成人工湖，主要功能是保持七星河消落區水位，使七星河水位在汛期來臨時不會因大藤峽水庫水位的漲降而改變。另外，為了最大限度降低黔江水位變化對七星河兩岸的影響，要求調節壩具有防御外江50年一遇標準的防洪功能。

2 調節壩金屬結構設備布置方案比選

2.1 設計理念與原則

七星河水位調節壩正常蓄水位為61.0 m，設計洪水位（P=2%）61.17 m，校核洪水位（P=0.2%）61.27 m，相應的水庫總庫容為2087萬m3，為中型水庫，Ⅲ等工程。水位調節壩主要建筑物按3 級建筑物設計，設計洪水標準為50 年一遇，校核洪水標準為500年一遇，消能防沖標準采用30年一遇。水位調節壩防御外江50 年一遇洪水對應七星河河口水位為66.35 m。本次設計對兩條基本可行的壩軸線進行定性分析比較：上壩線位于黔江匯合口上游約670 m 的河道直段處，下壩線位于黔江匯合口上游約100 m 的河道直段處。根據地質勘察結果，上壩線存在左壩肩單薄，左岸壩下游存在滑坡體等重大地質問題，處理難度較大，且左岸還存在地形埡口，需修建副壩防漏；下壩線工程地質問題相對較簡單，處理較容易。因此，設計推薦采用下壩線。選定的壩線處地形狹窄，兩岸坡陡峭，覆蓋層薄，風化層相對較淺，由于壩址兩岸地形均無天然埡口，若修建土石壩，將導致溢洪道、抽水泵站等泄水建筑物需另行布置，不但工程量大，且無法滿足調節壩防御外江洪水的功能，也與城市景觀不協調。本工程所處區域石料豐富，地形、地質條件也適宜修建混凝土重力壩，故設計推薦混凝土重力壩。

2.2 擬定比選方案

通過閘門孔口及孔數選擇分析，溢流堰堰頂高程54.0 m，設3孔，每孔凈寬12 m。溢流壩對于七星河水位起到雙向擋水和調節功能，以其功能需求為依據進行了優化設計，對于溢流壩段及閘門型式制定出3個布置方案。

2.2.1 防洪工作閘門兼檢修閘門+弧形工作閘門方案（方案一）

一旦有50 年一遇洪水在大藤峽庫區（外江）發生，弧形閘門雖然具有擋水的功能但只能單向進行，如果出現外江洪水倒灌七星河的意外則無法進行防御，所以需要采取有效的措施解決此問題，可以采取在弧形閘門上游側增設一道平板閘門的做法，同時還要增設胸墻，底高程為61.5 m，對外江洪水具有較好的防御作用。本文對于溢壩段進行了設計，總寬度為51.0 m，溢流壩段閘墩由于增設平板閘門和胸墻，需要增加到30.1 m，溢流堰堰體長度需增加至28.0 m。啟閉防洪工作閘門兼修閘門的操作比較復雜[1]，利用臺車式啟閉機自動抓梁，通過液壓這種方式來操縱弧形閘門的啟閉[2]。還要注意的是七星河水位調節壩所處的特殊位置（建于武宣縣城區之中），上游是七星湖風景，顯然啟閉機排架不適合采用高聳模式，因此擬采用臺車式啟閉機，架設在風雨橋橫梁上，軌底高程74.0 m，該啟閉機的蓋頂全部為風雨橋屋頂，方案一彰顯出弧形閘門的功能，能夠較好地擋住內江水，無須另設門槽，具有較好的流態，在操作時所采用的是液壓啟閉的方法，無須另設排架，具有操作安全簡單、管理方便的優點。圖1為方案一溢流壩段下游立視圖。

圖1 方案一溢流壩段下游立視圖

2.2.2 平板閘門+卷揚機方案（方案二）

本方案所采用的是傳統方法，即安裝兩道平板閘門，檢修和工作兩道閘門分別位于上游處和下游處。胸墻建于工作閘門上游，底高程確定為61.5 m。檢修閘門3 孔，共用1 扇，鋼閘門采用的是滾動式，能夠做到雙向擋水，設置1門1機，操作控制則分別由1 臺固定卷揚式啟閉機來完成，本方案設了51.0 m 的溢流壩段總寬和22.4 m 的閘墩長度，溢流堰堰體長24.0 m。啟閉機設備安裝在于風雨橋橫梁上，以77.5 m為梁頂高程，以風雨橋屋頂作為啟閉機蓋頂。方案二的閘門結構簡單，布置緊湊，檢修、操作方便，閘墩不需拉長，投資較省。圖2為方案二溢流壩段下游立視圖。

