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多节浮箱式检修闸门设计研究
 
慧聪网   2005年12月2日14时19分   信息来源:《黄河规划设计》    

    摘要:多节浮箱式闸门是一种融合了普通叠梁闸门和浮箱闸门这两种类型闸门的众多优点,并结合工程的实际情况设计的一种无永久启闭设备的检修闸门,适合于静止水流且有稳定水位的孔口部位。这种闸门造价较低、操作简单、运行可靠、维护方便,因此是一种非常经济的闸门形式。

    关键词:闸门 多节 浮箱 设计研究 

    1 概述

    多节浮箱式闸门是一种融合了普通叠梁闸门和浮箱闸门这两种类型闸门的众多优点,并结合工程的实际情况设计的一种无永久启闭设备的检修闸门。该闸门布置在小浪底工程1#孔板泄洪洞出口的末端。

    小浪底工程设有3条孔板泄洪洞,每条洞子设两条进口,各布置一道检修闸门和一道事故闸门,然后汇合成龙抬头式压力洞,在中闸室处由中墩分为两孔后再汇合为明流洞,在洞尾泄入消力塘。由于孔板泄洪洞的水头高流量大,水流经过孔板消能到达出口时仍保持了较高的流速,考虑到隧洞可能因为高速水流的影响而遭到破坏,因此该洞必须经常检查维护。1#孔板洞消能鼻坎的高程为129m,而最低尾水位为134m,工作闸门布置在中闸室,因此中闸室之后的700多米的隧洞会长年淹没在水下(见图1)。检修这段洞身,需在隧洞出口处设置一道检修闸门,将消力塘与洞子隔开,检修隧洞时只需将洞内的水抽干即可。

多节浮箱式检修闸门设计研究

    2 门型选择

    初步设计时,曾考虑在出口边墙上布置检修门槽,由于出口水流流速高,在边墙上的门槽改变了该处的体形,极易产生气蚀破坏,给将来的检修闸门安装时带来隐患。

    因此,在方案比选阶段重点是对布置常规平板检修门和浮式检修门进行比较。

    泄水洞出口处的环境不利于布置闸门和启闭设备,由于相邻的泄水建筑物消能方式为挑流消能,此处的金属结构设备将处在暴雨级的雾化环境和泥化环境中,存放的设备难以保护。常规平板检修门需要在出口边墙上增设门架及启闭设施,造价较高。浮体门借助水的浮力所需启闭容量较小,造价较低。另外受周边的地形限制,常规检修门检修完毕后将闸门和启闭设备运走也很困难。浮体门可以通过下游消力塘运出。经研究决定采用浮箱式检修门的方案。

    检修门孔口宽12m,设计水头9m。整体浮式检修闸门无法直接通过水进入消力塘,如若采用其他方法把闸门运进消力塘或存放在消力塘,运行若干年后消力塘必将泥沙淤积严重,整体浮式检修门也不具备翻身条件,多节浮箱式检修门可以通过汽车吊直接放入消力塘中。因此,最终选用多节浮箱式检修门方案。

    相比其他检修闸门,多节浮箱式检修门有以下优点:

    (1) 启闭工作全在水面以上,工作安全可靠;

    (2) 检修工作完毕,设备可以全部运走,有利于设备的防护

    (3) 不需潜水人员,节省人力;

    (4) 不需水下挂脱钩装置,简化了结构和设备;

    (5) 减小了启闭容量,节约了起吊设备;

    (6) 箱形结构在同样梁高时有较大的刚度和较好的力学性能,尤其适用于大孔口。

    3 闸门设计

    3.1 结构设计

    多节浮箱式检修门的结构特征是每一单元门体具有一个封闭的空腔,空腔的体积视门体的重量和设计条件而定,空腔排开的水量不小于门体的重量,门体在静水条件下可以漂浮在水面,闸门的全部操作均在水面以上,操作过程既安全又可靠。

