閘門啟閉機設計方案復核

宋建華

(內蒙古綽勒水利水電有限責任公司，內蒙古 呼和浩特 010020)

閘門及啟閉設備是水利工程中不可或缺的重要水工機械，可根據需要進行擋水、泄水操作，其運行狀態關乎整個工程的安全穩定運行[1]。閘門及啟閉機應滿足起重機械技術、防腐防凍，配電配置合理等要求[2]。全方位對閘門和啟閉設備各生產環節進行調控，在生產中復核閘門啟閉機設計方案的合理性，根據圖紙及技術特性要求，對閘門啟閉機啟閉力進行驗算，以驗算結果反饋設計方案[3]。閘門應嚴格保證設計要求的孔口、門槽尺寸、垂直度和平整度，啟閉機的啟閉力符合現行規范要求[4-5]。由于鋼結構閘門長期浸泡水中易受腐蝕，顯著降低了鋼閘門的承載能力，嚴重影響工程安全性，需對其進行專門防腐保護，而鋼結構水閘門較成熟的防腐方法是涂料防腐與噴涂防腐[6-8]。閘門及啟閉機運行過程中，通過合理可靠的供配電系統對整個閘門及啟閉設備的運行狀態進行保護、監視和控制[9]。

1 供水工程基本情況

1.1 工程由來

興安盟經濟技術開發區位于烏蘭浩特市區東南部，烏蘭浩特市總面積865.15km2，總人口28.7萬人，是全盟政治、經濟、文化中心。但烏蘭浩特市是自治區嚴重缺水城市之一，水資源的短缺成為制約地區經濟和工業發展的主要因素，隨著經濟社會發展和產業結構調整，對水資源的需求越來越迫切。因此，建設興安盟經濟技術開發區工業供水工程，合理配置洮兒河豐富的水利資源，保證工業園區的正常運行是非常迫切和必要的。

1.2 工程布置

供水工程凈水廠設計供水規模為：近期10萬m3/d、遠期20萬m3/d。建筑物包括新建出口檢修閘門井、重建工作閘門室及消能段。供水工程分為改建工程和新建工程。其中，改建工程為輸水洞工作閘門及啟閉機，檢修閘門孔口尺寸為4.0m×5.0m(高×寬)，閘底板高程335.5m，設平板鋼閘門兩扇，采用卷揚啟閉機啟閉。新建工程為輸水洞出口事故閘門及啟閉機，閘門為弧形閘門，采用液壓啟閉機啟閉，閘室段寬9.0m，長16.0m，閘底板高程335.5m。消能段長19.0m，采用挑流消能，挑角21°，半徑24m，鼻坎高程335.7m。

2 閘門及啟閉機設計方案復核

2.1 輸水洞工作閘門及啟閉機

2.1.1技術特性

輸水洞正常蓄水位365.4m，設計水位366.5m，閘門啟閉機為弧門卷揚啟閉機，閘門配重40T。根據水工布置方案，需改建輸水洞出口，將弧門閘室后移，取水時將弧形工作閘門關閉，封閉輸水洞出口使水進入取水管道。閘門型式：潛孔式弧形鋼閘門，孔口數量為1孔，閘門尺寸為5.0m×4.0m(寬×高)，底坎高程335.5m，設計水頭31.0m，支鉸高度5.2m，弧面板半徑R=7.2m，運行條件為動水啟閉，閘門重量38.0t/扇，埋件重量6.0t/孔，啟閉設備為弧門液壓啟閉機，啟閉機容量QHSY-2×630KN/2×150KN。

2.1.2啟閉力復核

根據SL 74—2019《水利水電工程鋼閘門設計規范》附錄D，閘門總靜水壓力上游水平分力計算：

(1)

式中，PS—上游水平分力，kN；γ—水的容重，取10kN/m3；HS—上游水頭，m；HX—下游水頭，m；h—閘門高度(計算到頂止水)，m；B—孔口寬度，m。

根據式(1)計算得出，PS為5800kN。

上游垂直分力采用式(2)計算：

(2)

式中，VS—上游垂直分力，kN；R—弧門面板曲率直徑，m；φ—閘門底緣的上游傾角。

根據式(2)計算得出，VS為2818.8kN。

總靜水壓力計算：

(3)

閘門總動水壓力計算：

Pj=1.1P

(4)

