顶升式液压启闭机在七星河水位调节坝中的应用

陆美文，唐 翔

（1.广西水利电力职业技术学院，南宁 530023；2.广西水利电力勘测设计研究院有限责任公司，南宁 530023）

1 工程概况

大藤峡水利枢纽的正常蓄水位为61.0 m，淹没影响来宾市的武宣县七星河。经过对七星河进行现场查勘及测量，河口处河谷高程与两岸高程分别为36.0、66.0 m，河道呈现出蜿蜒曲折的形状。七星河库区在汛期来临之际大藤峡水库处于低水位运行状态，消落带随之形成。从武宣县城的地理位置来看，与七星河毗邻而居，在夏季消落带裸露，其后果是导致污泥淤积，垃圾成堆，会有大量的细菌和病毒衍生，由于污染而直接威胁到水环境的安全，导致城乡居民生产生活环境恶化。为了解决此问题要采取的措施，可以将水位调节闸坝修建在七星河下游与黔江出口的位置，在闸坝上游61.0 m高程范围内形成人工湖，主要功能是保持七星河消落区水位，使七星河水位在汛期来临时不会因大藤峡水库水位的涨降而改变。另外，为了最大限度降低黔江水位变化对七星河两岸的影响，要求调节坝具有防御外江50年一遇标准的防洪功能。

2 调节坝金属结构设备布置方案比选

2.1 设计理念与原则

七星河水位调节坝正常蓄水位为61.0 m，设计洪水位（P=2%）61.17 m，校核洪水位（P=0.2%）61.27 m，相应的水库总库容为2087万m3，为中型水库，Ⅲ等工程。水位调节坝主要建筑物按3 级建筑物设计，设计洪水标准为50 年一遇，校核洪水标准为500年一遇，消能防冲标准采用30年一遇。水位调节坝防御外江50 年一遇洪水对应七星河河口水位为66.35 m。本次设计对两条基本可行的坝轴线进行定性分析比较：上坝线位于黔江汇合口上游约670 m 的河道直段处，下坝线位于黔江汇合口上游约100 m 的河道直段处。根据地质勘察结果，上坝线存在左坝肩单薄，左岸坝下游存在滑坡体等重大地质问题，处理难度较大，且左岸还存在地形垭口，需修建副坝防漏；下坝线工程地质问题相对较简单，处理较容易。因此，设计推荐采用下坝线。选定的坝线处地形狭窄，两岸坡陡峭，覆盖层薄，风化层相对较浅，由于坝址两岸地形均无天然垭口，若修建土石坝，将导致溢洪道、抽水泵站等泄水建筑物需另行布置，不但工程量大，且无法满足调节坝防御外江洪水的功能，也与城市景观不协调。本工程所处区域石料丰富，地形、地质条件也适宜修建混凝土重力坝，故设计推荐混凝土重力坝。

2.2 拟定比选方案

通过闸门孔口及孔数选择分析，溢流堰堰顶高程54.0 m，设3孔，每孔净宽12 m。溢流坝对于七星河水位起到双向挡水和调节功能，以其功能需求为依据进行了优化设计，对于溢流坝段及闸门型式制定出3个布置方案。

2.2.1 防洪工作闸门兼检修闸门+弧形工作闸门方案（方案一）

一旦有50 年一遇洪水在大藤峡库区（外江）发生，弧形闸门虽然具有挡水的功能但只能单向进行，如果出现外江洪水倒灌七星河的意外则无法进行防御，所以需要采取有效的措施解决此问题，可以采取在弧形闸门上游侧增设一道平板闸门的做法，同时还要增设胸墙，底高程为61.5 m，对外江洪水具有较好的防御作用。本文对于溢坝段进行了设计，总宽度为51.0 m，溢流坝段闸墩由于增设平板闸门和胸墙，需要增加到30.1 m，溢流堰堰体长度需增加至28.0 m。启闭防洪工作闸门兼修闸门的操作比较复杂[1]，利用台车式启闭机自动抓梁，通过液压这种方式来操纵弧形闸门的启闭[2]。还要注意的是七星河水位调节坝所处的特殊位置（建于武宣县城区之中），上游是七星湖风景，显然启闭机排架不适合采用高耸模式，因此拟采用台车式启闭机，架设在风雨桥横梁上，轨底高程74.0 m，该启闭机的盖顶全部为风雨桥屋顶，方案一彰显出弧形闸门的功能，能够较好地挡住内江水，无须另设门槽，具有较好的流态，在操作时所采用的是液压启闭的方法，无须另设排架，具有操作安全简单、管理方便的优点。图1为方案一溢流坝段下游立视图。

图1 方案一溢流坝段下游立视图

2.2.2 平板闸门+卷扬机方案（方案二）

本方案所采用的是传统方法，即安装两道平板闸门，检修和工作两道闸门分别位于上游处和下游处。胸墙建于工作闸门上游，底高程确定为61.5 m。检修闸门3 孔，共用1 扇，钢闸门采用的是滚动式，能够做到双向挡水，设置1门1机，操作控制则分别由1 台固定卷扬式启闭机来完成，本方案设了51.0 m 的溢流坝段总宽和22.4 m 的闸墩长度，溢流堰堰体长24.0 m。启闭机设备安装在于风雨桥横梁上，以77.5 m为梁顶高程，以风雨桥屋顶作为启闭机盖顶。方案二的闸门结构简单，布置紧凑，检修、操作方便，闸墩不需拉长，投资较省。图2为方案二溢流坝段下游立视图。

