五華縣益塘水庫加固改造金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

□鐘錄正(五華縣水利水電勘測設(shè)計室)

1.工程概況

五華縣益塘水庫位于廣東省五華縣轉(zhuǎn)水鎮(zhèn)，總庫容為1.65億m3，屬于Ⅱ型水庫。水庫在1971年開始動工，1974年建成并成功蓄水。水庫控制集雨的面積是251m2，總庫容是1.42億m3。主要建筑物有矮車壩、潭下攔河壩、溢洪道、輸水涵管、連通渠以及4800kW的壩后電站。2009年廣東省水利廳把益塘水庫評選為二類壩，2010年開始進行水庫除險加固。

以金屬結(jié)構(gòu)設(shè)置的建筑物有兩種，一是泄洪洞，二是發(fā)電輸水洞。泄洪洞位居主壩的左岸山體中，是一個圓形有壓隧洞，洞口直徑為8.0m。泄洪洞的入口處安置2扇事故檢修閘門。閘門處的孔口尺寸是4m×9.7m（寬×高），設(shè)計水頭為34.73m，主要以動閉靜啟來操作，而且門頂上設(shè)置一充水閥。

2.金屬結(jié)構(gòu)存在若干問題

泄洪洞進口事故檢修閘門以及工作閘門的主輪轉(zhuǎn)動十分不靈活，水封磨損嚴重開裂，閘門經(jīng)常出現(xiàn)漏水。閘門反軌、門楣以及底坎等埋件都采用焊接的結(jié)構(gòu)，主軌采用鑄鋼的結(jié)構(gòu)，外露的表面出現(xiàn)嚴重的銹蝕。經(jīng)過反復地核對計算泄洪洞事故檢修閘門以及工作閘門中最為主要的受力構(gòu)件以及主軌的埋件強度，結(jié)果都已達到規(guī)范要求。修檢事故檢修閘門啟閉機中，在標準的設(shè)計水位（1035.07m）的條件下，啟閉機的容量無法滿足閘門進行動水關(guān)閉之后的運用要求；高度指示的裝置早已損壞，沒有荷載限制器；啟閉機的室地面離檢修平臺相對小，事故檢修閘門無法完全提到檢修的平臺及以上，因此，在啟閉機的底部增加為高度60cm的鋼架，閘門均提到檢修的平臺以上確?？梢皂樌M行檢修。工作閘門啟閉機的容量雖然可以達到閘門動水啟閉的運用要求，但也出現(xiàn)一些問題：高度指示裝置出現(xiàn)損壞,荷載限制器無法正常的使用,制動器通電以后無法立即打開。

3.金屬結(jié)構(gòu)的改建設(shè)計

首先，對泄洪洞進口事故檢修閘門與啟閉機進行改建，其具體的改建方案是：以自潤滑軸套來替換閘門主輪的銅套；同時替換閘門水封以及連接件；對閘門的側(cè)輪及緩沖輪等進行仔細的檢修；替換充水閥，穩(wěn)固閘門吊耳；加強閘門及埋件的防腐工作；采用新的事故檢修閘門卷揚啟閉機，更新后的容量是1600KN，揚程為29m，并將拉桿拆除。

其次，對泄洪洞進口工作閘門以及啟閉機進行改建，其方案為：以自潤滑軸套來替換閘門主輪的銅套；并將閘門水封及連接件進行更換；對于閘門的側(cè)輪及緩沖輪進行詳細的檢修；同時加強閘門、拉桿及埋件的防腐工作；對于工作閘門2臺啟閉機進行詳細的檢修、維護以及防腐，減速機以及轉(zhuǎn)動潤滑部位需要進行清洗，之后重新注油；此外，更換新的制動器，增加閘門的開度儀以及荷載限制器。

