闸门水下安装运载及起重设备的设计与应用

时间：2024-07-28

曾文，范如谷，徐红刚，郜仕宏

(中国水利水电夹江水工机械有限公司，四川夹江 614100)

闸门水下安装运载及起重设备的设计与应用

曾文，范如谷，徐红刚，郜仕宏

(中国水利水电夹江水工机械有限公司，四川夹江 614100)

内陆水库水下安装的限制条件很多，具有较多的不确定性和特殊性。针对闸门水下安装过程中运输、起重及深潜(119 m)等作业的特点，设计了满足安装要求的水上平台和高扬程起重设备，实际应用情况良好。

水下安装；闸门；浮箱；高扬程；起重；设计与应用

1 概述

塔贝拉水利枢纽(Tarbela Project)位于巴基斯坦内陆地区，最大坝高143m，坝顶长2 743m，是世界上已建填筑量最大的土石坝。工程于1968年开工，1976年正式蓄水发电。塔贝拉第四期工程是对现有水电站进行再次扩建，主要工作是将现有的4号灌溉隧洞改为引水发电洞，新建取水口和发电厂，扩建后装机容量将增加1 410 MW。

工程施工要求用叠梁闸门封堵现有的4号隧洞取水口，该取水口位于大坝右岸侧的库区水域中间，距岸边最近距离约200 m，周边均为陡坡(图1)。以正常蓄水水位计算，闸门槽顶部平台位于库区水面以下90．44 m，底槛位于水面以下约119 m处。4号隧洞取水口安装的闸门数量为2套，每套4节，单套重量为108 t，单节最大重量为32 t。由于该工程处于内陆地区，库区仅有小型渔船，没有适合闸门运载安装的大型运输船舶及起重设备，故须专门针对闸门水面运载和深水水下安装设计运输平台和起重设备。

该闸门单节最大尺寸(顶节门叶):5．855 m (宽)×4．242 m(高)×1．248 m(厚)。

2 总体方案选择

(1)主要安装流程。

叠梁闸门水下安装主要工艺流程:

闸门运输到码头 →闸门装上水上平台→拖运水上平台到门槽上方→用全站仪+GPS定位→液压抓梁吊起第一节闸门→下放闸门到接近门槽平台顶部→潜水员确定位置→潜水员引导下，闸门下放进入门槽 —→继续下放闸门到底槛 —→脱开液压抓梁并将其提升到水上平台—→潜水员检查确认一→重复进行下一节闸门的安装。

图1 4号隧洞取水口位置示意图

水面安装平台及起重设备根据安装工艺流程和运输等条件确定。

(2)起重方案的选择。

根据闸门单节最大重量为32 t，考虑到门槽内的起吊阻力及少量泥沙淤积等因素，确定起重容量为45 t；鉴于闸门底槛距水面约119 m，考虑到单节闸门高度、抓梁高度及富裕扬程，最终确定总扬程为125 m。

鉴于库区没有大型运输船舶，经综合分析考虑到简易码头距安装点约有5 000 m的水路运输、且一套闸门为4节、水运时间对安装影响较大及定位一次宜完成一套闸门安装等因素，提出了闸门起吊的三种方案:①履带起重机方案；②移动门式起重机方案；③固定门式起重机+移动台车方案。各方案比较情况见表1。

表1 闸门起吊方案比较表

经分析比较，最终确定采用“固定门式起重机+移动台车方案”，其主要技术参数为:起重容量45 t，扬程125 m，起升速度(变频调速)为0～2．5 m/min，移动台车承载能力为32 t，运行速度为5 m/min。

经调查，当地可租用到150 t履带起重机和120 t汽车起重机。

(3)水上平台方案。

水上平台应能布置高扬程固定门式起重机、深潜保障服务系统、移动台车和轨道、柴油发电机、空压机及锚泊设备等，具备运载一套4节闸门(108 t)的能力，初步估算，水上平台上的载荷约为115 t，考虑一定的裕度和不确定因素，额定承载能力不小于160 t。