    小浪底工程多节浮箱式检修门孔口尺寸宽12m,设计挡水水头9m,支承跨度12.76m,两端导入门槽内的部分为0.25m,底部4节各高2m,重13t,由三根主梁和上下游面板组成上下两舱,上下舱相通构成一个大的密封舱体,使闸门利于在水中浮动运输,具体结构见图2。顶节高1m,7.5 t,由两根主梁和上下游面板构成密封舱,满足闸门在水中浸没要求。下面仅对底部四节的结构设计作以介绍,顶节与底部四节大致相同,只是高度为其一半。

多节浮箱式检修闸门设计研究

    闸门挡水侧设四个进人孔,以利于闸门施焊和以后检修时使用,制造完毕把闷头用螺栓紧固封闭。在闸门的非挡水侧设两个进气孔,两个排水孔,四个孔口与四个手动球阀连接,进气球阀上还配置了快速接头,以便与充气管的连接。通过开关阀门以实现闸门封舱漂浮和灌水下沉。阀门平时全部处于关闭状态,只有在闸门就位后才打开以保证闸门充水下沉和检修完毕充气排水上浮。闸门在工厂组拼完成后必须做水压密闭试验以确保闸门在工作期间内腔不会进水。为方便阀门操作,在非挡水侧设置了爬梯。

    在每节闸门顶部设置了两个吊耳,供闸门就位时调整位置用,吊耳上装着一盘起重链条,链条顶部与手动葫芦连接,闸门安装好后,链条就放在闸墩上,以便将来起吊时再重新挂在手动葫芦上。

    3.2 支承和封水

    箱体安装与拆除时需通过水面漂浮移动,这就要求门体应对称地平漂在水面,所以门体设计时应考虑其重心尽可能接近几何中心。为了达到这一点,闸门支承块、定位块、节间垫块的材料选择了密度较小的工程塑料,由于这种材料的韧性好,强度高,可直接用螺栓固定。

    闸门主支承的作用是挡水时传递荷载,启闭闸门时起导向作用。为保证闸门支承平稳,滑块沿箱体通长方向连续布置。定位块的作用是保证上一节门体平稳的压在下一节门体的节间支承垫块上,门体两侧面设置了侧轮。

    橡皮止水采用了连续闭合式密封形式,为了保证节间止水的接触,止水的断面采用P型方头橡皮,这样与平面接触可以适应相邻闸门定位的误差而且渗径较长。每节箱体的侧止水均布置在非挡水面主支承的内侧,底止水的布置主要考虑减少闸门箱体产生的巨大浮力,消除不利闸门的稳定的因素,因此把每节的底封水布置在挡水侧,这样节间止水面就形成水平放置的U形,每节门体顶、底节间止水的两个U形与侧止水相连,就形成了一个连续密封环。相邻两节门体的节间止水叠在一起,就起到了节间止水的作用,侧止水橡皮是借助门体承受的水压力被紧压在门槽的止水座板上起止水作用的。

    橡皮的材质为SF6674,但硬度比普通止水橡皮低20~25度。因为止水橡皮完全靠自重压缩橡皮起作用,由于门体较轻,而且抽水后箱体内部的水需完全排出,硬度大了会减小节间止水橡皮的压缩量和渗径,增加漏水量。

    3.3 埋件设计

    浮箱式检修门是在泄水洞出口边墙尾部平端面和底流消能鼻坎后底部伸出的1m宽的平台上设置一套永久钢结构门槽。门槽的封水座板和主、侧轨支承面的高度必须高过闸门,利于闸门的支承和导向,而外悬的门槽的缺口位置必须在漂浮门体的底部,并且在顶部设过度圆弧段,保证闸门能够顺利入槽。因此缺口位置应根据漂浮门体的吃水深度确定,闸门的厚度850mm,吃水深度500mm,水面还考虑200mm的波动,故确定的门槽缺口位置在水下1m。

    4 主要设备

    闸门的操作是从消力塘岸边用汽车吊把密封的箱体一节节的吊入水中后,由于闸门为密封舱,故会漂浮在水面上,然后把牵引绳拴在闸门上,用人力将其牵引至闸槽处。在两侧闸墩上安装两个悬臂式手动葫芦支架,用于悬挂两个10t手动葫芦。手动葫芦与闸门顶部设置的起重吊链连接用来调整闸门上下左右位置。另外准备两台空气压缩机和10根(50mm的软管,每节闸门装两根软管,用于通气排水,两台空气压缩机用于向闸门内输送高压空气,空气压缩机与通气软管相连。空压机容量的确定主要根据浮体门的内部容积和启门时间来计算。本闸门下面四节箱体的充气容积约为26m3,选用两台容积1 m3,压力1MPa的移动式空压机,这样每节闸门的充气时间控制在15分钟以内。