再次，對于發(fā)電輸水洞進口事故檢修閘門與啟閉機進行改建，其具體的方案是：全部拆除閘門、埋件以及啟閉機，之后進行改建。改建以后，發(fā)電輸水洞進口裝置1扇事故檢修的閘門，閘門是后封水平面滾輪閘門。進口閘門處的孔口尺寸采用（寬×高）2.5m×3.0m，設(shè)計水位則以100a，而遇設(shè)計洪水位則是1035.07m；校核水位通常是500a，遇洪水位則是1037.21m，閘門設(shè)計水頭采用30.90m，校核水頭采用33.04m。在事故檢修閘門裝置1臺高揚程固定卷揚啟閉機進行啟閉，啟閉機的容量是1000KN，揚程為35m。閘門以動水閉門進行操作。

最后，對發(fā)電輸水洞的出口工作閘門以及啟閉機進行改建，其具體的改建方案是：把閘門、埋件及啟閉機全部拆除進行改建。改建之后在出口處裝置1扇以前封水平面滾輪的工作閥門。出口閘門處的孔口尺寸采用（寬×高）2.0m×2.5m，其中期設(shè)計水位是1035.07m，遇設(shè)計洪水位是100a，閘底高程采用1003.47m，設(shè)計水頭是34.6m，而考慮到水錘壓力問題，校核水頭則采用60m。工作閘門設(shè)置1臺固定的螺桿啟閉機進行啟閉，啟閉機的容量是500kN/200kN，揚程是4.5m。同時，閘門是在設(shè)計水位條件下動水啟閉進行操作，在校核水頭的條件之下規(guī)定閘門強度以及剛度達到要求，閘門只能進行擋水不可以啟閉。

4.固定卷揚啟閉機的設(shè)計

4.1 啟閉機的主要參數(shù)

此啟閉機采用多層的纏繞方式來固定卷揚啟閉機，主要由起升機構(gòu)與機架組成。起升機構(gòu)的組成部分是：鋼絲繩、卷筒裝置、開式齒輪副、動滑輪組、定滑輪組、平衡滑輪、超載保護裝置、開度指示裝置、減速機、電動機、聯(lián)軸器等，此外，還在減速機的高速軸上設(shè)置一工作制動器。

4.1.1 其中，泄洪洞進口事故檢修閘門啟閉機一些具體的參數(shù)是：

額定起的重量：1600kN

設(shè)計的揚程：29m

上極限揚程，即機架底與吊軸中心之間的距離：2300mm

工作的級別：Q2-輕

起升的速度：1.21m/min

總傳動比：332.5

電機的功率：42kW（S3-25%）

卷筒的底徑：1400mm

鋼絲繩的直徑：36mm

滑輪組備率：8

纏繞所需的層數(shù)：3

制動器：YWZ5-400/80

4.1.2 發(fā)電輸水洞進口事故檢修閘門啟閉機具體一些參數(shù)：

額定起的重量：1000kN

設(shè)計采用的揚程：35m

上極限的揚程，即機架底與吊軸中心之間的距離：3000mm

工作的級別：Q2-輕

起升的速度：1.30m/min

總傳動比：292.95

電機的功率：35kW（S3-25%）

卷筒的底徑：1400mm

鋼絲繩的直徑：28mm

滑輪組備率：8

纏繞的層數(shù)：3

制動器：YWZ5-315/80

4.2 卷筒以及擋環(huán)設(shè)計

卷筒采取雙聯(lián)雙折線繩槽，卷筒的兩端及中間設(shè)置一階梯擋環(huán)。繩槽纏繞在卷筒上的每一周范圍之內(nèi)全部由直線繩槽與斜線繩槽來組成，并且每一圈的直線繩槽以及斜線繩槽的位置都相同，卷筒斜線繩槽段和直線繩槽段之間呈對稱布置，每一周繩槽必須經(jīng)過兩段斜線繩槽順著軸向繞進下一個節(jié)距。鋼絲繩實施多層纏繞的時侯，都采用斜線繩槽來固定上層鋼絲繩以及下層鋼絲繩之間的交叉過渡點，確保上層鋼絲繩的交叉在斜線段之內(nèi)完成。在直線繩槽段中，上層鋼絲繩位于下層2根鋼絲繩所形成的凹槽內(nèi)。當鋼絲繩纏繞到卷筒的兩端或者中間的位置時，需要在卷筒兩端以及中間的位置設(shè)置一個帶有凸緣的階梯擋環(huán)，階梯擋環(huán)為了確保鋼絲繩從下層能夠平穩(wěn)地過渡到上面一層，同時保證鋼絲繩可以順利地返回，即對鋼絲繩的起抬升以及返繩進行導向的作用。

