浮箱式閘門“平躺”過程中的受控理論與實(shí)施

員會(huì)超，陳敬亮，陶 莉

（引灤工程管理局大黑汀水庫管理處，河北遷西 064300）

大黑汀水庫工程浮箱式閘門 （以下簡稱浮門）規(guī)格為18 m×16.7 m，金屬結(jié)構(gòu)件總重160 t，是該工程28扇15 m×12.1 m表孔泄洪閘門的專用檢修閘門。由于水庫水位較高，浮門外圍水封大部分處于水面以下。要想更換浮門水封，必須讓其“平躺”或者接近于“平躺”在水面上，待單側(cè)水封完全露出水面以后才能進(jìn)行。然后再將浮門翻轉(zhuǎn)，使另一側(cè)水封露出水面。

如何讓浮門安全受控地“平躺”，管理單位進(jìn)行過多方案分析論證。最終，“機(jī)艙充水”措施被采納實(shí)施，圓滿完成了“平躺”過程，保證了水封更換工作的順利實(shí)施。

1 浮門簡介

大黑汀水庫工程18 m×16.7 m浮門類似于 “不倒翁”結(jié)構(gòu)，主要由混凝土艙、死水艙、調(diào)壓艙和機(jī)艙4個(gè)艙室構(gòu)成，各艙室之間由鋼板隔離，如圖1所示。

圖1 浮門結(jié)構(gòu)

其中，混凝土艙屬于浮門配重，用以降低浮門重心，保證浮門安全運(yùn)行。死水艙內(nèi)部存水被封閉在密閉空間內(nèi)，必要時(shí)可通過壓縮空氣將水吹出艙外。調(diào)壓艙內(nèi)部存水量可通過浮門深井泵進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其處于零和接近滿倉之間。通過改變調(diào)壓艙水量，可以改變浮門總重（含內(nèi)部存水）與其所受浮力之間的關(guān)系，從而完成浮門的浮起和下沉工作。機(jī)艙內(nèi)部安裝有深井泵電機(jī)及其排水管路、調(diào)壓艙充水閥操作手柄及相關(guān)部件，正常情況下始終處于無水狀態(tài)。浮門兩側(cè)面都安裝有整體橡膠水封。

2 機(jī)艙充水措施的理論依據(jù)

當(dāng)浮門死水艙無水、調(diào)壓艙無水、機(jī)艙滿水時(shí)，假設(shè)浮門“平躺”在水面且有50%門體浸入水中時(shí)，對(duì)浮門進(jìn)行浮力計(jì)算和平衡力矩計(jì)算。受力計(jì)算，如圖2所示。

圖2 浮門受力理論計(jì)算

2.1 浮力計(jì)算

式中：G浮門為浮門總重；G混凝土為混凝土艙內(nèi)部混凝土總重；G結(jié)為浮門金屬結(jié)構(gòu)件總重；G機(jī)水為機(jī)艙充滿水時(shí)水的重量；G調(diào)水為調(diào)壓艙重量；G死水為死水艙重量。

由式（1）計(jì)算得出： G浮門=540 t。

F浮力為浮門“平躺”且半浸在水中時(shí)所受浮力，約為 600 t。 所以，F(xiàn)浮力＞G浮門。

2.2 平衡力矩計(jì)算

對(duì)O點(diǎn)取矩，根據(jù)力矩平衡原理，有以下計(jì)算公式：

經(jīng)計(jì)算，求得：L1=10.81 m。

同時(shí)，求得：L2=16.7-L1=5.89 m

L1>L2，表明浮門重心靠近機(jī)艙一側(cè)。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

（1）浮力計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)浮門死水艙無水、調(diào)壓艙無水、機(jī)艙滿水且“平躺”在水面上時(shí)，浮門不會(huì)沉入水中。根據(jù)浮力定律，浮門還應(yīng)進(jìn)一步上浮，會(huì)有50%以上門體露出水面。

（2）平衡力矩計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)浮門死水艙無水、調(diào)壓艙無水、機(jī)艙滿水時(shí)，門體重心靠近機(jī)艙一側(cè)。換句話說，當(dāng)浮門死水艙無水、調(diào)壓艙無水時(shí)，在向機(jī)艙充水的過程中，浮門即可實(shí)現(xiàn)“平躺”。

