五岳水电站闸门及拦污栅启闭吊装复核验算.pdf

人民黄河YELLOWRIVER第45卷S12023年6月Vol.45，Sup.1Jun.，2023收稿日期：2023-01-22作者简介：郭良忠（1974），男，河南太康人，高级工程师，主要从事水利水电建筑施工及管理工作E-mail:五岳水电站闸门及拦污栅启闭吊装复核验算郭良忠（中国安能集团 第一工程局有限公司，广西 南宁 530000）摘要：为了确保水电站进出水闸门及拦污栅启闭设备安装施工安全和建成后的安全运行，拟定科学的安装工艺流程、技术参数并进行验算非常重要。五岳水电站闸门及拦污栅启闭吊装具有难度大、技术要求高、危险性大等特点，从工艺流程和技术参数的拟定、吊装计算、承载力计算等几个方面，介绍了钢丝绳、龙门吊、吊装基础承载力等复核验算情况，可为类似项目提供参考和借鉴。关键词：闸门；拦污栅；吊装技术；承载力；验算；五岳水电站中图分类号：TV664文献标志码：Adoi：10.3969/j.issn.1000-1379.2023.S1.081五岳抽水蓄能电站位于河南省光山县殷棚乡和罗山县定远乡，上水库位于牢山寨北坡近顶部山坳处，下水库利用已建的五岳水库。电站装机容量为1 000 MW，安装4台单机容量为250 MW的水泵水轮发电机组。厂房与下水库进/出水口由两条尾水隧洞连接，尾水隧洞下游侧连接闸门井、扩散段、拦污栅段、前池及反坡段。其中闸门井顶高程为97.0 m，通过1#交通桥与道路相连，在1#、2#闸门井分别设置一扇7.8 m8.7 m（宽高）的平面滑动检修闸门，总重33.026 t。检修闸门分3节，需要在闸门井顶部焊接成型并安装止水后整体吊装至门槽，闸门平时锁定在高程为97.0 m的平台上，通过630 kN卷扬机启闭，最大起吊高度为38.5 m。下水库进/出水口拦污栅排架结构顶高程94.0 m，通过2#交通桥与保通路相连，1#、2#拦污栅通过3#交通桥连接，每孔设置4扇拦污栅（共8扇），单扇拦污栅尺寸为6.58 m12.64 m（宽高），总重45.044 t。拦污栅共分4节（单节最大吊装质量不超过10 t），在拦污栅上部排架结构顶部用螺栓连接成型后整体吊装至拦污栅槽，平时通过1 000 kN的门机启闭，最大起吊高度34 m。本文重点介绍吊装的特点、技术参数的拟定，并对钢丝绳、龙门吊、基础承载力进行验算，总结吊装工作基本流程，以期为类似工程提供参考。1吊装特点、技术参数及工艺流程1.1吊装特点（1）1#交通桥（设计荷载55 t）及闸门井顶部均没有布置汽车吊的空间，因此检修闸门安装只能采取临时布置50 t龙门吊的方式。（2）拦污栅上部排架结构虽然有吊车作业的空间，但由于两侧悬挑梁承载力不能满足吊车和拦污栅荷载要求，无法使用汽车吊吊装，因此拦污栅安装也只能采取布置50 t龙门吊的方式。（3）检修闸门和拦污栅均采取整体吊装的方式，其中闸门最大吊装质量33.026 t，高度为38.5 m；拦污栅最大吊装质量41.00 t（拉杆可单独吊装），高度为34.0 m，需要对临时吊装设备进行安全性验算。1.2技术参数的拟定闸门井及拦污栅均由业主委托郑州水工机械厂生产，吊装采用W7527塔机、40 t汽车吊分节进行倒运，整体吊装采用专业厂家生产的50 t龙门吊进行临时吊装。本次吊装共安装2扇检修闸门和8扇拦污栅，其中每扇检修闸门重33.026 t、吊装高度37.5 m，每扇拦污栅重约41 t、吊装高度34 m，所有吊装对象出厂前均进行了静平衡试验，保证吊点与重心基本位于一条直线。1.3工艺流程（1）下水库进出水口检修闸门及门槽埋件安装。设备运输。安装设备通过1#道路和1#交通桥运输至1#交通桥4#、5#桥墩T形梁处，随后经塔机分节吊运至闸门井顶部安装现场。设备安装。门槽埋件使用现场塔吊进行吊装，闸门使用电动葫芦配合龙门吊进行安装。下水库进/出水口闸门总重33.1 t，闸门主体分 3 片结构，顶节、中节、底节门叶分别重10.26、9.87、9.49 t，若吊运至门槽边缘，最大起吊幅度为20.77m，经插值计算额定起重量约为12.2 t，可满足吊装要求。塔机将检修闸门分节吊装至闸门井顶部后，采用50 t龙门吊进行接力倒运，龙门吊从专业厂家采购成品。同时在孔口设置锁定装置，龙门吊配合进行拼装焊接，最后下闸安装。（2）下水库进出水口拦污栅及栅槽埋件安装。设备运输。通过1#道路、保通路和2#、3#交通桥，用载重汽车把安装设备运输至安装现场。栅槽埋件及拦污栅安装。使用40 t汽车吊分节吊装转运（40 t汽车吊重42 t，交通桥设计承重为55 t），50 t龙门吊进行接力倒运，分节锁定在孔口，龙门吊配合进行连接，每安装一节后，向孔内下放一节并继续锁定，直至4节拦污栅全部安装成整体，随后龙门吊整体吊放安装，起重半径为8.5m、起重高度为15 m时最大起重量经插值计算为16.9 t，拦污栅单节最大质量为底节栅叶9.13 t，满足设备额定起重要求。