引水樞紐工程露頂式弧形鋼閘門安裝技術

王 輝

(新疆峻特設計工程有限公司阿拉爾分公司,新疆 阿克蘇 843000)

0 引言

引水樞紐工程是在水體補給范圍內修建的引水渠、調洪水庫等,其主要作用是防洪、灌溉等,該工程主要包含擋水、泄水、取水等多種建筑物組成[1],閘門是泄水建筑物中的重要組成部分,其能夠完成水流攔截、水位控制、流量調節、泥沙排放等[2]。閘門的種類較多,其中弧形鋼閘門具有孔口面積大、閘墩結構復雜度低、過水能力好、埋件數量少等特點,在引水樞紐工程中應用較為廣泛[3],露頂式弧形鋼閘門指的是閘門的門頂露出水面。該類閘門在安裝過程中的安裝技術對于閘門安裝后的應用效果存在直接影響。

因此,為保證露頂式弧形鋼閘門的應用效果,本文以五團引水樞紐為例,研究露頂式弧形鋼閘門的安裝技術,并對該閘門安裝后的應用情況進行分析。

1 工程概況

五團灌區是兵團第一師的獨立中型灌區之一,是第一師阿拉爾市和塔里木灌區的北門戶,也是第一師今后一個時期開發治理、推進產業結構調整發展林果業和乳業生產、加工的重要基地,在師市國民經濟和社會發展中占有重要的戰略地位。

五團引水樞紐建成于1968年,建成至今經過多次的改建、擴建工作。目前該樞紐由五團總干渠進水閘、沖砂閘、泄洪沖砂閘、人工彎道整治段、挑水丁壩、上下游導流堤和溢流側堰等組成。閘門及啟閉設施老化,已經超過使用年限。根據《水利水電工程金屬結構報廢標準》(SL 226-98)中2.0.4條及附錄A中的規定,應做報廢處理,并對其進行改建。

閘門改建工程中,沖砂閘采用露頂式弧形鋼閘門設計,沖沙閘的設計流量65 m3/s,閘室為2孔5.0 m開敞式水閘,底板高程1 500.8 m,閘后采用裙板消能工消能。工作閘門為露頂式弧形鋼閘門,啟閉機采用卷揚式啟閉機。閘室采用分離式素混凝土和漿砌卵石結構;閘墩上部采用素混凝土結構;啟閉梁、柱亦為分離式鋼筋混凝土結構;采用直支臂雙主橫梁式弧形鋼閘門,門葉結構材料采用Q235,支鉸鋼材為鑄鋼ZG310-570。

2 露頂式弧形鋼閘門安裝技術

在進行露頂式弧形鋼閘門安裝時,為保證安裝效果,針對傳統的安裝技術進行分析后,對門葉結合處的安裝工藝進行改進,增加不銹鋼鋼板,以此提升門葉安裝后的止水密閉性,降低門葉啟動和停止時形成的摩擦阻力。整體的施工流程如圖1所示。

圖1 露頂式弧形鋼閘門安裝流程

露頂式弧形鋼閘門安裝整體包含多個步驟,各個步驟詳述如下。

2.1 預埋件安裝

在進行露頂式弧形鋼閘門安裝時,埋件安裝是整個閘門安裝基礎,本文結合工程的實際情況,采用預留二期混凝土塊內埋件安裝,完成底檻、左右側軌、支鉸座板的安裝。

2.2 支鉸座安裝固定

在安裝完成的支鉸座板上進行支鉸座安裝[4],其在安裝過程中,采用整體吊裝的方式完成。將吊耳焊接在支鉸兩端,并對其角度進行調整,使固定和活動兩種支鉸位置相對固定。采用架橋機完成支鉸一端的起吊,按照設計的安裝角度進行調整,將支鉸吊裝至指定位置;對吊裝位置進行檢查合格后,加固預埋螺栓上的螺母。支臂在吊裝時,對活動鉸的一側角度進行調整后,對其進行固定,為保證固定的穩固性采用鋼絲繩完成;同時,為避免底軸發生位移,采用焊接的方式對插筋和支鉸座進行加固。

2.3 底軸安裝

在進行底軸安裝時,且為保證安裝的水平效果和垂直效果,需對整個安裝過程進行全面跟蹤測量,采用全站儀完成[5]。并且在安裝過程中,以設計的底軸安裝順序為依據,先完成中間位置的底軸安裝,后進行兩側位置的短底軸安裝。同時,在安裝時需實時依據基準進行校正和確認,保證底軸、拐臂安裝方位的正確性。

2.4 門葉吊裝焊接

門葉安裝時需保證其處于豎立狀態,并依據拼裝編號完成拼接;完成門葉拼接后,按照設計要求和相關規范標準[6],對門葉之間的間隔、中心線等進行檢驗。檢驗合格后,通過起重吊車將閘門按照預定狀態進行安放,并采用焊接工藝完成門葉焊接,焊接工藝參數如表1所示。

