三峽永久船閘金結(jié)安裝研究

1、三峽永久船閘金結(jié)安裝研究摘要 三峽雙線五級船閘水頭 113m 單級最高工作水頭45.2m,閘室有效尺寸 280mx 34mx 5m。共設(shè)人字門24扇，總重 20000t ，預(yù)計整體調(diào)試時間長達1 年之久，安裝時間將不足兩年。影響工期的制約因素是門體吊裝和運輸，而決定安裝質(zhì)量的是門體焊接變形控制。第二閘首人字門安裝是關(guān)鍵，有就地頂升法和浮式移位法。后者可使底坎混凝土澆筑時間縮短20 天，移位操作時間縮短 12 天，停航時間縮短 62 天。關(guān)鍵詞 三峽永久船閘金結(jié)安裝人字門方案優(yōu)化1、雙線五級船閘的運行條件三峽雙線五級船閘，是世界上目前最大的多級船閘。水頭 113m ， 單級船閘最高工作水頭 45

2、.2m ， 閘室有效尺寸 280m x 34m x 5m。第一閘首長70m,高程185m,閘室長265m。第二閘首長 43.5m,高程185m,閘室長263.5m。第三閘室長 43.5m,高程160.0m,閘室長265.5m。第四閘室長度 41.5m,高程139m,閘室長265.5m。第五閘室長度 52.8m,高程116.67m,閘室長254.2m,第六閘室長度56.0m ，高程 98.75m 。該船閘是三峽水利樞紐三大建筑物之一，是三峽工程建完后長江航運的主要通道， 貨運能力為 5000 萬 t/ 年， 船隊過閘總歷時約為 2.35h 。由于升船機推遲建設(shè)，運行初期，船閘將成為樞紐唯一的航運

3、通道，因此必須保證船閘按期通航。由于該船閘金屆結(jié)構(gòu)及設(shè)備數(shù)量眾多，對整體設(shè)備質(zhì)量及安裝調(diào)試的要求將更高。其中船閘的人字門運行中啟閉最為頻繁，它與輸水系統(tǒng)閥門協(xié)調(diào)工作，以調(diào)整閘室水位。當(dāng)其中任何一扇閘門發(fā)生故障時，應(yīng)具備將閘門迅速移位進行檢修處理的手段，操作人字門和輸水系統(tǒng)工作閥門的啟閉系統(tǒng)也應(yīng)運行可靠。2、人字門安裝方案的優(yōu)化三峽雙線五級船閘，每線6 個閘首，每個閘首安裝兩扇人字門，共計24 扇高度不同的人字門，其寬度和厚度分別為 20.2m 與 3.0m 。最高的第二閘首人字門高為38.5m ，重828t 。人字門總重約為20000t ，預(yù)計整體調(diào)試時間要長達一年之久，這樣，留給人字門安裝的

4、工期就不足二年。在雙線五級船閘中，人字門是關(guān)鍵設(shè)備，其安裝質(zhì)量的優(yōu)劣與能否達到預(yù)定安裝控制工期將直接影響液壓啟閉機、充泄水閥門的安裝和系統(tǒng)整體調(diào)試。因此要求保證2003 年汛前通航，必須保證所有人字門安裝、調(diào)試都按控制進度完成。國內(nèi)外大型船閘的施工經(jīng)驗表明，影響直線工期的制約因素是門體的吊裝和運輸，而影響閘門質(zhì)量的關(guān)鍵因素是門體焊接變形控制。人字門門體分節(jié)要根據(jù)現(xiàn)場起重設(shè)備而定。與閘室混凝土澆筑共用的起重機是在第一級、第三級和第五級閘室底板上架設(shè)的 80t 高架門機。起重機軌道應(yīng)布置在閘室底板的承重梁上，并要避開底字門的分節(jié)段數(shù)可控制在 12 節(jié)。第一級閘室底板上安裝的高架門機可控制第一、第二