式(4)計算得出，Pj為7093.8kN，其中1.1為動水系數。

根據SL 74—2019啟閉力計算章節，閘門閉門力計算：

(5)

式中,FW—閉門力，kN；nT—摩擦阻力安全系數；Tzd—支撐摩阻力，kN；Tzs—止水摩阻力，kN；Pt—上托力，kN；r3—上托力對弧形閘門轉動中心的力臂，m；ng—計算閉門力用的閘門自身修正系數，kN；G—閘門自重，kN；r2—閘門自重對弧形閘門轉動中心的力臂，m。

經計算，閘門閉門力FW為220.0kN。

閘門啟門力計算：

(6)

式中,FQ—啟門力，kN；R2—啟門力對弧形閘門轉動中心的力臂，m；n′g—自重修正系數；r2—閘門自重對弧形閘門轉動中心的力臂，m；Gj—加重塊重量，kN；R1—加重對弧形閘門轉動中心的力臂，m；PX—下吸力，kN；R4—下吸力對弧形閘門轉動中心的力臂，m。

經計算，得出閘門啟門力FQ為902.0kN，表明閘門不能完全依靠自重閉門，因此，需加下壓力。

2.2 輸水洞出口事故閘門及啟閉機

2.2.1技術特性

輸水洞正常蓄水位365.40m，設計水位366.5m，校核洪水位367.61m，閘底板高程335.5m，根據水工總體布置方案，并考慮應對工作閘門發生事故或檢修，初步確定在輸水洞工作閘門前布置一道事故閘門及啟閉設備，閘門型式為潛孔式平面滑動鋼閘門。閘門梁系結構采用同層布置的形式，梁系與面板形成剛性整體，整體剛度較好。閘門主梁采用組合梁焊接結構，次梁均采用型鋼結構。閘門止水型式為下游止水，頂、側水封采用P型橡塑復合止水，底水封采用刀型橡膠水封。啟閉設備初步確定采用平門卷揚式啟閉機。閘門型式為潛孔式平面滑動鋼閘門，孔口數量1孔，孔口尺寸5.0m×4.0m(寬×高)，底坎高程335.5m，設計水頭31.0m，支承型式：滑道支承，止水型式：下游止水，運行條件：動閉靜啟，吊點形式為雙吊點、吊點距為2.78m，閘門重量28.0t/扇，埋件重量：10.0t/孔，啟閉機型式：固定式卷揚啟閉機，啟閉機容量QPK-2×630KN/2×300KN。

2.2.2啟閉力復核

為減小事故閘門啟閉機持住力及避免閘門配置，閘門支承型式初步確定采用滑道支承，止水型式初步確定采用下游止水。閘門閉門力采用式(7)計算：

FW=nT(Tzd+Tzs)-ngG+Pt-WS

(7)

式中,FW—閉門力，kN；nT—摩擦阻力安全系數；ng—計算閉門力用的閘門自身修正系數；Pt—上托力，kN；WS—作用在閘門上的水柱壓力，kN。

經計算，閘門閉門力FW為-455.32kN，表明閘門依靠自重機水柱壓力可以閉門，無需施加下壓力。

閘門持住力計算：

FT=n′GG+Gj+WS+Px-Pt-(Tzd+Tzs)

(8)

式中,FT—持住力，kN；n′G—計算持住力和啟門力用的閘門自身修正系數；Gj——加重塊重量，kN；Px——下吸力，kN。

經計算，閘門持住力FT為901.7kN。

閘門啟門力計算：

FQ=nT(Tzd+Tzs)+Px+n′GG+Gj+WS

(9)

式中,FQ—啟門力，kN。

由于閘門為靜水啟門，按照4m水壓差計算，得出FQ為396.0kN。

2.3 閘門結構防腐、防凍復核

根據GB 50046—2018《工業建筑防腐蝕設計規范》，閘門及埋件防腐采用噴鋅封閉的防腐方法。除閘門加工表面、埋件與混凝土接觸面、已鍍鉻處理的不銹鋼表面外，均進行噴鋅封閉。本閘門采用涂鋅層的方式進行防腐保護，鋅層第1層厚120μm，第2層厚80μm，封閉層第1層厚50μm(環氧云鐵)，第2層厚120μm(環氧面漆)。考慮到當地冬季氣候寒冷，閘門前易結冰，根據規范規定閘門不得承受靜冰壓力，因此閘門在關閉位置時處于水下及在閘室采取適當保溫措施。

