引水枢纽工程露顶式弧形钢闸门安装技术

王 辉

(新疆峻特设计工程有限公司阿拉尔分公司,新疆 阿克苏 843000)

0 引言

引水枢纽工程是在水体补给范围内修建的引水渠、调洪水库等,其主要作用是防洪、灌溉等,该工程主要包含挡水、泄水、取水等多种建筑物组成[1],闸门是泄水建筑物中的重要组成部分,其能够完成水流拦截、水位控制、流量调节、泥沙排放等[2]。闸门的种类较多,其中弧形钢闸门具有孔口面积大、闸墩结构复杂度低、过水能力好、埋件数量少等特点,在引水枢纽工程中应用较为广泛[3],露顶式弧形钢闸门指的是闸门的门顶露出水面。该类闸门在安装过程中的安装技术对于闸门安装后的应用效果存在直接影响。

因此,为保证露顶式弧形钢闸门的应用效果,本文以五团引水枢纽为例,研究露顶式弧形钢闸门的安装技术,并对该闸门安装后的应用情况进行分析。

1 工程概况

五团灌区是兵团第一师的独立中型灌区之一,是第一师阿拉尔市和塔里木灌区的北门户,也是第一师今后一个时期开发治理、推进产业结构调整发展林果业和乳业生产、加工的重要基地,在师市国民经济和社会发展中占有重要的战略地位。

五团引水枢纽建成于1968年,建成至今经过多次的改建、扩建工作。目前该枢纽由五团总干渠进水闸、冲砂闸、泄洪冲砂闸、人工弯道整治段、挑水丁坝、上下游导流堤和溢流侧堰等组成。闸门及启闭设施老化,已经超过使用年限。根据《水利水电工程金属结构报废标准》(SL 226-98)中2.0.4条及附录A中的规定,应做报废处理,并对其进行改建。

闸门改建工程中,冲砂闸采用露顶式弧形钢闸门设计,冲沙闸的设计流量65 m3/s,闸室为2孔5.0 m开敞式水闸,底板高程1 500.8 m,闸后采用裙板消能工消能。工作闸门为露顶式弧形钢闸门,启闭机采用卷扬式启闭机。闸室采用分离式素混凝土和浆砌卵石结构;闸墩上部采用素混凝土结构;启闭梁、柱亦为分离式钢筋混凝土结构;采用直支臂双主横梁式弧形钢闸门,门叶结构材料采用Q235,支铰钢材为铸钢ZG310-570。

2 露顶式弧形钢闸门安装技术

在进行露顶式弧形钢闸门安装时,为保证安装效果,针对传统的安装技术进行分析后,对门叶结合处的安装工艺进行改进,增加不锈钢钢板,以此提升门叶安装后的止水密闭性,降低门叶启动和停止时形成的摩擦阻力。整体的施工流程如图1所示。

图1 露顶式弧形钢闸门安装流程

露顶式弧形钢闸门安装整体包含多个步骤,各个步骤详述如下。

2.1 预埋件安装

在进行露顶式弧形钢闸门安装时,埋件安装是整个闸门安装基础,本文结合工程的实际情况,采用预留二期混凝土块内埋件安装,完成底槛、左右侧轨、支铰座板的安装。

2.2 支铰座安装固定

在安装完成的支铰座板上进行支铰座安装[4],其在安装过程中,采用整体吊装的方式完成。将吊耳焊接在支铰两端,并对其角度进行调整,使固定和活动两种支铰位置相对固定。采用架桥机完成支铰一端的起吊,按照设计的安装角度进行调整,将支铰吊装至指定位置;对吊装位置进行检查合格后,加固预埋螺栓上的螺母。支臂在吊装时,对活动铰的一侧角度进行调整后,对其进行固定,为保证固定的稳固性采用钢丝绳完成;同时,为避免底轴发生位移,采用焊接的方式对插筋和支铰座进行加固。

2.3 底轴安装

在进行底轴安装时,且为保证安装的水平效果和垂直效果,需对整个安装过程进行全面跟踪测量,采用全站仪完成[5]。并且在安装过程中,以设计的底轴安装顺序为依据,先完成中间位置的底轴安装,后进行两侧位置的短底轴安装。同时,在安装时需实时依据基准进行校正和确认,保证底轴、拐臂安装方位的正确性。

2.4 门叶吊装焊接

门叶安装时需保证其处于竖立状态,并依据拼装编号完成拼接;完成门叶拼接后,按照设计要求和相关规范标准[6],对门叶之间的间隔、中心线等进行检验。检验合格后,通过起重吊车将闸门按照预定状态进行安放,并采用焊接工艺完成门叶焊接,焊接工艺参数如表1所示。

