頂升式與倒掛式液壓啟閉機組合啟閉閘門的應用

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(四川沃土項目投資管理有限公司，成都，610096)

1 概述

水利水電工程上將啟閉閘門、攔污柵所采用的各種啟閉設備統稱為啟閉機，根據布置形式，啟閉機主要分為固定式和移動式兩類，其中固定式啟閉設備主要有卷揚式啟閉機，螺桿式啟閉機和液壓啟閉機。QPPY系列液壓啟閉機適用于平面閘門的啟閉操作，主要分為頂升式、提升式和倒掛式。

頂升式液壓啟閉機油缸結構為雙吊點柱塞頂升式單作用啟閉機，油缸安裝在閘墩內的預埋鋼筒中，閘門在頂部兩側各設置外伸式吊耳，柱塞桿直接頂起吊耳帶動閘門提升，自重閉門。倒掛式液壓啟閉機油缸結構采用活塞提升式單作用啟閉機，油缸缸體穿入門體，活塞桿末端倒掛在閘壩上部的排架梁上，通過活塞桿收入油缸中來提升閘門，自重閉門。

2 組合啟閉閘門方案的提出

旺蒼縣城區河道綜合整治工程(一期)開發任務是完善旺蒼縣城區防洪排澇體系，改善城市水生態環境，促進經濟社會持續健康發展。項目建設內容主要包括旺月閘和石龍閘，其中旺月閘采用露頂式平面定輪鋼閘門，閘門尺寸14m×8.6m，閘室底板高程457.40m，正常蓄水位466.00m，百年一遇校核洪水位471.60m，閘門最大提升高度15m，正常蓄水位和校核洪水位變幅達5.6m；石龍閘同樣采用平面定輪鋼閘門，閘門尺寸14m×9.8m，閘室底板高程448.60m，正常蓄水位458.40m，百年一遇校核洪水位462.50m，閘門最大提升高度14.9m，正常蓄水位和校核洪水位變幅達4.1m。

由于兩座閘壩均位于旺蒼縣城區，若采用常規的卷揚式啟閉機、提升式或倒掛式液壓啟閉機，均需設置高排架，嚴重影響城市景觀；若采用常規的頂升式液壓啟閉機，雖可取消排架，但需在閘門門葉兩側布置又高又大的吊耳，不僅增加風荷載，而且增加了頂升式液壓啟閉機的受力情況，同時柱塞桿工作行程基本上達到15m，需加大桿徑、缸徑，技術難度及設備費用顯著增加；若采用帶滑輪組的頂升式液壓啟閉機，雖可以減少液壓啟閉機行程，但由于閘門提升高度較高，已基本脫離門槽，無法抵抗風荷載，對閘門結構穩定和運行安全不利。

根據旺月閘和石龍閘的實際情況，結合頂升式液壓啟閉機和倒掛式液壓啟閉機的工作原理，提出了頂升式和倒掛式液壓啟閉機組合啟閉閘門的新型啟閉方式。目前，該新型的組合啟閉方式已由發明人申請實用新型專利和發明專利。

3 組合啟閉閘門方案工作原理及適用條件

3.1 工作原理

頂升式與倒掛式液壓啟閉機組合啟閉閘門方案，同常規的頂升式液壓啟閉機方案和倒掛式液壓啟閉機方案在布置和工作原理上基本相同，所不同的是前者閘門兩側不再設置外伸式吊梁，閘壩上部也不設置固定排架梁，而是通過一根活動的操作橫梁連接頂升式液壓啟閉機柱塞桿和倒掛式液壓啟閉機活塞桿，工作原理見圖1所示。

圖1 頂升式與倒掛式液壓啟閉機組合啟閉閘門方案工作原理

閘門采用雙吊點，門葉左右兩側主梁分別固定一支倒掛式液壓啟閉機，活塞桿頭采用軸承與操作橫梁鉸接。閘墩左右分別埋設一支頂升式液壓啟閉機，柱塞桿頭采用軸承與操作橫梁鉸接。啟門時，先由頂升式啟閉機頂推操作橫梁帶動閘門至油缸最大行程，再由倒掛式啟閉機提升閘門至全開位置或檢修位置；閉門時，先由頂升式啟閉機下放操作橫梁帶動閘門至頂升油缸全縮狀態，再由倒掛式啟閉機將閘門下放至全關。

3.2 適用條件

根據頂升式與倒掛式液壓啟閉機組合啟閉閘門方案的工作原理，考慮到機械加工能力有限，液壓啟閉機最大行程僅能達到20m左右。組合啟閉閘門方案適用于閘門提升較高(≥10m)、正常蓄水位和校核洪水位變幅較大(≥3m)的城市水景觀攔河壩的平面閘門。

