景洪水电站垂直升船机上闸首挡水工作闸门

吉 勇

（中国葛洲坝集团机电建设有限公司 湖北宜昌 443002）

摘 要：挡水工作闸门是升船机的重要组成部分。景洪水电站升船机上闸首挡水工作闸门在工作大门结构、工作大门锁定和启闭方式、对接密封装置、泄水装置布置等方面做了一些新的探索。其结构型式、设备布置和运行特点可供参考借鉴。

关键词：景洪水电站 垂直升船机 挡水工作闸门 结构 设备 运行

1 概述

1.1 升船机型式简介

世界首例我国自主产权的水力驱动式垂直升船机目前正在云南澜沧江景洪水电站兴建。水力驱动式垂直升船机动作原理简约，即在主机房内，左右对称布置16个同步卷筒，共穿绕64根钢丝绳，钢丝绳一端绕过同步卷筒垂悬连接承船厢左右两侧甲板，钢丝绳另一端绕过两侧浮筒上的动滑轮，在梁上固定，浮筒总重为装水船厢总质量的2倍多，浮筒在竖井内垂直运行，实现升船机提升系统全平衡运行。浮筒运行以浮力的变化适应提升系统的承船厢误载水深、漏水、系统摩阻力、惯性力，使承船厢安全运行。

1.2 升船机主要技术特性参数

景洪升船机布置在枢纽右岸，采用水力浮动转矩平衡式垂直升船机，通航规模300t级（单船），最大提升高度67.2m，设计年通过能力135.8万t，承船厢采取上游对接下游入水的方式，湿船过坝。

1.3 上闸首挡水工作闸门功能

上闸首挡水工作闸门是升船机与上游航槽之间的挡水闸门，在集中监控系统监控下，能自动适应上闸首闸室的上游水位变化，并与上游水位保持一定挡水高度；同时，承船厢与挡水工作闸门对接，操作工作小门开启，使船舶经过挡水工作闸门进出船厢，实现垂直升船机上游船舶通航功能。

上闸首挡水工作闸门是垂直升船机的关键设施之一，本文就景洪升船机上闸首挡水工作闸门的结构形式和制造安装、运行等特点进行概要论述。

2 挡水工作闸门设计资料及技术参数

2.1 基本设计资料

景洪水电站垂直升船机上闸首工作门基本数据见表1。

2.2 主要技术参数

上闸首挡水工作闸门的主要技术参数见表2。

3 挡水工作闸门及启闭设备布置

3.1 挡水工作闸门的组成

景洪升船机上闸首挡水工作闸门，主要由工作大门及启闭设备、工作小门及启闭设备、工作大门锁定装置、对接间隙排水装置以及电控设备5部分组成，参见图1。

3.2 工作大门及启闭设备布置

工作大门布置在上闸首航槽与承船厢室之间门槽内，为平面定轮钢闸门，上游止水，动水启闭。孔口尺寸为12m×13.5m（宽×高），门槽底坎高度为577.2m。其上部结构左右两侧分别设置箱型结构的牛腿，为布置双杠单级柱塞式液压启闭机支点。启闭机安装固定在套管埋件内，安装高程为584.70m。启闭机与工作大门采用蘑菇头结构连接形式。工作大门启闭机液压泵站布置在上闸首614.00m高程主机房内。

3.3 工作小门及启闭设备布置

工作小门为普通平板闸门，下游止水，动水启闭，孔口尺寸为12m×3.5m （宽×高）。布置在工作大门内，在工作大门凹口设置工作小门门槽，凹口正下方为工作小门门库；工作小门启闭设备为双缸两级柱塞式液压启闭机，启闭容量为2×300kN，工作行程3.56m，启闭机与工作大门采用蘑菇头结构连接形式。分别固定在工作小门门库左右两侧。工作小门启闭机液压泵站布置在工作大门第3节门叶中轴线位置，并在工作大门下游背水面布置有机玻璃材质的挡水板防护，防止对接间隙渗漏水流入，损坏液压泵站设备。承船厢不与挡水工作闸门对接时，启闭机全行程到位，工作小门为闭门状态，工作小门挡住工作大门的凹口，挡水工作闸门处于挡水运行状态；承船厢与挡水工作闸门对接，对接间隙与航槽水位平压，工作小门以自重全部降至工作大门凹口下的门库以内，为船舶通行状态。