圖2 方案二溢流壩段下游立視圖

2.2.3 平板閘門+液壓啟閉機方案（方案三）

方案三與方案二相比較，兩者在布置上并無大的差異。以七星河閘壩雙向擋水和調節水位功能為依據，并與景觀要求相結合，同時考慮七星河閘壩下游在汛期會出現47.63 m 的最低水位，因此只設置上游檢修閘門，不設下游檢修閘門。工作閘門3 孔共設3 扇，采用滾動鋼閘門，能夠實現雙向擋水，在頂升式液壓啟閉機的作用下啟閉。液壓啟閉機設備安裝在閘墩內部，液壓設備工作房底高程、長、寬分別為63.4、8.4、3.0 m。鋼梯設置在閘墩頂部位置，可以直接通向設備工作房平臺，吊物孔設置于液壓設備工作房頂部，通過吊物孔來進行液壓設備的轉動，將其運送到液壓設備工作房后進行安裝，為了防止吊物孔被雨水侵蝕，需要安裝滑移蓋板予以保護。為增加景觀效果，在溢流壩壩頂上游側及非溢流壩壩頂布置人行風雨橋。通過液壓啟閉機來完成對工作閘門的啟閉操作，不需要設立高排架裝備，控制和管理更加方便。圖3 為方案三溢流壩段下游立視圖，圖4 為頂升式液壓啟閉機建設成后效果圖。

圖3 方案三溢流壩段下游立視圖

圖4 頂升式液壓啟閉機建設成后效果圖

2.3 確定推薦方案

根據以上溢流壩段布置，3 個方案的混凝土工程量及投資對比見表1。

表1 3個方案混凝土工程量及投資對比表

由表1 可知，投資最大的是方案一，相比較而言，方案三雖然比方案二投資多149.7萬元，但方案二的工作閘門如果要拉到壩頂高程以上的平臺，則需進行10 m多高排架的設置，會對景觀效果造成影響。如果將排架高度降低，則平時無法進行工作閘門的一次出槽，需分節進行操作，這會使操作難度增加[3]。方案三工作閘門采用的頂升液壓啟閉機啟閉，管理、操作非常方便，不需進行高排架的設置，壩頂上下游具有通透的視野。且方案三在項目位置上具有優勢，能滿足七星湖景觀要求，綜合考慮，閘門型式確定方案三。

4 方案三工作原理及技術特點

頂升式液壓啟閉機通過液壓系統可以實現開啟閘門、關閉閘門、油缸安裝檢修、閘門啟閉同步糾偏、閘門自動回復等工況。同時，液壓系統具有液壓泵工作異常、液壓系統工作壓力過高或過低、液濾油器堵滿、油箱液位過高或過低、油箱油溫過高、聲光報警等保護功能。

從頂升式液壓啟閉機的行程來看，與閘門起升的高度是相同的，關鍵在于解決活塞桿受壓穩定性的問題[4]，行程、容量是液壓啟閉機的主要參數。從設備費用的情況來看，在正常情況行程所產生的影響遠遠超過容量，而且如果減小行程，則設備使用安全性會隨之提升。固定卷揚式啟閉機在滑輪的支持下進行運轉，以此工作原理為依據，將滑輪組與頂升式液壓啟閉機結合使用成為一種新型啟閉設備，對滑輪組進行設置之后，可以利用容量來換取行程[5]。頂升式液壓啟閉機如果是帶有滑輪組裝置的，則適用于水位變幅較大、起升高度較大（≥6 m）的平面閘門。為了把啟閉機安裝高程確定下來需要進行相關的計算，這是以啟門高度為依據而完成的。在操作時要設在閘墩頂部或下沉到一定的深度，但要注意的是啟閉機不能長時間泡在水中，如果安裝在閘墩頂部位置，則可以更加方便的維護和檢修啟閉機，但要注意的是滑輪組的高度超過了壩頂，對壩面景觀的美觀性產生不利影響；如果在閘墩內安裝雖然可以解決設備露出水面的問題，但是對于啟閉機的維護檢修難度較大[6]。在方案布置和工作原理上，帶滑輪組的頂升式液壓啟閉機與常規頂升式液壓啟閉機基本相同，差異在于前者比后者增設了滑輪組，容量轉換行程是通過改變滑輪組倍率來完成的，圖5為頂升式液壓啟閉機工作原理圖。

圖5 頂升式液壓啟閉機工作原理圖

5 方案設計

5.1 工作閘門設計

因閘門需出槽進行檢修，因此，閘門止水應選取合適型式與布置方式。本工程側止水采用L型水封，底止水采用常規I型水封，側止水改變在門槽內布置，在孔口內的門槽布置側面，考慮4.05 mm的預壓縮量，在底轉角處，側止水、底止水做好銜接處理，這樣可解決止水檢修問題。通常閘門與門槽間隙留有一定間隙，這樣有利于閘門運行順暢。當使用頂升式液壓啟閉機的時候，這個縫隙不能太大，閘門與門槽的縫隙不應該超過10 mm，本工程該縫隙應該保留8.5 mm，在閘門完全打開的時候，要確保槽中應該有最少4個滑塊或滾輪來支撐，以減少出槽后的自由度，增強了閘門和啟閉機的穩定性。