图2 方案二溢流坝段下游立视图

2.2.3 平板闸门+液压启闭机方案（方案三）

方案三与方案二相比较，两者在布置上并无大的差异。以七星河闸坝双向挡水和调节水位功能为依据，并与景观要求相结合，同时考虑七星河闸坝下游在汛期会出现47.63 m 的最低水位，因此只设置上游检修闸门，不设下游检修闸门。工作闸门3 孔共设3 扇，采用滚动钢闸门，能够实现双向挡水，在顶升式液压启闭机的作用下启闭。液压启闭机设备安装在闸墩内部，液压设备工作房底高程、长、宽分别为63.4、8.4、3.0 m。钢梯设置在闸墩顶部位置，可以直接通向设备工作房平台，吊物孔设置于液压设备工作房顶部，通过吊物孔来进行液压设备的转动，将其运送到液压设备工作房后进行安装，为了防止吊物孔被雨水侵蚀，需要安装滑移盖板予以保护。为增加景观效果，在溢流坝坝顶上游侧及非溢流坝坝顶布置人行风雨桥。通过液压启闭机来完成对工作闸门的启闭操作，不需要设立高排架装备，控制和管理更加方便。图3 为方案三溢流坝段下游立视图，图4 为顶升式液压启闭机建设成后效果图。

图3 方案三溢流坝段下游立视图

图4 顶升式液压启闭机建设成后效果图

2.3 确定推荐方案

根据以上溢流坝段布置，3 个方案的混凝土工程量及投资对比见表1。

表1 3个方案混凝土工程量及投资对比表

由表1 可知，投资最大的是方案一，相比较而言，方案三虽然比方案二投资多149.7万元，但方案二的工作闸门如果要拉到坝顶高程以上的平台，则需进行10 m多高排架的设置，会对景观效果造成影响。如果将排架高度降低，则平时无法进行工作闸门的一次出槽，需分节进行操作，这会使操作难度增加[3]。方案三工作闸门采用的顶升液压启闭机启闭，管理、操作非常方便，不需进行高排架的设置，坝顶上下游具有通透的视野。且方案三在项目位置上具有优势，能满足七星湖景观要求，综合考虑，闸门型式确定方案三。

4 方案三工作原理及技术特点

顶升式液压启闭机通过液压系统可以实现开启闸门、关闭闸门、油缸安装检修、闸门启闭同步纠偏、闸门自动回复等工况。同时，液压系统具有液压泵工作异常、液压系统工作压力过高或过低、液滤油器堵满、油箱液位过高或过低、油箱油温过高、声光报警等保护功能。

从顶升式液压启闭机的行程来看，与闸门起升的高度是相同的，关键在于解决活塞杆受压稳定性的问题[4]，行程、容量是液压启闭机的主要参数。从设备费用的情况来看，在正常情况行程所产生的影响远远超过容量，而且如果减小行程，则设备使用安全性会随之提升。固定卷扬式启闭机在滑轮的支持下进行运转，以此工作原理为依据，将滑轮组与顶升式液压启闭机结合使用成为一种新型启闭设备，对滑轮组进行设置之后，可以利用容量来换取行程[5]。顶升式液压启闭机如果是带有滑轮组装置的，则适用于水位变幅较大、起升高度较大（≥6 m）的平面闸门。为了把启闭机安装高程确定下来需要进行相关的计算，这是以启门高度为依据而完成的。在操作时要设在闸墩顶部或下沉到一定的深度，但要注意的是启闭机不能长时间泡在水中，如果安装在闸墩顶部位置，则可以更加方便的维护和检修启闭机，但要注意的是滑轮组的高度超过了坝顶，对坝面景观的美观性产生不利影响；如果在闸墩内安装虽然可以解决设备露出水面的问题，但是对于启闭机的维护检修难度较大[6]。在方案布置和工作原理上，带滑轮组的顶升式液压启闭机与常规顶升式液压启闭机基本相同，差异在于前者比后者增设了滑轮组，容量转换行程是通过改变滑轮组倍率来完成的，图5为顶升式液压启闭机工作原理图。

图5 顶升式液压启闭机工作原理图

5 方案设计

5.1 工作闸门设计

因闸门需出槽进行检修，因此，闸门止水应选取合适型式与布置方式。本工程侧止水采用L型水封，底止水采用常规I型水封，侧止水改变在门槽内布置，在孔口内的门槽布置侧面，考虑4.05 mm的预压缩量，在底转角处，侧止水、底止水做好衔接处理，这样可解决止水检修问题。通常闸门与门槽间隙留有一定间隙，这样有利于闸门运行顺畅。当使用顶升式液压启闭机的时候，这个缝隙不能太大，闸门与门槽的缝隙不应该超过10 mm，本工程该缝隙应该保留8.5 mm，在闸门完全打开的时候，要确保槽中应该有最少4个滑块或滚轮来支撑，以减少出槽后的自由度，增强了闸门和启闭机的稳定性。