5、閘首共4 扇人字門安裝，還可協(xié)助第一閘首前的檢修閘門和疊梁安裝。第三級閘室底板的高架門機可控制第三、第四閘首 4 扇人字門及其他啟閉機的安裝。第五級閘室底板的高架門機可控制第五第六閘首4 扇人字閘門及啟閉機安裝，以此類推。人字門的門體由金屬結(jié)構(gòu)拼裝基地利用大型平板車運至永久船閘環(huán)形公路，用 80t 高架門機直接卸車。輸水廊道的反弧形閘門尺寸為9.20m X 6.45m X7.23m（長X寬X高），重達86.6t,已超由閘室中高架門機的起吊能力， 可經(jīng)環(huán)形公路運至安裝孔口， 由 300t 履帶起重機卸車吊裝。由于人字門安裝工序復(fù)雜，一扇人字門從預(yù)埋枕墊和底樞安裝，到門體調(diào)整完畢最少要 200 天

6、，因此 24 扇人字門 要開設(shè) 12 個工作面才能滿足年安裝 10000t 的要求。由于人字門受水壓后利用三鉸拱的力學(xué)原理將巨大的水推力傳遞到閘墻上，同時又使閘門的止水密封壓合，因此除控制門體的主要尺寸（門體長、寬、高） 外，還要求焊接成形后， 門體正面與側(cè)面直線度偏差不能大于 4mm 。 對如此巨大的門體焊接變形值的控制，在葛洲壩 1、 2 號船閘人字門體焊接時已歸納總結(jié)一套成熟的經(jīng)驗：嚴(yán)格控制門體橫斷面重心軸距面板的距離。三峽船閘所有人字門重心軸都偏向上游面，重心軸距面板為1.05m（約為整個門體厚度的1/3）。焊接從二側(cè)邊柱開始，然后翼板、縱隔板，最后焊接面板。焊接中如有超差，可用改變縱

7、隔板與主梁腹板角焊縫校正。3、第二閘首移位優(yōu)化方案船閘在水庫水位蓄至 135m 開始通航，工程建完后蓄水位為175m 。按常規(guī)，第一和第二閘首人字門的高度將大于47.5m,將超過我國目前的制造能力。由于第一閘首在運行 初期152.0156.0m水位時，可用事故檢修門臨時擋水作為 第一閘首工作門使用，故第一閘首人字門可按后期運行水位145.0175.0m水位設(shè)計人字門的高度（37.5m）。由于可利用檢修門擋水，第一閘首人字門可在 2009 年工程完建后，將 底坎澆至 140.0m 高程再安裝人字門一次到位。運行初期第二閘首人字門安裝是在130m 高程的底摳上進行的。當(dāng)水位蓄至165.0m 時，第

8、二閘首人字門已不能滿足運行要求，需將底樞拾高進行第二次安裝 （圖 1） 。二閘首人字閘門重為 828t ，加上淤積在門體上泥沙的重量，總重將達1040t 。如此巨大的門體要舉升10m 高度并非易事。經(jīng)研究，認(rèn)為下述二種方法都是行之有效的。圖 1 二閘首人字門頂升安裝示意圖人字門就地頂升法人字門就地頂升，在葛洲壩 2 號船閘底樞檢修時已實踐過。當(dāng)時的頂升高度僅1m 左右，頂升方法比較簡單，不需設(shè)置過渡頂升架，將門體一次頂升到位。三峽船閘二閘首人字門需頂升10m ，為了保證安全，要將被頂升的閘門停靠在與閘墻邊線成 12。 夾角的接近全開位置。 在閘室頂部設(shè)置三套100t 滑車組， 并在閘墻上埋設(shè)固

9、定導(dǎo)向軸。隨閘門頂升，沿固定軸滑動的導(dǎo)向架焊在門體面板上。閘門頂升利用底部埋設(shè)于閘首基礎(chǔ)上的 4 個支承架，使用 500t 液壓千斤頂作為主要頂升工具，每次頂升行程0.5m ，頂升時人字門的重量由四個支承架承擔(dān)。每頂0.5m 后在縮回液壓千斤頂前，墊人一節(jié)頂升架防止門體下降。每節(jié)頂升架高度略小于 0.5m ， 由輔助滑輪將前節(jié)頂升吊起后由底部墊入后一節(jié)頂升架，再用螺栓將兩節(jié)頂升架連接成整體。閘門每升 5 次即頂高 2500mm ，然后用鋼圈梁增加整體剛度。當(dāng)閘門頂升到位后，頂升架將作為永久支承澆筑到混凝土中?；炷吝_到70%強度后，利用液壓千斤頂將閘門緩緩下降落到提高后的底樞上，然后套人頂樞A