表1 門葉焊接工藝參數

門葉焊接時需保證焊接處干凈、不存在水分和污物;同時,采用同步、對稱、分段以及多層焊道的方式進行焊接。

2.5 閘門安裝

在進行閘門安裝時,先利用吊車進行吊裝,并且對吊裝時發生的各類問題進行監測,及時進行調整。在該安裝過程中,閘門的安裝質量與閘門拐臂的安裝質量之間存在直接關聯。因此,閘門吊裝完成后,需先對吊裝情況進行檢測,確認無誤后,進行拐臂的吊裝;其連接端為短底軸,為保證兩者之間呈現水平狀態,在整個安裝過程中需對拐臂狀態進行檢測,該檢測采用水準儀完成,依據檢測結果進行校核,保證施工質量。

2.6 密封止水處理

閘門施工時,需保證各個連接部分以及焊接部分的密封效果,提升其耐腐蝕、耐銹蝕性能,采用進口密封套進行密封處理。密封完成后,需對安裝位置的間隙進行檢測,采用塞尺完成,確保該間隙結果在0.5 mm以內。完成檢查后,將套管和土建預埋的插筋進行焊接,確保安裝位置和精度滿足設計要求和規范標準。完成上述施工步驟后,進行測量和再次校核,施工質量合格后進行二期混凝土澆筑。

2.7 側止水焊接

采用不銹鋼鋼板在閘門和控制室接觸的位置進行連接加固處理,以此實現閘門密封套的保護,延長維修時間。

2.8 完工

按照上述步驟完成閘門安裝后,開始進行閘門調試。調試內容包含無水啟閉試驗、靜水啟閉試驗、凍水啟閉試驗,通過上述試驗,對滑道的使用情況進行檢查,判斷其是否存在卡頓情況、振動情況、異常響動以及運行的穩定性等,通過上述試驗測試閘門安裝后是否滿足《水閘設計規范》(SL 265-2001)標準。

3 安裝后穩定性與分析

3.1 有限元分析模型構建

依據上述步驟完成露頂式弧形鋼閘門安裝后,為分析閘門安裝后的應用情況,采用ANSYS軟件構建露頂式弧形鋼閘門有限元模型,為保證模型的分析能力和精度,對模型進行網格劃分,劃分后的有限元模型結構如圖2所示。

圖2 露頂式弧形鋼閘門有限元模型

該模型的約束條件不包含3個方向:一是閘門底部約束,二是面板約束,三是支鉸約束。采用上述構建的有限元模型進行閘門在受到過閘水流動荷載下,閘門的應力和位移情況分析。在分析中,流體的有限元采用壓力表達的控制方程:

(1)

式中,x、y、z表示方向,在三個方向上發生的位移用u、v、w表示;p表示動壓力;ρ表示流體密度。

在式(1)的基礎上計算流體域的運動方程,其計算公式為:

Hp+Ap′+Ep″+ρBr″+q0=0

(2)

式中,H、A、E、B均表示矩陣函數系數;r″表示位移量;q0表示激勵矢量;p′、p″分別表示不同矩陣函數下的動力變量。

完成上述流體的有限元建模后,需進行固體的有限元建模,固體結構的離散運動方程表達式為:

Msr″+Csr″+Ksr″+fp+f0=0

(3)

式中,Ms、Cs、KS對表示矩陣,依次分別代表質量、阻尼和剛度;fp表示交界面位置的流體作用力;f0表示其他外界激勵矢量。

通過上述建模分析閘門在不同流體沖擊作用力下,應力變化以及位移變化等。

3.2 結果分析

3.2.1 應力變化結果分析

以工程地區的30年一遇洪水為分析前提,通過有限元模型分析露頂式弧形鋼閘門在流體最大沖擊作用力下的整體應力分布云圖結果,如圖3所示。

圖3 露頂式弧形鋼閘門整體應力分布

對圖3的結果進行分析后可知:采用本文方法完成露頂式弧形鋼閘門安裝后,在30年一遇洪水下,閘門在流體沖擊作用力下,整體的最大應力結果為458.26 MPa,分別位于支臂和主橫梁翼緣板以及支臂連接區域。該應力結果滿足閘門的強度設計要求。

3.2.2 位移結果分析

通過有限元分析30年一遇洪水時,在流體最大沖擊作用力下閘門不同結構位置的位移結果,如表2所示。

表2 閘門不同結構位置的位移結果

對表2的結果進行分析后可知:在流體最大沖擊作用力下,閘門的板、梁柱發生不同程度的位移,其中,最大位移發生在面板中下位置,位移為18.13 mm,該結果滿足設計規范標準。因此,本文采用的露頂式弧形鋼閘門安裝技術能夠保證閘門的安裝質量及應用穩定需求。

4 結論

露頂式弧形鋼閘門作為引水樞紐工程中應用較為廣泛的一種閘門,其安裝技術對于其應用的穩定性產生直接影響。因此,為保證露頂式弧形鋼閘門的安裝效果,研究了引水樞紐工程露頂式弧形鋼閘門安裝技術,該技術在原有安裝技術的基礎上,對門葉結合處的安裝工藝進行改進,以此保證施工后的密封性能,更大程度保證閘門安裝后的使用效果,為相關工程的閘門安裝提供可靠參考。