    从上述情况可以列出主要设备清单:

    汽车吊 1台(临时租借)

    牵引绳 4根

    10吨手动葫芦 2台

    起重吊链 10根

    空气压缩机 2台

    50mm软管 10根

    5 闸门运用

    多节浮箱式检修闸门存放在门库内,利用汽车吊将密封的一节节箱体吊入水中,在起吊前,先检查所有阀门是否关闭以保证吊入水中的闸门能够漂浮在水面上,然后把牵引绳栓在闸门上,利用人力将闸门牵引至1号孔板洞出口门槽处。拉起盘在闸门吊耳上的起重吊链,挂在两边墙顶部的两台10t手拉葫芦上,然后吊起闸门,这时就可以打开装在闸门上的四个阀门,下放手动葫芦使整个箱体充水下沉至底坎,下沉过程要求不停的调整两手动葫芦的下放位置,保证左右对称下放,不让闸门中途卡住,沉放到位后再卸掉起重吊链挂在旁边的栏杆上,以备上浮时使用,至此完成了第一节箱体的就位过程。按照上述顺序可将其余各节箱体沉入门槽,注意每节闸门下放的高度是否已与下一节完全接触,这样才算完成整个闸门的闭门过程。

    闸门完成下沉工作后,就可以用水泵抽干泄水洞内的积水,使洞内形成旱地施工条件。门体挡水侧因承受水压力作用,将门体压在闸墩上,当支承压在闸墩上时,止水已紧紧的压在封水座板上,形成较好的止水条件。当检修工作完毕需要提门时,首先把准备好的充气软管与各节的顶部两个阀门连接起来,充气软管另一端放在闸墩上,这时就可以向洞内充水,直至处于平压状态。

    闸门平压后,把顶节箱体的两个充气管连接到各自的空气压缩机上,开动压缩机向顶节箱体充气排水,使门体逐渐浮出水面。这时可以再用手动葫芦将浮箱吊起,让全部阀门露出水面,利用爬梯去把阀门全部关闭,然后下放葫芦使箱体漂浮在水面上,同时把起重链条盘在吊耳上,再把牵引绳拴在闸门上,用人工牵引浮箱至消力塘岸边,再用汽车吊将浮箱吊出水面。依此顺序,把其他各节也吊至岸边存放,这样就完成闸门的全部操作。

    多节浮箱式闸门是一种无永久启闭设备的检修闸门,它适合于静止的水流且有稳定水位的孔口部位。由于闸门启闭及存放所需的汽车吊,移动式小型空压机,手动葫芦,吊装带等设备均为临时的通用设备,无需专门配备,而且门体漂移的吃水深度不到1m,单人即可牵引移动,这就减少了设备造价。闸门平时存放在环境条件较好的地方,可大大延长闸门的维护周期,减少维护费用,因此是一种非常经济的闸门形式。

    6 结束语

    小浪底多节浮箱式检修闸门已于2001年汛前完成了第一次检修任务,整个施工过程完全按照设计步骤实施,安装非常顺利。只动用了很少的人力和很短的时间就将闸门安装到位,洞内抽水后显示止水效果非常好,无论是侧止水、节间止水还是底止水,均达到了几乎滴水不漏的效果。隧洞检修完后,闸门的充气启门及水面漂运都很正常,实践证明设计是成功的。该工程的设计及施工实践为今后在类似检修闸门的选择提供了一个新的方式,尤其是在高速水流的出口,不能布置普通检修闸门,又不满足整体浮式检修闸门的运输与翻转的地方设计多节浮箱式闸门既节约了大量投资,又避免了以后的长期维护,是一个比较理想的门型且值得推广的门型。

 
作者:侯庆宏 乔为民 
 
 
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