图1 景洪升船机上闸首挡水工作闸门及启闭设备布置（高程单位：m，尺寸单位：mm）

1—工作大门启闭机液压泵站；2—工作小门；3—工作小门启闭机；4—锁定块；5—锁定油缸；6—工作小门启闭机液压泵站；7—排水装置；8—工作大门；9—锁定装置埋件；10—工作大门启闭机

3.4 工作大门锁定装置布置

工作大门锁定装置由锁定铰轴、锁定块、锁定油缸、锁定埋件等组成。在工作大门上部结构左右对称的箱型牛腿，布置直径0.2m的锁定铰轴，安装锁定块，在箱型牛腿内部安装锁定油缸，油缸容量为20kN，工作行程0.3m。锁定油缸与锁定块的中部采用铰轴连接。锁定油缸与工作小门启闭机共用一套液压泵站。在工作大门门槽侧墙分别布置锁定装置埋件，为宽锯齿条状构件。锁定油缸伸出到位，使锁定块转动到锁定装置埋件相应锯齿工作踏面的正上方，在工作大门启闭机操作下，工作大门下降，使锁定块的端面落到锁定埋件的齿条工作踏面上。锁定装置埋件承受挡水工作大门重量。

3.5 排水装置

对接间隙排水装置布置在工作大门内部，左右对称各一套，由对接间隙排水阀、挡水工作闸门检修排水阀及排水管道组成。对接间隙排水口位于工作小门门槽下游侧底部，排水管道在工作大门内部垂直向下布置，从工作大门底部伸出12.5m，垂直插入工作大门门槽底部埋设的排水管内，通过排水管道将对接间隙排水引至船厢池。挡水工作闸门检修排水口布置在工作大门迎水面，开启检修排水阀，排出上闸首航槽内积水。检修排水支管和对接间隙排水支管，以三通汇合为一条主排水管。排水阀为电动阀门，间隙排水阀布置在工作大门第3节门叶，检修排水阀布置在闸门工作大门第2节门叶，均采用挡水板在工作大门下游侧进行防护，防止对接间隙渗漏水流入。

3.6 电控设备布置

上闸首挡水工作闸门上设置了各种监控设备：通航水位检测压力变送器、对接间隙水位压力变送器、船舶探测对射式红外光电开关、工作大门锁定到位行程开关、工作大门行程编码器、工作小门行程编码器等，这些检测设备的设置确保升船机运行安全。

上闸首挡水工作闸门内部布置的电控设备动力、控制、通信和监控信号等线缆，在闸门内部敷设于电缆槽盒或套管内，线缆从闸门一侧引出汇合，敷设在电缆拖链上，电缆拖链一端固定在门槽侧墙上，另一端固定在闸门上的电缆引出端。上闸首挡水工作闸门参与升船机运行，由布置在高程614.00m主机房的上闸首LCU子站发讯操作。

4 挡水工作闸门运行操作条件

4.1 升船机停止运行操作

当升船机集中控制系统发出停止运行指令，挡水工作闸门应处于上游最高水位的挡水状态。根据上闸首LCU子站的预设程序控制，将挡水工作闸门所处于的高程与最高挡水位高程进行逻辑比较，如不在最高挡水位，则开启启闭设备对挡水工作闸门进行一个开度的顶升，重复操作，直到挡水工作大门处于最高位停止。启闭设备顶升1个开度，挡水工作闸门上升0.5m。启闭机顶升主要是由上闸首LCU子站程序控制，工作大门启闭机顶升闸门一个开度的指令程序，和工作大门锁定装置锁定、解锁指令程序，交替运行协调配合完成。