5.2 液压启闭机设计

选用一个带有滑轮组的顶升式液压启闭机，启闭力2×500 kN，工作行程是3.75 m，安装液压启闭机高度为9.02 m，动滑轮直径为705 mm，钢丝绳直径为31.5 m，活塞杆全缩回时，平衡滑轮中心高度9.42 m，直径为425 mm，动滑轮中心高程为10.5 m。

5.3 各滑轮设计

滑轮组由平衡滑轮、动滑轮、钢丝绳共同组成，可以将其视为双联二倍率滑轮组，每套设备需要把两片动滑轮安装在单侧位置，在活塞杆头部位置设置吊轴，平衡滑轮的数量为3片，设置于闸墩和闸门顶主梁位置上，数量分别为1、2片。

5.4 钢丝绳设计

钢丝绳绕绳采取以下方式：在闸墩上，平衡滑轮由两根绳索上到动滑轮，它们分别垂直下绳，并通过门上平衡滑轮至对侧平衡滑轮，再上到闸墩上的平衡滑轮、对侧动滑轮。图6是钢丝绳绕示意图。钢丝绳进出滑轮偏斜角不应超过5°度，应尽量减少偏斜角。采用二倍率滑轮装置后，液压启闭机容量提升一倍，但其行程却减少了一半。在门的两边有两条钢丝绳起吊，使闸门运转顺畅，并且可以对闸门的同步性进行自动调整。

图6 钢丝绳绕示意图

本工程采用缠绕钢丝绳的方式，利用滑轮组顶升式液压启闭机来实现对闸门的启闭，其中，钢丝绳是其主要承重部件，利用整根缠绕，可以实现对闸门平衡的自动调整。钢丝绳的直径为31.5 mm，出入滑轮最大偏斜角2.92°。为了对由于长期运行而导致的钢丝绳长度方向松弛进行调整，在闸门上钢丝绳的中央设置了一个调节法兰，这样就可以对钢丝绳的长度进行调整。

6 方案的实施与调试

启闭机安装高程与闸门开启高度、水位有关。要尽量避免在闸门全开时动滑轮、门顶平衡滑轮的碰撞，保证安装高程不会小于检查水位，将其设置在坝下，液压启闭机在闸门全关挡水时不突出坝面，受闸门开启高度限制，本工程启闭机安装高程低于坝下0.42 m。带滑轮组顶升式液压启闭机因布置需要，对闸墩厚度有一定要求，分别考虑布置两套油缸和平衡滑轮后所需闸墩厚度。液压启闭机机架的横向中心与实际测得的起吊中心线的距离不应超过±2 mm；高程偏差不应超过±5 mm；支撑面的高差不超过±0.5 mm；机架梁和推力支座的组合的缝隙不应大于0.05 mm，其局部不大于0.1 mm，深度不超过组合宽度的1/3，累计长度不超过周长的20%，推力支座顶面水平偏差不应大于0.2%。吊装油缸时应根据油缸长度和重量决定调装点和吊装点数，以防止变形。活塞杆与闸门吊耳连接时，当闸门下放到底坎位置在活塞与油缸下端盖之间应留有50 mm左右的间隙，确保闸门严密关闭。油泵在第一次启动时，应将油泵溢流阀全部打开，连续运转30～40 min，油泵不应有异常现象。在无水操作试验时，应先手动操作升降阀门一次，以检验缓冲装置减速情况和阀门有无卡阻现象。调整主令控制器凸轮片，使主令控制的电气节点接通，断开时，闸门所处的位置应符合图纸要求，但门上充水阀的实际开度应调至小于设计开度30 mm以上，调整高度指示器，使其指针正确指出闸门所处位置。第一次快速关闭阀门时，应在操作电磁阀的同时，做好手动关闭阀的准备，防止闸门过速下降。将闸门提起，在48 h 内，闸门因活塞油封和管路系统的漏油而产生的沉降量不应大于200 mm。在闸门启闭过程中，闸门开度及行程检测控制装置全程连续检测液压启闭机行程偏差，当偏差值≥8.5 mm时，电磁铁自动断电，并对液压缸进油量、出油量进行调整，使同步偏差值缩小至4.5 mm内，停止纠偏调节；在偏差达到14.5 mm 时报警，超过24.5 mm 时则停机。图7为液压启闭机安装流程图。

图7 液压启闭机安装流程图

7 实施效果

七星河水位调节坝坝顶结构和闸门型式采用平板闸门+液压启闭机方案。工程建成后，运行效果良好。启闭机启闭过程中油缸同步性能良好，偏差控制在设计允许值10 mm以内，当启门梁抬升至检修平台以上无侧向支撑时运行仍十分平稳，达到了预期的效果。顶升式液压启闭机水位调节坝具有管理方便、精确度高、维修成本低、使用寿命长、止水与景观效果好等优点。该启闭机质量稳定，安装方便，运行过程中无任何淤积物，可大幅减少清淤费用。