根据工期要求及陆地运输限制，水上平台采用多个浮箱构建，单个浮箱尺寸为12 m(长)×3 m(宽)×1．5 m(高)，浮箱体为用钢板焊接的密闭箱形结构，箱体相互连接的侧面均有连接接头。由于要将闸门吊到水面以下，需要在水上平台中间留出开口，开口尺寸应满足闸门吊装需要，即水上平台方案为:采用多个浮箱平台组合，额定载重不小于160 t，平台中间留安装吊物孔，平台能够适应库区气候环境(内陆水库)，面积能满足设备布置需要。

3 水上平台的设计

水上平台主体结构由14个浮箱模块组成，按三列五行排列，主尺寸为36 m×15 m×1．5 m，考虑到在其中间留安装吊物孔，则平台中间部位无浮箱。单个浮箱重约11．5 t，浮箱体为船用钢板焊接的密闭箱形结构，箱体相互连接的侧面设置有连接接头，浮箱情况见图2。

浮箱最大允许吃水深度为1 200 mm，单个浮箱排水量约为4

3．2 t，14个浮箱合计满载排水量为604．8 t。14个浮箱自重为161 t，固定门式起重机、移动台车、发电机及锚链机等设备重量约为110 t，合计重量约为271 t。604．8 t－271 t=334．8(t)，即水上平台允许载重量为334．8 t，满足额定承载能力不小于160 t的要求。

当地可租用汽车起重机容量为120 t，根据闸门重量和汽车起重机起重能力曲线，汽车起重机可将闸门吊装到水上平台的端部，为此，移动台车轨道需布置到平台的一端，以满足将闸门吊装到水上平台上的要求。

图2 浮箱示意图

水上平台需要在安装位置进行定位锚泊并方便调整，故在平台上配置了4个1 t海军锚，4个角上各布置了一台拉力为5 t的电动绞缆机。供电系统由柴油发电机及配电箱组成，容量为108 kW，该容量考虑了起重设备、移动台车、电动绞缆机、水泵、照明及潜水作业供电(潜水钟及潜水加热系统等)。平台上的空压机采用柴油机驱动，可降低发电机容量。为保证潜水和安装作业的安全，发电机配置了两台，一台使用，另一台备用。水上平台总体布置情况见图3。

水上平台及设备组装。按120 t汽车起重机起重能力曲线、单个浮箱重量(约11．5 t)及浮箱尺寸等条件，水上平台采用浮箱吊到靠岸边的水中，系住水中浮箱后外推，再吊下一浮箱并组合，按该流程重复完成水上平台的组装。在水上平台设备组装中，固定门机门架位于平台中间位置，吊装半径最大，经复核，起重机容量满足组装要求，其余设备均可采用调整浮箱位置的方式进行安装。浮箱节间的连接强度、浮箱结构强度及水上平台整体稳定性等由专业单位校核，校核结论为符合安全要求。

图3 水上平台总体布置图

4 起重设备及移动台车的设计

(1)起重设备的设计。

水上平台上的起重设备为起重容量45 t、扬程125 m、起升速度(变频调速)为0～2．5 m/min的固定门式起重机。

为有效控制钢丝绳多层绕返回偏角、降低设备重心及操作维护方便，起升机构采用闭式传动，布置在门架底部(机架与下横梁焊接为一体)。由于扬程达到了125 m，钢丝绳在卷筒上需8层绕。为使钢丝绳在卷筒上整齐缠绕，必须严格控制钢丝绳的返回偏角。因此，卷筒采用折线绳槽，并设置了导向滑轮组。钢丝绳的返回偏角均为1．34°，从而保证了钢丝绳在卷筒上整齐缠绕。为有效的减小浮箱的局部荷载，设计时控制了门腿下端的间距(6 000 mm)，门机设计了较长的下横梁(8 000 mm)，且下横梁整体分多点固定在浮箱上。门架均采用工字梁结构，重约1