4.2 承船厢与挡水工作闸门对接运行操作

当承船厢运行至挡水工作闸门对接停靠位时，分别由承船厢内布置的水位传感器和挡水工作闸门上布置的上闸首航槽水位传感器分别检测到的水位值，经过集中控制预设程序计算，承船厢内水位与航槽内水位差不大于±10mm，承船厢停止运行，处于对接状态，则挡水工作闸门处于对接闭锁。集中控制预设程序发讯至承船厢LCU子站对接命令时，承船厢夹紧装置和顶紧装置动作，承船厢充压密封装置推出U形密封与挡水工作闸门对接密封面顶紧封水，在承船厢上游卧倒门与挡水工作闸门之间形成对接间隙；再由集中控制预设程序发讯至上闸首LCU子站对接运行命令，开启工作小门平压，由对接间隙水位传感器与上闸首航槽水位传感器分别检测水位高程，由上闸首LCU子站预设程序计算，发讯开启工作小门全开指令，工作小门全部开启至门库里停止。然后集中控制预设程序发讯，开启承船厢上游侧卧倒门，承船厢内水域与上闸首航槽的水域连通，实现船舶进出承船厢。

4.3 承船厢与挡水工作闸门解除对接运行操作

当集中控制预设程序向上闸首LCU子站发出解除对接命令，挡水工作闸门应关闭工作小门，排出间隙水，将承船厢与航槽水域隔断，处于挡水状态。关闭船厢上游的卧倒门，开启对接间隙排水阀，排出对接间隙水，充压密封排气，承船厢充压密封缩回密封槽内，操作松开船厢上的夹顶紧装置，即解除承船厢与挡水工作闸门的对接。

4.4 挡水工作闸门运行条件

根据上游航槽水位变化，挡水工作闸门运行中可调整其挡水位置。按不同工况，挡水工作闸门需要在水位变幅范围内，按运行操作条件进行调整。

升船机运行期间，船厢与闸门非对接工况，按通航标准水深2.5m基准，上游航道水位每变化0.3～—0.5m，调整1个开度 （每0.5m为一个开度，全行程21个开度值）。

承船厢与挡水工作闸门对接过程中，闸门动作与承船厢的操作形成闭锁，挡水工作闸门挡水位置高程不得进行任何调整。

汛期停航工况（当洪水频率超过50%），或者升船机较长期不通航时，挡水工作闸门接收集中控制系统指令，逐个开度调整至最高挡水位锁定。

5 门叶结构及埋件的制造、安装

5.1 门叶结构

挡水工作闸门门叶结构尺寸为14.7m×20.9m×2.6m（高×宽×厚），分5节组成，门叶节间连接方式采用螺栓连接，面板拼接缝采用焊接封水，工作大门主轮装置，采用材料为ZG35CrMo，调质处理后σ_s=500N/mm²，能承受较大荷载，闸门两侧分别布置了7个滚轮，轮轴支承偏心距5mm，主轮轴转动调整踏面在同一工作面后，配钻支撑板上M30螺孔。

在挡水工作闸门上游迎水面板上，布置滑块和2道U形水封及水封座板，内侧为P形水封，外侧为L转角水封。

在挡水工作闸门下游背水面与承船厢充压密封对接的相应位置，布置U形不锈钢止水面板，止水板宽为1.1～1.9m，满足承船厢与挡水工作闸门对接时封水的要求。

挡水工作闸门门叶结构按等荷载布置主梁，升船机挡水工作闸门具有足够的刚度，主梁的挠度值比一般钢闸门的要求更高，任意一根主梁最大挠度值小于水封橡皮变形量，设计选用标准为主梁挠度不大于L/2000，以避免闸门漏水。

5.2 埋件

挡水工作闸门埋件包括工作大门启闭机套管、上游止水钢衬、底坎、主轨、反轨Ⅰ、反轨Ⅱ、锁定装置埋件以及排水钢管埋件；反轨Ⅰ为工作大门反向滑块的支撑装置；反轨Ⅱ为工作大门侧向封水的止水板装置，其下部与上游止水钢衬底部焊接；底坎为挡水工作闸门检修时存放的基础埋件。

上游止水钢衬埋件尺寸为11.35m×12.12m（高×宽）不锈钢平板结构，沿高程分4节制造。上游钢衬面板为厚度14mm不锈钢板，材料为1Cr18Ni9Ti；背面焊接井形加强板；设计要求钢衬止水表面局部不平度不大于1mm，表面光洁度为6.3μm；因1Cr18Ni9Ti不锈钢板表面切削加工不易，焊接存在变形，制造较难达到设计要求。工厂制造时，采购钢厂的定制分节尺寸的不锈钢板制造；井形加强板结构焊接成形后，打磨其装配端面平面度1mm以内；上游止水钢衬埋件装焊时采用小电流对称施焊，尽量减小焊接的线能量，焊接完成后采用机械矫正达到平面度指标；采用机械抛光和水基型不锈钢清洗剂清洗达到光洁度要求。