10、 、 B 拉桿，調(diào)正門體的垂直度，直到門體安裝符合規(guī)范要求為止。人字門就地頂升的優(yōu)點是施工機具簡單，靠施工單位的力量即可解決；缺點是頂升的速度較慢，最短的施工停航時間為 90 天，（含混凝土澆筑70 天） ，對通航有一定影響。圖 2 人字閘門浮升移位后在閘室內(nèi)停靠方法人字門浮式移位法這是另一種可舉升人字門的施工方案，原理是利用水的浮力移動人字門。首先將人字門下部設(shè)計成封閉型，使之形成一個密封倉。根據(jù)阿基米德浮力原理，人字門下部的高度為12.2m,但第二閘首人字門重心高度離底梁為15.5m。為保證人字閘門的重心低，封閉倉高度可定為16m。移位時間室充水用 300t 以上的浮式起重機將其從安裝位置

11、吊起， 用拖輪平拖到閘室的某一位置就位（ 圖 2） 。浮式移位法能將人字門門體移出閘首使底坎混凝土加高澆筑較為方便。聞名世界的巴拿馬運河長約 1.931km ，是連接大西洋和太平洋的通道，系雙線三級船閘。運行初期經(jīng)常發(fā)生人字門損壞，或枕墊塊磨損漏水。由于當(dāng)時尚沒有找到簡單的移位方法，只能采用頂升和滾動相結(jié)合的辦法將人字門移開進行檢修。因效率低，檢修期長，使巴拿馬運河船閘經(jīng)常單線運行，經(jīng)濟上損失巨大。 60 年代后， 巴拿馬運河管理局采用了浮式移位法搬移人字門，檢修時間僅為老方法的 1/10，大大提高了船閘的雙線運行機率。浮式移位法的缺點是要求人字門下部必須設(shè)置密封倉使門體的重量增加 50t 左

12、右，并需300t 浮式起重機配合。三峽船閘采用浮式移位法時，底坎澆筑混凝土?xí)r間可縮短 20 天，移位操作時間可縮短至 12 天，停航時間可縮短到62 天。4、金屬結(jié)構(gòu)常見事故分析底樞事故分析圖 3 人字門底樞軸瓦油膜干結(jié)成因葛洲壩 2 號船閘下閘首右側(cè)人字門從1983 年起發(fā)現(xiàn)啟閉時有聲響和振動，經(jīng)更換潤滑油后運行到 1984 年春天再度發(fā)生強烈響聲，被迫停航。將人字門整體頂升檢查蘑菇頭球瓦時，發(fā)現(xiàn)球瓦磨損極其嚴(yán)重。經(jīng)分析，引起球形軸承膠合磨損的原因是球瓦上部徑向載荷太大，接觸面積偏小，當(dāng)潤滑油膜破壞時，引起膠合磨損。因此三峽船閘設(shè)計要注意使球瓦保持良好的油膜；除選用優(yōu)質(zhì)潤滑脂外，還應(yīng)改進底樞

13、結(jié)構(gòu)。葛洲壩船閘人字門底樞的潤滑系統(tǒng)如圖 3 所示。由于密封圈壓得太緊，使油脂在密封圈內(nèi)形成干脂區(qū)，且逐步向上端擴延。待將油管口封堵就會造成球頭表面潤滑脂完全干結(jié)，在高壓油作用下，造成油管斷裂，油脂被注入水中，造成底樞長期無潤滑下運行，導(dǎo)致軸承膠合抱死。因此在結(jié)構(gòu)上應(yīng)保證密封圈不被壓得太緊，潤滑脂不干結(jié)。此外，可選用進口的自潤滑球瓦，該球瓦材料抗壓強度高，在無潤滑狀態(tài)下摩擦系數(shù)依然較小，當(dāng)球瓦潤滑油膜破壞時仍可繼續(xù)運行。頂樞事故分析頂樞與底樞是保證人字閘門靈活啟閉的重要部件，由兩根拉桿和旋轉(zhuǎn)軸組成。 在開啟位置時承受門體重量的為 B 拉桿， 在關(guān)閉位置承受門體重量的為 A 拉桿。 由于接近關(guān)閉