4 組合啟閉閘門設計要點

旺蒼縣城區河道綜合整治工程(一期)旺月閘和石龍閘，閘門提升較高(15m和14.9m)，正常蓄水位和校核洪水位變幅較大(5.6m和4.1m)，率先采用了頂升式與倒掛式液壓啟閉機組合啟閉閘門的啟閉方式。本文以旺月閘為例，對組合啟閉閘門的設計要點進行分析。

旺月閘頂升式液壓啟閉機容量為2×1000kN，工作行程9m，吊點間距16.7m；倒掛式液壓啟閉機容量為2×800kN，工作行程6m，吊點間距13.2m。

4.1 啟閉機安裝高程

啟閉機的安裝高程需綜合考慮閘門開啟高度、洪水、啟閉機行程、景觀效果等。安裝高程既要避免過低，防止啟閉機、行程檢測控制裝置經常受洪水侵襲，又不宜過高，防止超過閘頂影響美觀。旺月閘啟閉機安裝高程以上柱塞桿和操作橫梁總高度為1.96m，如安裝高度選擇在閘前校核洪水位471.60m以上40cm，橫梁將超過閘頂，影響美觀；且會增加倒掛式啟閉機的工作行程，影響其在門體中的布置。考慮到百年一遇校核洪水不常遇到，且旺月閘啟閉機安裝高程更多的是受到下游校核洪水位471.08m的影響，故安裝高程確定為471.50m，操作橫梁低于壩面0.04m。

圖2 旺月閘啟閉機安裝高程示意

4.2 油路布置

旺月閘閘門左右兩側均布置頂升式液壓啟閉機和倒掛式液壓啟閉機，為避免單獨布置油管控制倒掛式液壓啟閉機而帶來的油路布置問題。經設計人員分析研究，采用頂升式液壓啟閉機柱塞桿空腔過油，通過柱塞桿端頭的液壓油管，進入倒掛式啟閉機活塞桿液壓缸中，通過柱塞桿和活塞桿受力面積差，實現先頂推啟閉機推動閘門，后倒掛啟閉機提升閘門。倒掛液壓缸無桿腔油流入布置于門葉上的副油箱中。

4.3 閘門同步控制

由于每道閘門布置4臺液壓啟閉機，閘門啟閉過程中液壓系統依靠比例調速閥實現液壓啟閉機的同步，同時每臺啟閉機配1套恒張力鋼絲繩行程檢測裝置，輸出SSI信號，設極限位位置開關。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四臺液壓啟閉機的行程偏差，當偏差值≥8mm時，電磁鐵自動斷電，調整液壓缸進、出油量，使同步偏差值縮小至5mm以內，糾偏調節停止；當偏差達到15mm時報警，超過25mm時停機。

4.4 橫梁溫度應力

旺月閘操作橫梁為金屬結構，總長度17.5m，其中頂升式液壓啟閉機吊點間橫梁長度16.7m，倒掛式液壓啟閉機吊點間橫梁長度13.2m，需考慮溫度變化帶來的操作橫梁縱向的結構變形和位移。如操作橫梁兩端與柱塞桿(活塞桿)完全固定，沒有伸張的余地，高溫環境下鋼結構內部產生較大的溫度應力不能釋放，夜間溫度降低導致的收縮又產生新的溫度應力，有可能產生破壞使結構失效。本工程通過頂升式啟閉機柱塞桿端頭軸承和倒掛式啟閉機活塞桿端頭關節軸承，與操作橫梁分別鉸接，有效解決操作橫梁溫度應力帶來的輕微變形產生的不利影響，確保了結構安全。

4.5 液壓啟閉機安裝精度

同一孔口兩側的預埋缸筒頂面中心連線應位于設計位置連線的同一側，且偏差均不大于2mm，頂升式液壓啟閉機預埋鋼筒在孔口寬度方向的位置均按吊點間距16700mm控制，倒掛式液壓啟閉機門葉及橫梁的預留空洞位置均按吊點間距13200mm控制，同一孔口兩側的預埋鋼筒頂面中心相對孔口中心線的偏差不超過±2mm。

5 結語

頂升式液壓啟閉機與倒掛式液壓啟閉機組合提升閘門，在保證閘門提升高度不變的情況下，有效地降低了單個液壓啟閉機的行程和容量，使設備布置更加緊湊、結構更加安全、運行更加可靠，對校核洪水位和正常洪水位相差較大的城市水景觀攔河閘工程來說，是一種行之有效的解決啟閉機行程過長的啟閉方案。