石头河水库泄洪洞弧形工作闸门改造实施方案

张军旗 蔡大为

（陕西省石头河水库灌溉管理局 陕西 杨凌 712100）

1 工程概况

石头河水库位于陕西省眉县斜峪关，水库枢纽主要由拦河坝、溢洪道、泄洪洞、输水洞及坝后电站组成，设计库容1.47亿m3，坝高114m，属大（2）型水利工程。泄洪洞布设于左岸，深孔塔式进水口，塔内设事故闸门和弧形工作闸门各一扇。弧形工作闸门孔口尺寸5.5m×5m，设计水头66m，设计泄洪流量850m3/s，启闭设备采用BJQ－2×1000kN固定卷扬启闭机，启闭机布置于809.10m高程，启闭机与23m长吊杆连接，通过导杆在滑槽内滑动，带动闸门启闭。

2 存在问题及初步设计方案

泄洪洞闸门及启闭机自1981年7月建成投运以来，承担了水库的全部泄洪任务，在运行中暴露出以下安全隐患：由于设计启闭力不足，高水头下，必须依靠事故闸门和工作闸门相互配合才能完成闭门动作；如果在某一开度需要增加闸门开度，必须把闸门先行关闭后，重新开启才能达到需要的开度。由于制造、安装误差，闸门出槽后，门叶整体向右偏移，关闭闸门时必须用千斤顶向左顶正后才能入槽。由于闸门起吊由“启闭机—连接杆—滑槽—平衡梁—闸门”组成，导杆与滑槽为钢对钢摩擦，摩擦面锈蚀导致启闭过程中卡阻严重。另外，由于支铰轴套胶木材料老化，有抱轴现象。

为解决以上安全隐患，2009年，陕西省水电设计院依据闸门及启闭机安全检测报告对泄洪洞弧形工作闸门更新改造进行了初步设计，同年，黄河水利委员会对其进行批复，同意对弧门及启闭机进行更新改造。更新改造后的工作闸门，支铰位置不变，将铰座高度减小20mm，作为铰座基础调平层，支铰轴承为自润滑球铰；闸门弧面半径由R10m变为R9.8m，门楣水封更换为转铰水封；闸门采用整体弧面加工技术，分两节制造，节间采用高强螺栓连接；止水采用橡塑复合水封；为解决门叶偏移问题，对闸门埋件进行改造；闸门启闭机更换为QHSY2500kN/1200kN-8.0m液压启闭机，提高了启闭力。

3 改造实施方案

3.1 液压启闭机大梁加固

设计液压启闭机安装于泄洪塔759.00m平台原闸门锁定大梁位置，梁断面尺寸600mm×1000mm。为满足液压启闭机的基础受力，需要加大梁断面和配筋，梁断面外形尺寸加大到1100mm×1250mm。由于启闭机梁是双向受力，因此，梁的加固采取梁底增加配筋、梁面粘贴钢板的方法。

施工时，加固梁的新旧砼结合面进行凿毛，使原砼中的碎石外露约1/3～1/2。新增钢筋锚固于两端塔壁之中，为了便于植筋钻孔，凿出原有塔壁主筋，并对锚固质量进行了拉拔试验。砼采用高强无收缩灌浆料，人工拌合、连续入仓振捣，浇筑完工后，精心养护。

3.2 闸门埋件改造

闸门门楣设计采用转铰水封结构，与原门楣止水结构完全不同，施工时对原门楣埋件全部凿除更换。

由于门叶弧面半径比原设计减少200mm，原底槛宽度不足，初步设计对原底槛全部凿除更换。施工时，保留原有底槛，在原底槛后补加厚钢板，用双排锚杆进行锚固，上游侧和原底槛钢板相焊接，减少了改造工程量，降低了工程造价。

闸门侧轨三面镶嵌在混凝土中，如果按设计全部凿除更换，施工难度大、工程造价高、原水工结构破坏严重，经过充分论证，以原侧轨锚板为基础，贴焊不锈钢板是简单可行的施工方案。在原闸门拆除完后，用碳弧气刨清除原侧轨上的不锈钢板以及和不锈钢面齐平的薄钢板，露出侧轨基础钢板，将基础钢板表面修补、打磨齐平，然后以闸门孔口中心为基准，对基础锚板进行精确测量，绘制出基础锚板位置偏差图，依据偏差关系，画出需要在侧轨上贴焊的不锈钢板分段图，将厚度20mm的不锈钢板点焊在托板上进行加工，将加工好的楔形不锈钢板现场进行试装，并进行复测。焊接定位除在不锈钢板中间位置开设塞焊孔外，每500mm布设一个千斤顶，压紧不锈钢板。整个侧轨不锈钢板贴焊完毕后，对表面进行完整抛光。侧轨的改造，修正了原闸门侧轨不锈钢面上下10mm偏斜，门叶整体向右偏移问题。经过闸门安装后的试验，门叶启闭平顺、密封良好。