2吊装验算2.1钢丝绳验算按吊装最大荷载（即拦污栅总重）对钢丝绳进行验算。（1）起重荷载。拦污栅安装时，起重荷载包括拦污栅总重和钢丝绳重。根据设计图纸，拦污栅总重为G1=401.80 kN；钢丝绳型号为637（6股，每股37丝）、长度为31.5 m、直径为24 mm，查重要用途钢丝绳（GB 89182006）1可知直径为24 mm的637钢丝绳质量为219 kg/100 m，则该工程钢丝绳重为G2=0.68kN。综上，总起重荷载为G=G1+G2=402.48 kN。龙门吊采用3个导轮将钢丝绳所受荷载减小为总起重荷载的1/6，即67.08 kN。（2）钢丝绳验算。根据 水电水利工程施工通用安全技术规程（DL/T 53702017）2，轻型起重机钢丝绳的最小安全系数取5.0，钢丝绳抗拉强度R0为1870 N/mm2，则钢丝绳最小破断拉力为F0=KD2R0/1 000=355.45 kN（式中K为钢丝绳最小破断拉力系数）,钢丝绳安全系数为355.45/67.08=5.305，满足要求，即所选钢丝绳符合安全规定。2.2龙门吊验算根据 起重机试验规范和程序（GB/T 59052011）3进行龙门吊验算。（1）主梁验算。主梁的截面几何参数见表1，按起重45 t进行验算。主梁单位长度质量为q=F0g0=2.03 kg/cm（式中：F为主梁截面面积；g0为Q235钢材的密度，取值7.85 g/cm3）。主梁断面整体弯曲应力为z=（Gn+KG）S/4+KqS2/8/Wx=1 522.71 kg/cm2 =1 560 kg/cm2（式中：为动载系数，取1.1；K为自重系数，取1.1；S为龙门吊跨度，取6 m；Gn为主梁承受的最大吊装荷载，取45 t；G为葫芦自重，取2 t；Wx为截面水平轴抵抗矩，取5 158.87 cm3），主梁的强度满足要求。垂直挠度f垂=pS3/（48EIx）=4.12 mm f垂=8 mm（式中：p为荷载，N/mm；E为Q235钢材弹性模量，取2.1105N/mm2），满足要求。水平挠度f水平=pS3/（48EIy）=1.38 mmf水平=3 mm，主梁的挠度满足要求。经过上述验算，主梁的强度和挠度均满足要求。158人 民 黄 河2023年S1（2）支腿强度及刚度验算。支腿受力指标主梁自重为F主=2 244 kg，支腿自重为F腿=2 100 kg，最大吊装荷载为Gn=47 000kg，则P计=F主2/4+F腿+Gn1.25/4=17 910 kg。支腿几何参数见表2。支腿强度 max=P计/A净=134.22 kg/cm2 =1 560 kg/cm2，满足要求。取距支腿上法兰1/3处截面进行分析，截面几何参数见表3。把支腿长度L=913.1 cm代入压杆长细比计算公式得=L/ix=37.38（式中：为压杆长细比；为压杆长度系数，当一端固定一端铰支时取值为0.7），查 钢结构设计规范（GB 500172017）中的 b 类截面轴心受压构件的稳定系数表 可知=0.908，支腿所受应力为=P/（A）=112.89 kg/cm2 =1 560kg/cm2，故支腿刚度满足要求。（3）大车运行验算。对于葫芦起重机滚动轴承，最大摩擦阻力系数为fmax=0.022，葫芦起重机静止状态下惯性功率为N静=2.19 kW，电机克服惯性的功率增大系数为K电=1.25，则电机克服惯性功率N=N静K电=2.74 kw。查电机产品，选择功率为3.0 kW的YES1002-4型大车，满足运行要求。综上，通过验算，该龙门吊各机构部件可满足45 t起重荷载要求。2.3吊装基础承载力验算（1）闸门井基础承载力验算。闸门井混凝土设计强度为C30W6F100（抗压强度标准值为20.1 MPa），龙门吊布置在闸门井顶部时，龙门吊自重为 2 244 kg2（主梁）+2 100 kg4（支腿）+2 000 kg（电动葫芦）=14.888 t，龙门吊吊装闸门井时最大荷载为14.888+33.026=47.914 t，平均每个车轮轮压为47.9149.8/4=117.39 kN285 kN（车轮允许最大压力）。龙门吊轨道型号为 P43，钢轨底宽 114 mm，支腿底座长550 mm，按最不利的四点荷载计算（不考虑钢轨分担荷载），闸门井顶部所受荷载为1.87 MPa。综上，闸门井顶部基础受压满足要求。（2）拦污栅整体吊装基础承载力验算。拦污栅混凝土设计强度为C30W6F100（抗压强度标准值为20.1 MPa），龙门吊布置在拦污栅顶部时，龙门吊自重14.888 t，龙门吊吊装拦污栅时最大荷载为41 t+14.888 t=55.888 t，折合547.70 kN，平均每个车轮轮压为136.93 kN285 kN（车轮允许最大压力）。此时拦污栅顶部所受荷载为2.18 MPa20.1 MPa。