綜合以上分析可知，當(dāng)浮門死水艙、調(diào)壓艙都無水時(shí)，在向機(jī)艙充水過程中，浮門即可實(shí)現(xiàn)“平躺”，且會(huì)有50%以上門體露出水面。這種狀態(tài)完全滿足水封更換要求。

3 “平躺”實(shí)施

3.1 施工準(zhǔn)備

（1）充、排水泵設(shè)置：在浮門機(jī)艙頂甲板安裝充水管路，用以向機(jī)艙充水；在機(jī)艙底板部位安置2臺(tái)排水泵，其出水管通過機(jī)艙頂甲板引出，留待浮門恢復(fù)直立時(shí)排水用。

（2）浮門浮起：用浮門自身的深井泵排出調(diào)壓艙全部存水，此時(shí)浮門會(huì)直立浮起到圖1所示水線B位置。

（3）電機(jī)防護(hù)：浮門浮起后，用自制防護(hù)罩將深井泵電機(jī)完全密封，以防止向機(jī)艙充水過程中電機(jī)受淹損壞。

（4）機(jī)艙密封：機(jī)艙密封是本工程成敗與否的關(guān)鍵。如果密封不嚴(yán)，在向機(jī)艙沖水過程中水有可能進(jìn)入調(diào)壓艙或者流出機(jī)艙。而水一旦進(jìn)入調(diào)壓艙，輕者會(huì)使操作人員無法通過Ф500 mm人孔進(jìn)入調(diào)壓艙操作Ф100 mm閘閥，重者甚至?xí)?dǎo)致浮門整體沉沒。

密封工作完成后，用0.1 MPa壓縮空氣進(jìn)行機(jī)艙密封試驗(yàn)，直至符合密封要求為止。

3.2 死水艙排水

打開靠近水庫里側(cè)的Φ100 mm閘閥，通過壓縮空氣系統(tǒng)向死水艙引入0.02 MPa壓縮空氣。此時(shí)壓縮空氣要連續(xù)供應(yīng)，不得中斷。

當(dāng)Φ100 mm閘閥出水口出現(xiàn)大量氣泡時(shí)，表明死水艙內(nèi)部存水已經(jīng)排凈。此時(shí)先關(guān)閉Φ100 mm閘閥，再停氣，以防水庫水倒灌。這時(shí)浮門已經(jīng)傾斜在水中，如圖3所示。

圖3 機(jī)艙充水前浮門傾斜狀態(tài)

3.3 機(jī)艙充水

通過預(yù)裝水泵向機(jī)艙充水，浮門進(jìn)一步緩慢傾斜。待浮門單側(cè)水封已經(jīng)完全露出水面時(shí)，停止充水。此時(shí)浮門水封已經(jīng)完全露出水面，“平躺”過程完成，如圖4所示。

圖4 浮門“平躺”后狀態(tài)

3.4 浮門恢復(fù)“直立”

浮門單面水封更換完畢，用預(yù)置排水泵排出機(jī)艙存水，此時(shí)浮門會(huì)恢復(fù)到圖3所示的傾斜狀態(tài)。打開Φ100 mm閘閥，向死水艙充水，浮門將恢復(fù)到直立狀態(tài)。

3.5 浮門另一側(cè)水封更換

待浮門恢復(fù)直立以后，拖動(dòng)浮門在原位旋轉(zhuǎn)180°，重復(fù)上述過程，完成浮門另一側(cè)水封更換工作。

4 結(jié)語

實(shí)踐證明，采用機(jī)艙充水措施讓浮門“平躺”的方法切實(shí)可行、安全可靠，“平躺”過程完全在控制之中。該措施比在機(jī)艙壓沙袋的方法節(jié)省了大量人力物力，經(jīng)濟(jì)效益顯著。整個(gè)過程沒有出現(xiàn)不可遇見的后果，保障了人員和設(shè)備安全，在類似工程實(shí)施過程中有較強(qiáng)的推廣價(jià)值。