2．4 t(图4)。

闸门水下安装时不确定因素较多，起重操作人员无法观察到吊物和钢丝绳状态，且因潜水员反馈的位置和距离信息滞后，潜水员深水作业有效时间短(15～25 min)，因此而造成进入门槽作业的要求精度高，包括受水浮力和水下固定等因素影响，潜水员水下调整的力量和幅度有限。针对这些特殊情况，起升机构控制采用了变频调速，速度为0～2．5 m/min，全行程往返时间约100 min，可满足安装强度的要求；在接近门槽平台和门槽内，可采用低速下放和起升。起重机选用了精度较高的荷重传感装置，结合高程数据，下降出现“荷重不正常减少”可做出未准确入门槽、门槽内卡阻等判断；起升“荷重超载”可做出门槽内卡阻的判断。起升机构设置了高度显示装置，安装过程中根据当前水位、门槽平台高程及底槛高程可做出“接近门槽平台”、“接近底槛”及“已出门槽”等判断，以减轻潜水作业的压力。起升机构钢丝绳在卷筒上緾绕了8层，高度显示装置按每

一层的緾绕半径不同进行了计算修正。

图4 固定门式起重机总图

卷筒装置采用双联焊接卷筒，卷筒绳槽底部直径为850 mm，钢丝绳直径为22 mm，单边完整绳槽圈数为22圈。卷筒采用短轴型式，其中一端卷筒轴经滚动轴承支承于轴承座上，另一端通过能传递扭矩的卷筒联轴器与减速器低速轴相连，以可靠消除卷筒的安装误差和重载变形。卷筒为折线绳槽，钢丝绳端头用压板螺栓固定在卷筒的中部，钢丝绳的缠绕方式为双联折线8层缠绕。为便于层间顺利过渡，在过渡处设有过渡垫环，通过优化卷筒结构和导向滑轮布置，严格控制层间返回偏角(均为1．34°)，以保证钢丝绳缠绕整齐。在卷筒轴上装有1套起升高度限制传感器(图5)。

(2)移动台车的设计。

闸门单节最大重量为32 t，按最大重量设计移动台车容量。移动台车承载能力为32 t，运行速度为5 m/min，轨距4 m，由2个驱动轮(共4个车轮组)带动台车行走。外形尺寸为4．5 m(长) ×1．9 m(宽)×0．65 m(高)，单台重约6．5 t。

图5 卷筒装置总图

为了与本工程另一安装工作共用，在台车使用时运行方向需调整90°，轨距为1．47 m，为无动力台车。故台车设置了两套车轮组(驱动轮组与无动力轮组，两套车轮组成90°布置)，当用于运输闸门时采用驱动轮组工作时，车体下方的无动力轮组需拆除；当用于安装工作时，把无动力轮组安装上去，驱动轮组的轮子不动(图6)。

5 应用情况

图6 移动台车总图

在4号隧洞取水口闸门安装中，水上平台在定位系统的指引下，通过调整锚泊系统，将其移动至闸门门槽上方水域，定位精度控制到厘米级别，固定门式起重机吊起液压抓梁，将承载门叶的电动平车移动至门机吊点下放，用液压抓梁提起闸门，然后下放，在下放过程中，通过观察荷重显示值和高度显示值，准确掌握闸门在水下下放过程中的状态，当门叶下放至闸门门槽孔口时，潜水员下水观察闸门与门槽的相对位置后进行调整，从而使闸门顺利进入门槽，闸门在门槽中继续下放，继续通过观察门机的荷重显示和高度显示及时发现和避免闸门在门槽中出现卡阻现象，使闸门顺利接近安装位置，此时，通过设置在液压抓梁上的光电信号系统确认闸门已经安装到位，打开液压抓梁，再次通过液压抓梁上设置的光电信号系统确认液压抓梁已打开到位，提起液压抓梁，全程继续使用固定门式起重机监控液压抓梁顺利提出门槽至水面，重复上述过程，完成其余闸门的安装。2014年12月，顺利完成了两套、共8节闸门的水下安装任务，经过潜水员水下检测，各节闸门之间的错位不大于2 mm，排干闸门下游侧隧洞内的水，经过检测得知:两套闸门的总泄漏量大大低于工程要求，4号隧洞实现封堵。