5.2 液壓啟閉機設計

選用一個帶有滑輪組的頂升式液壓啟閉機，啟閉力2×500 kN，工作行程是3.75 m，安裝液壓啟閉機高度為9.02 m，動滑輪直徑為705 mm，鋼絲繩直徑為31.5 m，活塞桿全縮回時，平衡滑輪中心高度9.42 m，直徑為425 mm，動滑輪中心高程為10.5 m。

5.3 各滑輪設計

滑輪組由平衡滑輪、動滑輪、鋼絲繩共同組成，可以將其視為雙聯二倍率滑輪組，每套設備需要把兩片動滑輪安裝在單側位置，在活塞桿頭部位置設置吊軸，平衡滑輪的數量為3片，設置于閘墩和閘門頂主梁位置上，數量分別為1、2片。

5.4 鋼絲繩設計

鋼絲繩繞繩采取以下方式：在閘墩上，平衡滑輪由兩根繩索上到動滑輪，它們分別垂直下繩，并通過門上平衡滑輪至對側平衡滑輪，再上到閘墩上的平衡滑輪、對側動滑輪。圖6是鋼絲繩繞示意圖。鋼絲繩進出滑輪偏斜角不應超過5°度，應盡量減少偏斜角。采用二倍率滑輪裝置后，液壓啟閉機容量提升一倍，但其行程卻減少了一半。在門的兩邊有兩條鋼絲繩起吊，使閘門運轉順暢，并且可以對閘門的同步性進行自動調整。

圖6 鋼絲繩繞示意圖

本工程采用纏繞鋼絲繩的方式，利用滑輪組頂升式液壓啟閉機來實現對閘門的啟閉，其中，鋼絲繩是其主要承重部件，利用整根纏繞，可以實現對閘門平衡的自動調整。鋼絲繩的直徑為31.5 mm，出入滑輪最大偏斜角2.92°。為了對由于長期運行而導致的鋼絲繩長度方向松弛進行調整，在閘門上鋼絲繩的中央設置了一個調節法蘭，這樣就可以對鋼絲繩的長度進行調整。

6 方案的實施與調試

啟閉機安裝高程與閘門開啟高度、水位有關。要盡量避免在閘門全開時動滑輪、門頂平衡滑輪的碰撞，保證安裝高程不會小于檢查水位，將其設置在壩下，液壓啟閉機在閘門全關擋水時不突出壩面，受閘門開啟高度限制，本工程啟閉機安裝高程低于壩下0.42 m。帶滑輪組頂升式液壓啟閉機因布置需要，對閘墩厚度有一定要求，分別考慮布置兩套油缸和平衡滑輪后所需閘墩厚度。液壓啟閉機機架的橫向中心與實際測得的起吊中心線的距離不應超過±2 mm；高程偏差不應超過±5 mm；支撐面的高差不超過±0.5 mm；機架梁和推力支座的組合的縫隙不應大于0.05 mm，其局部不大于0.1 mm，深度不超過組合寬度的1/3，累計長度不超過周長的20%，推力支座頂面水平偏差不應大于0.2%。吊裝油缸時應根據油缸長度和重量決定調裝點和吊裝點數，以防止變形。活塞桿與閘門吊耳連接時，當閘門下放到底坎位置在活塞與油缸下端蓋之間應留有50 mm左右的間隙，確保閘門嚴密關閉。油泵在第一次啟動時，應將油泵溢流閥全部打開，連續運轉30～40 min，油泵不應有異?，F象。在無水操作試驗時，應先手動操作升降閥門一次，以檢驗緩沖裝置減速情況和閥門有無卡阻現象。調整主令控制器凸輪片，使主令控制的電氣節點接通，斷開時，閘門所處的位置應符合圖紙要求，但門上充水閥的實際開度應調至小于設計開度30 mm以上，調整高度指示器，使其指針正確指出閘門所處位置。第一次快速關閉閥門時，應在操作電磁閥的同時，做好手動關閉閥的準備，防止閘門過速下降。將閘門提起，在48 h 內，閘門因活塞油封和管路系統的漏油而產生的沉降量不應大于200 mm。在閘門啟閉過程中，閘門開度及行程檢測控制裝置全程連續檢測液壓啟閉機行程偏差，當偏差值≥8.5 mm時，電磁鐵自動斷電，并對液壓缸進油量、出油量進行調整，使同步偏差值縮小至4.5 mm內，停止糾偏調節；在偏差達到14.5 mm 時報警，超過24.5 mm 時則停機。圖7為液壓啟閉機安裝流程圖。

圖7 液壓啟閉機安裝流程圖

7 實施效果

七星河水位調節壩壩頂結構和閘門型式采用平板閘門+液壓啟閉機方案。工程建成后，運行效果良好。啟閉機啟閉過程中油缸同步性能良好，偏差控制在設計允許值10 mm以內，當啟門梁抬升至檢修平臺以上無側向支撐時運行仍十分平穩，達到了預期的效果。頂升式液壓啟閉機水位調節壩具有管理方便、精確度高、維修成本低、使用壽命長、止水與景觀效果好等優點。該啟閉機質量穩定，安裝方便，運行過程中無任何淤積物，可大幅減少清淤費用。