連城閘除險加固工程機電及金屬結(jié)構(gòu)設計研究

許俊鋒

（撫州市水電勘測設計院有限公司，江西 撫州 344000）

0 引言

江西撫州臨川的連城閘為關鍵水利設施，負責排洪、排澇和灌溉任務，對于當?shù)厣鐓^(qū)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)至關重要。隨著時間的推移，原有水閘設施面臨著安全和功能性的挑戰(zhàn)，迫切需要進行加固改造，以滿足更高的設計洪水標準，提升運行效率[1]。本文對連城閘除險加固工程機電及金屬結(jié)構(gòu)進行設計，成功實現(xiàn)連城閘基本功能，確保水閘工程的安全性和功能性得到有效提升。

1 工程概況

連城閘座落在江西省撫州市臨川區(qū)連城鄉(xiāng)連城街中，閘址位于撫河水系臨水一級支流黃柏水上。連城閘過閘流量285.0 m3/s，主要用于排洪、排澇、灌溉，承擔解決連城、秋溪兩鄉(xiāng)鎮(zhèn)洪澇災害、保障宜惠渠干渠及七支渠以下所有支渠放水灌溉的任務。連城閘屬中型工程，等別為Ⅲ等。水閘設計洪水標準為20 年一遇，相應過閘流量為216.0 m3/s，閘前水位45.40 m，閘下游水位45.01 m；校核洪水標準為50 年一遇，相應過閘流量為285.0 m3/s，閘前水位46.18 m，閘下游水位45.70 m。

本工程對連城閘進行除險加固，加固方案為拆除現(xiàn)有水閘，并于現(xiàn)閘址下游50 m 處重建節(jié)制閘及灌溉閘。建設內(nèi)容有新建節(jié)制閘及灌溉進水閘，新建鋪蓋、消能防沖設施、護岸工程等。本文主要對連城閘除險加固工程機電及金屬結(jié)構(gòu)進行設計研究。

2 機電設計

2.1 電源引接方式

連城閘進行除險加固工程用電負荷為三級負荷，采用10 kV 單電源供電。擬從就近連城街的10 kV 農(nóng)網(wǎng)線路搭接架空導線引入作為供電電源，線路長度約0.5 km。終端桿及變臺設在節(jié)制閘站房右側(cè)，變臺后通過低壓電纜穿管直埋引至本水閘管理層配電室[2]。架空導線采用絕緣架空線，型號為JKLGYJ-10 kV-70/10。

2.2 電氣主接線

本工程采用一回10 kV 電源供電，電源從就近的10 kV 農(nóng)網(wǎng)搭接架空引入至節(jié)制閘旁變臺，變臺上主變壓器采用一臺S13-M-100/10 節(jié)能型油式變壓器。變臺高壓側(cè)采用線變組接線方式，設GW9-10/630 免維隔離開關、YH5WS-17/50 氧化鋅避雷器、HRW11-10/100-10A 跌落式熔斷器；變臺低壓側(cè)采用單母線方式，設JP 柜，柜內(nèi)設帶一級浪涌保護進線單元、出線單元、無功補償單元、計量單元和配電智能終端[3]。

2.3 變壓器容量選擇

工程總負荷為78 kW，常用負荷為69.5 kW，根據(jù)負荷的不同工作性質(zhì)，采用需用系數(shù)法，考慮同時系數(shù)不小于0.7，計算總負荷為48.7 kW，功率因數(shù)按不小0.85 計算，計算變壓器容量不小于57.1 kVA。采用一臺S13-M-63 kVA/10 型變壓器可以滿足要求。同時可以滿足節(jié)制閘工作閘門按一臺工作，另一臺直接啟動時負荷壓降要求。工程水閘為低壓電機，均為直接啟動方式，控制箱附加在各臺啟閉機上。