龙门吊支腿宽度为5.5 m，整体布置在拦污栅上部排架结构（拦污栅上部排架结构宽5.7 m）基础上，该基础是为闸门及拦污栅正常运行的启闭设备（自重100 t的门机）设计的，本次为吊装拦污栅所布置的龙门吊最大承重为55.888 t，小于门机起重量100 t，所以拦污栅上部排架结构基础受压满足要求。（3）拦污栅分节吊运基础承载力验算。当40 t汽车吊（吊重42 t，交通桥设计承载力55 t）支腿打开时，支腿间距7.35 m，单节拦污栅最大吊装质量为底节栅叶9.13 t，故平均每个吊车支腿最大压力为12.8 t，折合125.44 kN。拦污栅上部牛腿单位长度悬臂梁所受拉应力（钢筋混凝土重度按25.1 kN/m3计算）为拉=M/W=1.15 MPa2.01 MPa M为牛腿根部受到的弯矩，kN m；W为牛腿抗弯模量，m3，对于矩形断面，W=bh2/6（b为截面宽度，h为截面高度）。在未考虑牛腿（悬臂梁）中钢筋抗拉强度的情况下已经满足强度要求，且实际施工时牛腿下部盘扣式支撑架不拆除，故安全系数大于2.01/1.15=1.748。综上，拦污栅上部牛腿基础承载力满足要求。3结语为了确保水电站进出水闸门及拦污栅启闭设备安装施工安全和建成后的安全运行，拟定科学的安装工艺流程、技术参数并进行验算非常重要。五岳水电站闸门及拦污栅启闭吊装工艺流程、技术参数及其验算方法可供类似工程项目参考和借鉴。参考文献：1 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.重要用途钢丝绳：GB 89182006 S.北京：中国标准出版社，2006：17.2 中华人民共和国国家发展和改革委员会.水电水利工程施工通用安全技术规程:DL/T 53702017 S.北京:中国电力出版社，2017：85.3 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.起重机试验规范和程序：GB/T 59052011 S.北京：中国标准出版社，2011：3-6.【责任编辑张智民】表1龙门吊主梁截面几何参数参数A（截面面积）/mm2Ix（x方向惯性矩）/mm4ix（x方向最小回转半径）/mmWx上（上截面模量）/mm3Wx下（下截面模量）/mm3绕x轴面积矩/mm3形心离左边缘距离/mm形心离上边缘距离/mmx方向主矩I1/（N m）y方向主矩I2/（N m）Ip（荷载方向惯性矩）/mm4Iy（y方向惯性矩）/mm4iy（y方向最小回转半径）/mmWy左（左截面模量）/mm3Wy右（右截面模量）/mm3绕y轴面积矩/mm3取值26 080.00002 393 716 693.333 7302.958 15 158 872.183 95 158 872.183 93 453 680.000 0550.000 0464.000 02 393 716 693.331 07 144 098 133.328 19 537 814 826.661 87 144 098 133.3281523.383 412 989 269.333 312 989 269.333 36 823 200.000 0表2龙门吊支腿截面几何参数参数A/mm2Ix/mm4ix/mmWx上/mm3Wx下/mm3绕X轴面积矩/mm3形心离左边缘距离/mm形心离上边缘距离/mmx方向主矩I1/（N m）y方向主矩I2/（N m）Ip/mm4Iy/mm4iy/mmWy左/mm3Wy右/mm3绕y轴面积矩/mm3取值13 344.000 035 2131 072.000 2162.446 11 760 655.360 01 760 655.360 01 000 512.000 0225.000 0200.000 0352 131 071.999357 560 672.000709 691 744.004 2359 560 672.003 9163.693 71 589 158.542 21 589 158.542 21 007 112.000 0参数A/mm2Ix/mm4ix/mmWx上/mm3Wx下/mm3绕X轴面积矩/mm3形心离左边缘距离/mm形心离上边缘距离/mmx方向主矩I1/（N m）y方向主矩I2/（N m）Ip/mm4Iy/mm4iy/mmWy左/mm3Wy右/mm3绕y轴面积矩/mm3取值17 472.000 0510 734 336.000 2170.972 52 553 671.680 02 553 671.680 01 405 056.000 0354.000 0200.000v0510 734 336.0021 122 185 983.9961 632 920 320.000 21 122 185 984.000 0253.431 83 170 016.904 03 170 016.904v02 000 928.000 0表3支腿上法兰1/3处截面几何参数 159