啟閉機配套的卷筒中間階梯的擋環(huán)凸緣主要有3段，第1段和卷筒第1個斜繩槽相互對應，其角度為0°～45°，沿軸向的寬度則由1個繩槽慢慢縮小至半個繩槽的寬度，沿徑向的厚度則由0慢慢擴大至第2層底徑，且到卷筒光面部分外徑的高差，主要作用是當鋼絲繩纏繞到此處的時侯，擋環(huán)把鋼絲繩提高至第2層；第2段和直線繩槽段相互對應，其角度為45°～180°，其具體的寬度是半個繩槽寬，厚度保持不變，即為等寬等厚的環(huán)面，其主要作用是確保被抬高后的鋼絲繩準確地落在由擋環(huán)段與鄰近的的下一層鋼絲繩纏繞而成的溝槽內(nèi)；第3段和卷筒的第2個斜槽段相互對應，其角度為180°～225°，寬度是由半個繩槽做小到0，厚度保持不變，其主要作用確保鋼絲繩順利返回，鋼絲繩在擋環(huán)以及鋼絲繩的水平拉力相互作用下相交于下層鋼絲繩，同時跨過半個節(jié)距過渡至鄰近的下一層鋼絲繩所形成直線溝槽，確保第1層向第2層進行順利過渡。

啟閉機配套的卷筒兩端階梯的擋環(huán)凸緣主要有7段，其中第1段和卷筒斜繩槽相對應的角度是0～45°，沿軸向的寬度是從一個繩槽慢慢增加到一個半繩槽的寬度，沿徑向的厚度是第2層底徑至卷筒光面部分的外徑之間的高差，目的是把第1層鋼絲繩所導致的缺口部位進行補齊，避免第2層鋼絲繩纏繞到此處的時候，再次落到第1層；第2段和直線繩槽段的對應角度是45～180°，其寬度是半個繩槽寬，厚度保持不變，即為一個等寬等厚的環(huán)面，具體作用是確保第2層鋼絲繩準確地落在由擋環(huán)段以及相鄰的下一層鋼絲繩所纏繞而成的溝槽內(nèi)；第3段和卷筒斜槽段相對應的角度是180～225°，其寬度是由半個繩槽慢慢擴大到一個半繩槽，厚度保持不變；第4段和直線繩槽段對應的角度是225～360°，其寬度是一個半繩槽，厚度保持不變；第5段和卷筒斜槽段相對應角度是0～45°，其寬度是半個繩槽，沿徑向的厚度由0增大到第3層底徑到第2層底徑之間的高差，其具體作用是為了將鋼絲繩抬升到第3層；第6段和直線繩槽段對應的角度是45～180°，其寬度是半個繩槽，厚度保持不變；第7段和卷筒斜槽段相對應的角度是180～225°，其寬度由半個繩槽慢慢縮小至0，沿徑向厚度保持不變，其主要作用確保鋼絲繩在擋環(huán)以及鋼絲繩水平拉力的相互作用之下和位于下層的鋼絲繩相交叉，并且跨半個節(jié)距過渡至鄰近的下一層鋼絲繩纏繞而成的直線溝槽內(nèi)，確保第2層順利過渡到第3層。

5.結(jié)語

總之，在高揚程卷揚啟閉機的設(shè)計中，卷筒多數(shù)以采用折線繩槽多層纏繞的方法，縮小卷筒的直徑以及長度，同時，纏繞的層數(shù)不可以超過4層。卷筒的直徑以及長度主要和揚程、上極限的揚程以及鋼絲繩之間的偏角等相關(guān)，鋼絲繩返繩之間的偏角控制是設(shè)計的關(guān)鍵。

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