3.3 液压启闭机性能及控制

设计闸门启闭机选用QHSY2500/1200kN-8m液压机，缸径Φ540mm、杆 径 Φ340mm、工作 行 程7748mm、最大行程 8000mm、启门力2500kN、闭门力 1200kN、启门速度0.8m/min、闭门速度0.5m/min、液压杆总长（活塞杆全缩回时）12.5m，其中油缸总长9.22m。液压启闭机支承点位于油缸顶部下1.04m处，不同于常规的在缸筒中间位置的支承，目的是为了将759.00m高程作为支承平台的需要。

活塞杆采用陶瓷喷涂防腐工艺，即高速火焰（超音速气体）喷涂NiCr基础层，阳极等离子喷涂Cr2O3+NiCr2面层，基础层厚度100μm，面层厚度200μm。陶瓷层表面硬度大于HRC64，磨后表面粗糙度Ra0.2～0.3。

液压泵为HYDCOM公司的手动变量柱塞泵，额定压力28MPa，排量 100ml/r；电动机为SIMENS公司的Y250M-4-B35型，功率55kW，转速1480rpm。

液压缸行程检测采用YQX-II-4内置式行程检测装置，密封安装于液压缸端盖处，通过与活塞杆相连的钢丝绳带动高精度的旋转编码器输出数据信号，实现闸门开度的数字化显示和控制。行程检测装置采用绝对型输出信号传感器，开度检测装置不受电源断电影响，输出信号连续、可靠，具备优良的抗电磁干扰性能。检测精度不低于±1mm。上、下极限保护精度偏差≤1mm，防护等级IP65。

现地控制机柜选择开关有三个位置，分别为：远方自动控制方式、现地自动控制方式、现地手动工作方式，上述工作方式之间相互互锁，通过选择开关进行切换。现场通信通过闸门控制系统网络实现。现场设有视频监控系统。

现地手动工作方式，启闭机不受PLC控制，仅通过操作面板上的启门、闭门按钮，这样可以保证在PLC故障的情况下，通过简便快捷的单步操作，由继电器硬线路控制完成闸门启闭。

现地自动工作方式时，启闭机受PLC控制，通过“启门”、“闭门”、“停止”以及开度预置等，使闸门运行到需要开度。

远方工作方式时，启闭机通过PLC受控于中央控制单元，由中央控制单元控制现地设备运行，其控制功能与现地自动控制工作方式完全一致，只是启闭机控制信号来自远方监控系统。

4 改造后运行情况

泄洪洞工作弧门及液压启闭设备安装完成后，参建各方按照闸门安装规范《DL/T5018-2004》对安装情况进行了检测和试运行。经检测，二次粘贴的侧水封不锈钢板，垂直度偏差1mm，平整度偏差1mm；门楣转较水封垂直偏差1.5mm，水平偏差1.5mm；止水橡皮压缩量4.0mm；门叶中心偏差1.5mm，门叶水平偏差1.5mm；支铰同轴度偏差1.4mm；弧门在51m静水水头作用下无渗漏。液压泵站及油管打压23MPa，持压35min，系统压降0.0MPa；油箱油位正常、油温25℃，均达到了规范要求；试运行过程中，启门速度0.68m/s，液压泵站系统压力16.0MPa，有杆腔压力10.0MPa，无杆腔压力1.0MPa；闭门速度0.43m/s，液压泵站系统压力6.0MPa，有杆腔压力8.2MPa，无杆腔压力4.8MPa；液压机及闸门运行平稳，闸门开启到检修位置，无偏移现象；48小时闸门自动下沉量3mm；手动、自动控制过程中，闸门开度传感数据与实测数据相差最大值2mm；150m3/s动水试验，闸门及启闭机运行平稳，任意开度启、闭门灵活自如。更新改造后的工作弧门及液压启闭机达到设计和规范要求，满足水库泄洪能力。

5 建议及体会

（1）改造项目前期的设计、实施方案仅是大原则，对实际施工仅具有参考意义，施工单位应结合工程结构特点和实际存在的问题，在施工前，以方便实施、经济合理、安全可靠为原则，制定切实可行的实施方案。

（2）改造项目施工空间小，制约因素多、实施难度大，目前采用的概预算定额远远脱离改造工程实际，不能真实反映工程成本，应作具体研究修正。

（3）本工程液压启闭机油泵电机采用的是一用一备的补投备用方式，即正常工作时，一套泵组投入运行，另一套泵组不投入运行，当运行泵组发生故障时，未运行的泵组自动补充投入运行，液压启闭机运行速度恒定不变。设计液压启闭机启门速度0.8m/min，按照该速度，闸门全开仅需要7min，从水库多年的运行来看，这一速度过快，如果采用减速备用，即两套泵组同时投入运行，达到设计启闭速度，当其中一套泵组发生故障时自动退出运行，液压缸以减速方式继续运行，减速后的启闭速度完全满足使用要求。同时，减速备用可减小单套泵组电机功率，降低备用发电机容量，利于节能。水利水电工程液压启闭机大多运行不频繁，且在实际运行中，液压泵的故障率较低，不会对闸门正常启闭产生影响。因此，本工程采用减速备用方式更为合理。

（4）改造后的机电设备较原设备技术先进，相对复杂，需对运行管理人员进行专业培训，提高管理技能和水平。陕西水利