表1 门叶焊接工艺参数

门叶焊接时需保证焊接处干净、不存在水分和污物;同时,采用同步、对称、分段以及多层焊道的方式进行焊接。

2.5 闸门安装

在进行闸门安装时,先利用吊车进行吊装,并且对吊装时发生的各类问题进行监测,及时进行调整。在该安装过程中,闸门的安装质量与闸门拐臂的安装质量之间存在直接关联。因此,闸门吊装完成后,需先对吊装情况进行检测,确认无误后,进行拐臂的吊装;其连接端为短底轴,为保证两者之间呈现水平状态,在整个安装过程中需对拐臂状态进行检测,该检测采用水准仪完成,依据检测结果进行校核,保证施工质量。

2.6 密封止水处理

闸门施工时,需保证各个连接部分以及焊接部分的密封效果,提升其耐腐蚀、耐锈蚀性能,采用进口密封套进行密封处理。密封完成后,需对安装位置的间隙进行检测,采用塞尺完成,确保该间隙结果在0.5 mm以内。完成检查后,将套管和土建预埋的插筋进行焊接,确保安装位置和精度满足设计要求和规范标准。完成上述施工步骤后,进行测量和再次校核,施工质量合格后进行二期混凝土浇筑。

2.7 侧止水焊接

采用不锈钢钢板在闸门和控制室接触的位置进行连接加固处理,以此实现闸门密封套的保护,延长维修时间。

2.8 完工

按照上述步骤完成闸门安装后,开始进行闸门调试。调试内容包含无水启闭试验、静水启闭试验、冻水启闭试验,通过上述试验,对滑道的使用情况进行检查,判断其是否存在卡顿情况、振动情况、异常响动以及运行的稳定性等,通过上述试验测试闸门安装后是否满足《水闸设计规范》(SL 265-2001)标准。

3 安装后稳定性与分析

3.1 有限元分析模型构建

依据上述步骤完成露顶式弧形钢闸门安装后,为分析闸门安装后的应用情况,采用ANSYS软件构建露顶式弧形钢闸门有限元模型,为保证模型的分析能力和精度,对模型进行网格划分,划分后的有限元模型结构如图2所示。

图2 露顶式弧形钢闸门有限元模型

该模型的约束条件不包含3个方向:一是闸门底部约束,二是面板约束,三是支铰约束。采用上述构建的有限元模型进行闸门在受到过闸水流动荷载下,闸门的应力和位移情况分析。在分析中,流体的有限元采用压力表达的控制方程:

(1)

式中,x、y、z表示方向,在三个方向上发生的位移用u、v、w表示;p表示动压力;ρ表示流体密度。

在式(1)的基础上计算流体域的运动方程,其计算公式为:

Hp+Ap′+Ep″+ρBr″+q0=0

(2)

式中,H、A、E、B均表示矩阵函数系数;r″表示位移量;q0表示激励矢量;p′、p″分别表示不同矩阵函数下的动力变量。

完成上述流体的有限元建模后,需进行固体的有限元建模,固体结构的离散运动方程表达式为:

Msr″+Csr″+Ksr″+fp+f0=0

(3)

式中,Ms、Cs、KS对表示矩阵,依次分别代表质量、阻尼和刚度;fp表示交界面位置的流体作用力;f0表示其他外界激励矢量。

通过上述建模分析闸门在不同流体冲击作用力下,应力变化以及位移变化等。

3.2 结果分析

3.2.1 应力变化结果分析

以工程地区的30年一遇洪水为分析前提,通过有限元模型分析露顶式弧形钢闸门在流体最大冲击作用力下的整体应力分布云图结果,如图3所示。

图3 露顶式弧形钢闸门整体应力分布

对图3的结果进行分析后可知:采用本文方法完成露顶式弧形钢闸门安装后,在30年一遇洪水下,闸门在流体冲击作用力下,整体的最大应力结果为458.26 MPa,分别位于支臂和主横梁翼缘板以及支臂连接区域。该应力结果满足闸门的强度设计要求。

3.2.2 位移结果分析

通过有限元分析30年一遇洪水时,在流体最大冲击作用力下闸门不同结构位置的位移结果,如表2所示。

表2 闸门不同结构位置的位移结果

对表2的结果进行分析后可知:在流体最大冲击作用力下,闸门的板、梁柱发生不同程度的位移,其中,最大位移发生在面板中下位置,位移为18.13 mm,该结果满足设计规范标准。因此,本文采用的露顶式弧形钢闸门安装技术能够保证闸门的安装质量及应用稳定需求。

4 结论

露顶式弧形钢闸门作为引水枢纽工程中应用较为广泛的一种闸门,其安装技术对于其应用的稳定性产生直接影响。因此,为保证露顶式弧形钢闸门的安装效果,研究了引水枢纽工程露顶式弧形钢闸门安装技术,该技术在原有安装技术的基础上,对门叶结合处的安装工艺进行改进,以此保证施工后的密封性能,更大程度保证闸门安装后的使用效果,为相关工程的闸门安装提供可靠参考。