2.4 電氣設備的選擇

本工程水閘10 kV 高壓側(cè)及主變，采用室外變臺布置方式。主變型號為S13-M-63 kVA/10，變壓器容量為63 kVA，電壓比為10 kV/0.4 kV。終端桿上高壓設備為GW9-10/630 免維隔離開關、YH5WS-17/50 氧化鋅避雷器、HRW11-10/100-10 A跌落式熔斷器。變臺上低壓設備為JP 計量柜。低壓進出線配電總箱設在管理層三層配電室，配電總箱為XJ02 型，設二進六出，進出線設MHZM3L 空氣斷路器；另設4 只XJ02 型分配電箱，均為一進四出或六出或七出，均為MHZM3L 空氣斷路器；各水閘控制箱，由啟閉機廠家提供，要求正反轉(zhuǎn)，配行程開關，防止超行程誤操作。

本工程低壓電纜采用ZR-YJV-0.6/1 kV 型，電纜規(guī)格為4×35+25、4×25+16、4×10+6、4×6+4、4×4+2.5、5×2.5 mm2電纜，以及BVR 電線。主要電氣設備型號如表1 所示。

表1 主要電氣設備型號

考慮備用應急電源1 套，按單獨啟動1 臺最大的電機容量5.5 kW 計算，柴油發(fā)電機容量不小于30 kW，選用1 臺FF-30GF 柴油發(fā)電機，容量為30 kW。

2.5 電氣設備布置

本工程水閘10 kV 高壓側(cè)及主變，采用室外變臺布置方式。主變型號為S13-M-63 kVA/10，變壓器容量為63 kVA，電壓比為10 kV/0.4 kV。一回10 kV 進線至終端桿，終端桿上設高壓設備為GW9-10/630 免維隔離開關、YH5WS-17/50 氧化鋅避雷器、HRW11-10/100-10 A 跌落式熔斷器。變臺上布置變壓器及JP 柜。配電室設在管理層，其內(nèi)設置一塊XJ02 總配電箱及管理層照明分配電箱。啟閉層設1 只電機分配電箱及1 只照明分配電箱。灌溉閘及七支灌溉閘各設1 只分配電箱，安裝在其啟閉房。啟閉機控制箱由廠家配，均安裝在各啟閉機上。

3 金屬結(jié)構(gòu)設計

連城閘改造工程金屬結(jié)構(gòu)包括改建的節(jié)制閘的工作閘門、檢修閘門及啟閉設備；灌溉引水渠進水閘、七支渠進水閘的工作閘門、檢修閘門及啟閉設備。金屬結(jié)構(gòu)的布置型式、數(shù)量、主要尺寸及運行方式均按照SL74—2019《水利水電工程鋼閘門設計規(guī)范》執(zhí)行[4]，結(jié)合水工建筑物的總體結(jié)構(gòu)布置，做到經(jīng)濟合理、安全適用、技術可靠。金屬結(jié)構(gòu)設備見表2。

表2 金屬結(jié)構(gòu)設備

3.1 改建節(jié)制閘金屬結(jié)構(gòu)

節(jié)制閘共5 孔，每孔凈寬4.5 m，需要灌溉時關閉工作閘門蓄高上游水位引水灌溉。采用5 扇平面滑動鋼閘門作為工作閘門，閘門為露頂式閘門，閘門支承采用低摩擦系數(shù)的工程塑料合金滑塊。閘門底板高程為40.55 m，閘門正常擋水高程為43.05 m，即正常蓄水位，閘門門頂設0.3 m 風浪超高，閘門實際高度為2.8 m。閘門采用Q235B 鋼板焊接。

考慮工作閘門出現(xiàn)漏水等需要檢修時，能夠保證正常擋水維持灌溉用水，故在工作閘門上游側(cè)設一道檢修閘門，檢修閘門采用一扇平面滑動鋼閘門，5 孔共用，采用移動小車式電動葫蘆起吊并可沿閘孔橫向移動，供5 孔共用。檢修閘門平時鎖定在最邊側(cè)閘槽內(nèi)。檢修閘門最大擋水高度為2.5 m，不設風浪超高。閘門支承采用低摩擦系數(shù)的工程塑料合金滑塊。