2.4 閘門及起閉機配電復核

2.4.1電源選取

供水工程閘門及啟閉設備電氣部分包括輸水洞工作閘門、檢修閘門、穩壓井用電及自動化系統。該輸水洞右側有一察爾森變電站，距離輸水洞約200m，根據GB 50052—2009《供配電系統設計規范》，永久電源采用10kV電壓等級。由該變電站10kV母線引出，為配電系統的合理性，在輸水洞旁設置一臺10/0.4kV的油浸式變壓器，變壓至0.4kV至輸水洞啟閉機房內的低壓動力柜，由動力柜饋線至各用電設備處以及穩壓井內低壓動力柜。由于10kV高壓配電線路距輸水洞較近，因此該線路采用10kV高壓電纜直埋至變壓器高壓側。工程供水保證率為97%，供電保證率要求達到100%。因此需考慮其備用電源。在輸水洞旁設置1臺柴油發電機組，當電源斷電后，由此柴油發電機組供電。

2.4.2用電負荷

輸水洞用電包括：①輸水洞事故檢修門啟閉機容量，37kW；②輸水洞工作門啟閉機容量，37kW；③其他，20kW。穩壓井用電包括：①循環潛水泵容量，5.5×2=11kW；②電動蝶閥容量，3×4=12kW；③電暖器容量，3kW；④其它：13kW。綜上，用電設備總容量為133kW。根據GB 50052—2009，輸水洞閘門與穩壓井不是同時運行，選擇變壓器容量時應以最大負荷建筑物用電負荷考慮，因此以輸水洞用電容量來選擇變壓器容量，考慮設備同時使用率、負荷使用系數以及單臺設備啟動電流倍數，最終確定頭部用電負荷應以輸水洞工作閘門負荷來選擇變壓器容量。

2.4.3供配電系統

(1)主接線的確定：由于主電源回路數為一回，所以本工程配電中心低壓接線形式為單母線接線，該方案接線簡單清晰，運行方便，能滿足運行要求。

(2)主要電氣設備及容量的選擇：輸水洞啟閉機房內布置1面型號為XL-21型動力柜以及與啟閉機配套的就地控制柜2面，柜體尺寸為(寬×高×深)700mm×1700mm×350mm；變壓器布置在室外，容量經負荷統計計算確定為100kVA，具體型號為S11-100/10/0.4kV；輸水洞、穩壓井用電均以0.4kV電纜線路呈放射狀均勻分布在0.4kV母線上；穩壓井內布置1面型號為XL-21型動力柜以及與啟閉機配套的就地控制柜1面，柜體尺寸為(寬×高×深)700mm×1700mm×350mm，穩壓井用電均以0.4kV電纜線路呈放射狀均勻分布在0.4kV母線上。

2.4.4過電壓保護及接地

過電壓主要包括操作過電壓及雷電過電壓。由于取水頭部主要負荷均為低壓負荷，不存在操作過電壓，對于雷電過電壓防護，又分防直擊雷及雷電侵入波過電壓保護2部分。對于建筑物應在各建筑物房頂上加裝避雷帶防止直擊雷。依據接地的不同作用，接地分為工作接地和保護性接地。取水頭部所有電氣設備外殼接地、自動化系統接地。本工程閘門及啟閉設備的工作接地、保護接地及雷電防護接地采用聯合接地方式。

3 結論及建議

閘門及啟閉設備是重要水工機械設備，設備安全穩定工作對整個水利工程高效運行有關鍵意義。本文對興安盟供水工程閘門和啟閉設備進行復核并評價其合理性，結果表明各項指標均滿足現行規范要求。在閘門及啟閉設備運行過程中，應加強閘門及啟閉設備的檢修與維護，遭遇超標準洪水、強烈地震、增水高度超過校核潮位等工況時，應及時進行設計參數復核及現場安全檢查，發現異常現象及時上報并處理。下一步，應以數字化、網絡化、智能化為主線，大力提高水利工程機械設備數字化應用水平，全面構建具有“預報、預警、預演、預案”功能的智慧閘門啟閉體系，為提升水利工程安全提供強有力的技術支撐。