锁定装置埋件分节铸造成形，材料ZG310-570，锯齿工作踏面尺寸0.65m×0.22m，锯齿间距0.5m，锯齿工作面与水平面角度52°，锯齿夹角96°。

5.3 挡水工作闸门门叶制造

挡水工作闸门门叶结构分5节制造，门叶结构由面板、主梁、小横梁、纵向隔板、边梁等构件焊接而成，材料为Q345B。工厂制造时采用卧拼方式。

第5节门叶为对称2块，分别与第4节拼装，中间形成工作小门门槽；第4节与第3节拼装，中间形成箱形门库。

第5节门叶与第4节门叶的制造，需确保工作小门门槽侧止水板与底止水板的平面度，同时需兼顾工作大门上游侧门叶面板上水封座板面的平面度，以及工作大门下游侧与船厢对接止水面的平面度。

工厂制造时，以门叶面板为水平基准面，分别装焊各节门叶结构，尺寸符合图纸及规范标准，对工作大门进行整体组拼，再装配各封水设备等附件，使工作小门门槽不锈钢止水板和对接间隙不锈钢止水板及面板，平面度及平行度不大于2mm；否则，采取人工修磨至合格。对接间隙止水板采用厚度10mm不锈钢板，与工作大门后翼缘板焊接，并进行塞焊处理。

5.4 挡水工作闸门安装

挡水工作闸门的安装在门槽孔口顶部靠上游侧的平台上开展，横跨在航槽上方进行立拼。按高程分5节分别运输至现场，其中，第4节为最大运输吊装单元，总质量50t。采用主机房2×160t检修桥机进行吊装及配合安装。

挡水工作闸门安装的主要措施是，在门槽顶部高程603.50m检修平台边缘搭设跨航槽的通行走道，设置水平垫墩安装基础；吊装第1节门叶，进行调平定位，在孔口上方进行加固，采用施工吊篮和挂架等工装施工方式，逐节门叶吊装就位连接，将门叶结构拼装为整体。门叶安装过程中，根据挡水工作闸门及启闭设备的布置，排水装置在第2节吊装前，预先安装在第2节门叶内一起进行吊装；第2节安装完成后，其顶部布置的工作小门液压泵站按图所示吊装就位；在第3节吊装前将内部布置的启闭机安装固定。

第3节门叶至第5节门叶的安装中，挡水工作闸门迎水面止水座板、背水面的止水板以及工作小门门槽止水板等相应安装技术指标，以迎水面止水座板面为基准，按制造出厂定位标记进行检测及偏差修磨，消除运输和吊装过程中的偏差影响，确保闸门迎水面止水座板、背水面的止水板和工作小门门槽止水板的整体平面度等技术指标符合设计要求。

门叶结构焊接为整体后，安装定轮、水封、滑块等附件。定轮的共面度、水封的粘接及平面度、水封预压量等指标符合技术要求。

挡水工作闸门入槽前，先利用试槽架进入门槽进行试槽，清理及检查门槽的实际安装情况。

挡水工作闸门静平衡试验，采用主机房2×160t检修桥机吊装轴穿挡水工作闸门顶部吊耳板起吊闸门100mm静置，检查横纵向垂直度，如存在超过规范偏差的情况，在门叶两侧隔板加配重配平，再次进行静平衡试验，直至合格。

挡水工作闸门入槽后，装配启闭机系统及液压泵站，敷设管道和电缆，逐步进行安装单机调试，投入景洪垂直升船机的调试运行。

6 结语

挡水工作闸门是垂直升船机的重要组成部分，希望通过本文的介绍，读者可以对垂直升船机挡水工作闸门的结构型式、设备布置以及运行特点有所认识和借鉴。

参考文献

华东水利学院.水闸设计［M］.上海：上海科学技术出版社，1985.