工作閘門啟閉力Fw、啟門力FQ采用公式（1）、（2）進行計算：

式中：nT—摩擦阻力安全系數(shù)，采用1.2；nG—閉門力用的閘門自重修正系數(shù)，采用1.0；G—閘門自重，預估3.5 t；Pt—上托力，與閘門的底緣形狀有關（kN）；Gj—加重塊重量，Gj=0；Ws—作用在閘門上的水柱壓力（t），Ws=0；n'G—啟門力和持住力用的閘門修正系數(shù)，采用1.0；Tzd—支承摩阻力（kN）；Tzs—止水摩阻力（kN）；f—摩擦系數(shù)，工程塑料合金滑塊，取0.15；P—總水壓力；Px—下吸力；Pzs—由止水橡皮作用在止水埋件上的水壓力（kN）。

經(jīng)計算，啟閉力Fw=-5.5 kN，為負值，閘門自重可以關閉。本閘門為節(jié)制閘，實際不會在高水位才關閉閘門，所以閘門利用自重是可以可靠關閉的。

經(jīng)計算，啟門力FQ為115 kN，本閘門寬度大于高度，需采用雙吊點，按卷揚啟閉機系列標準，每扇閘門采用一臺QPQ-2×100 kN-8 m 固定式雙吊點卷揚啟閉機啟閉。啟閉機安放在啟閉平臺（51.40 m），為避免啟閉機動滑輪組浸水，吊頭通過一節(jié)短拉桿與閘門吊耳相連。

檢修閘門工況為靜水關閉，動水開啟，經(jīng)啟閉力計算，閘門利用自重可以關閉，啟門力為75 kN，啟閉設備采用移動小車式電動葫蘆起吊并橫向移動，型號為CD1-2×50 kN-7 m。移動小車式電動葫蘆配工字鋼（工28b）軌道。

3.2 灌溉渠道閘門與啟閉設備

灌溉渠進水口設閘控，為兩孔，單孔孔口尺寸為2.5 m×2.5 m，設工作閘門和檢修閘門各1 道。工作閘門和檢修閘門均采用平面滑動鋼閘門結(jié)構(gòu)，均為Q235B 鋼材焊接件，工作閘門為潛孔式共2 扇。檢修閘門為露頂式，只設1 扇，采用移動小車式電動葫蘆起吊并可沿閘孔橫向移動，供2 孔共用，檢修閘門平時鎖定在最邊側(cè)閘槽內(nèi)，檢修閘門最大擋水高度為2.5 m，不設風浪超高。

經(jīng)啟閉力計算，工作閘門采用固定式QPQ-100 kN單吊點卷揚啟閉機啟閉，為避免啟閉機動滑輪組浸水，吊頭通過一節(jié)短拉桿與閘門吊耳相連。檢修閘門采用單吊點CD1-50 kN 移動小車式電動葫蘆啟閉，并移動，供2 孔共用。

3.3 七支渠進水閘閘門與啟閉設備

七支渠進水閘設閘控，為單孔，單孔孔口尺寸為2.0 m×2.0 m，該閘每年均有枯水檢修期，僅設工作閘門，不設檢修閘門。工作閘門采用平面滑動鋼閘門結(jié)構(gòu)，共1 扇。工作閘門采用LQ-200 kN-SD 手電兩用螺桿啟閉機啟閉，共1 臺。

3.4 金屬結(jié)構(gòu)防腐措施

節(jié)制閘及進水閘的工作閘門、檢修閘門、閘門槽埋件的主體材料均為Q235B 焊接件，采用噴鋅防腐，噴鋅厚度為160 μm，噴鋅后刷涂環(huán)氧富鋅底漆2 度，環(huán)氧云鐵漆2 度，本工程金屬結(jié)構(gòu)總防腐面積約500 m2。

4 結(jié)語

當前連城閘除險加固工程機電及金屬結(jié)構(gòu)設計已完成，機電設備、節(jié)制閘、進水閘等設備均已投入運行當中，恢復了水閘基本功能，有效地完善了連城閘的排洪、排澇、灌溉功能，實現(xiàn)了枯水期能正常攔截河道蓄水灌溉、供水，汛期能保證開閘泄洪，為受益鄉(xiāng)鎮(zhèn)及群眾生產(chǎn)生活提供保障。連城閘除險加固工程機電及金屬結(jié)構(gòu)設計按照科學布局、運行可靠、經(jīng)濟合理的設計理念，完全符合工程要求，具有一定參考意義。