14、位置要形成三鉸拱受力體系， 因此 A 拉桿受力較為復(fù)雜。 葛洲壩 2 號船閘左下人字門頂樞A 拉桿在運行次數(shù)僅 2000 余次時就發(fā)生斷裂，事故前無明顯的塑性變形和其他異況。斷裂后，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)斷處有4mm x 75mm黑銹色的原始缺陷（圖4）。由于制作時采用氧乙炔高溫切割，沿氣割面有貝殼狀裂紋深達 12mm ，造成斷口金相組織不均勻，并出現(xiàn)萊氏體、馬丁體及有害的魏氏體，這就是斷裂的內(nèi)在因素。斷裂的外部因素是門底泥沙在全關(guān)位置有擠壓力、承壓條間隙過小引起超額摩擦阻力，以及關(guān)門越位等。葛洲壩 2 號船閘人字門的旋轉(zhuǎn)中心與軸中心有100mm 的偏心，正好與閉門位置相對應(yīng)。 此時頂樞 A 拉桿處于最大

15、受力位置， 如果發(fā)生誤操作，偏心產(chǎn)生巨大的拉力，必然造成A 拉桿被拉斷。圖 4 葛洲壩 2 號船閘人字門 A 拉桿斷裂圖為了避免發(fā)生類似事故，在鍛造毛坯前必須進行超聲檢測，鍛制后再進行超聲探傷和表面磁粉探傷。另外，在啟閉機控制順序上要根據(jù)上游水位變化，確定提前關(guān)閉的位置，最后由水壓將兩扇閘門推向最終關(guān)閉位置。承壓條磨損事故分析人字門上的承壓條是指斜接柱支墊塊、門軸柱支墊塊和埋件枕墊塊，它們是人字門止水機構(gòu)的最重要的部件。國內(nèi)已建成的采用人字門三鉸拱受力原理將止水線與受力線統(tǒng)一處置的船閘運行時間都不長，對承壓條磨損規(guī)律及處理辦法尚無成熟經(jīng)驗。巴拿馬運河船閘已運行80 多年，發(fā)現(xiàn)人字門門軸柱支墊塊

16、承壓條及閘墻上枕墊塊承壓條，經(jīng)長期運行后磨損都很嚴(yán)重，須取下更換，更換可用浮式移位法將人字門移至閘室檢修支墊上進行。為盡量減少停航時間和便于更換承壓條， 在原設(shè)計的巴氏合金墊料上加鋼襯板（ 圖 5） 。 將承壓條直接裝在鋼襯板上不與巴氏合金墊料接觸，更換時僅 需將新的承壓條用螺栓固定在鋼襯板上即可。承壓條磨損，主要是底樞蘑菇頭承受的水平推力，使球瓦不斷磨損影響門體的垂直度，進而加劇下部承壓條的磨損。因此提高埋件枕墊承壓條和門體側(cè)面承壓條安裝的垂直度，適當(dāng)放寬門體承壓條與預(yù)埋件枕墊承壓條的間隙，是減輕承壓條磨損的有效方法。圖 5 巴拿馬大船閘改進后的枕墊與門軸柱輸水廊道閥門事故分析船閘輸水廊道常

17、采用反向弧形閘門，從而改善了充水水流大量挾氣而造成的空化作用。葛洲壩船閘和五強溪船閘投入運行后多次發(fā)生反弧門支座地腳螺栓松動故障，最大移位可達100mm 左右。另外，水流合力作用在軸瓦60 。范圍內(nèi)，造成軸瓦與心軸間隙減小，潤滑油難以楔入，因而加劇了軸瓦磨損。為防止三峽船閘出現(xiàn)類似事故，對反弧門軸承位置應(yīng)進行優(yōu)化設(shè)計。軸瓦磨損可采用自潤滑球瓦防止干磨。輸水廊道反弧門另一重大問題是在充泄水時易產(chǎn)生負壓工作區(qū)。當(dāng)水頭大于 20m 時，較易產(chǎn)生空蝕與聲振，且隨著水頭增高而加劇。 國外超過 40m 水頭的船閘， 如美國的威爾遜船閘和俄羅斯的巴夫洛夫船閘都發(fā)生過空蝕破壞。我國的萬安船閘工作水頭為 32.5m ，在運行水頭尚小于最大設(shè)計水頭時就產(chǎn)生空蝕振動而造成水損事故。葛洲壩船閘設(shè)計水頭為 27m ，在 3 號船閘運行后反