中小型水庫放水閘螺桿連接及防彎曲裝置研究

張瑞寶，夏 忠，劉 沖

（1.新泰市新甫街道辦事處，山東 新泰271200；2.新泰市水利局，山東 新泰271200）

水庫放水洞是水庫三大件之一，其主要功能是滿足灌溉、供水、發(fā)電等需要，以及水庫進行檢修時放空水庫、洪水來臨前騰空庫容等。土石壩的放水洞常見的有臥管式、閘閥式、斜坡式和豎井式（或塔式）等型式。對于水頭較高、流量較大，水量要求比較嚴格的水庫，放水洞進口操作設(shè)備多采用豎井式。豎井式放水洞的閘門多為平板式閘門，用鑄鐵或鋼板制成，在豎井底部安裝平板閘門，閘門上安裝螺桿，上部與啟閉機相連，啟閉機通過螺桿控制閘門啟閉來控制放水洞放水。

中小型水庫放水閘螺桿直徑大多在40～100 mm之間，長度10～30 m，一般是用長6 m的實心圓鋼連接而成，啟閉機啟閉方式有手動和電動兩種方式，大多采用手動方式啟閉。絕大多數(shù)啟閉機沒有限位裝置，閘門啟閉主要靠經(jīng)驗和感覺，由于大多數(shù)水庫是20世紀70年代以前修建的，啟閉機螺桿主要采用搭接連接，在閘門關(guān)閉到位后還能在螺桿上施加壓力，螺桿受力后會在軸向發(fā)生彎曲，螺桿彎曲達到一定程度后閘門便無法正常啟閉，致使閘門漏水并影響水庫放水，水庫無法發(fā)揮灌溉和調(diào)洪功能。水庫放水閘螺桿彎曲已成為影響中小型水庫運行的主要問題，存在可改進之處。

1 放水閘螺桿連接方式的改進

為解決水庫放水閘螺桿易彎曲的問題，首先改進螺桿的連接方式，增加螺桿的整體剛度。其次，可視螺桿長度在螺桿上每隔6～10 m安裝一個彎曲限制裝置。在改進螺桿的連接方式、安裝螺桿防彎曲裝置后，啟閉機螺桿易彎曲變形的問題得到有效解決。

1.1 放水閘螺桿常規(guī)連接方式

中小型水庫放水閘螺桿長度大都在10～30 m之間，而廠家生產(chǎn)的圓鋼長度通常不超過6 m，因而工程中的螺桿需要連接，過去常用的連接方式是搭接，即將待接端削去1/2，再在其上鉆孔，然后裝入螺栓將兩根螺桿連接起來，這種連接方式削減了接頭處螺桿的同截面的受力面積，在接頭處易發(fā)生偏心受拉、受壓，甚至形成應(yīng)力集中，當閘門啟閉時極易使螺桿切口處彎折，甚至在截面改變處斷裂，螺桿的整體性較差，這一問題給中小型水庫的運行管理帶來了一定的困難。

1.2 改進后的螺桿連接方式

1）處理螺桿接頭。將第一螺桿與第二螺桿垂直于桿軸線鋸齊。

2）準備抱箍。取8～10 mm厚度（鋼板厚度視螺桿粗細而定，螺桿粗的取厚度大的，螺桿較細的取厚度小的）的鋼板兩塊，加工成Ω形的第一抱箍和第二抱箍。

3）鉆孔。在Ω形抱箍板兩翼等距鉆4個M19 mm的螺栓孔。

4）焊接。將Ω形第一抱箍焊接于第一螺桿接頭處，將第二抱箍焊接于第二螺桿接頭處，采用圍焊，焊縫厚度為8 mm，如圖1~3示。

5）安裝。將兩個螺桿端部對接，用φ18 mm的固定螺栓裝入螺栓孔，然后用扳手擰緊，如圖4～6示。

2 放水閘螺桿防彎曲裝置制作與安裝

可視螺桿長度在螺桿上每隔6～10 m安裝一個彎曲限制裝置，有效控制螺桿的軸向撓曲。

2.1 螺桿防彎曲裝置的制作

螺桿防彎曲裝置有軸承、襯套（包括套筒和翻邊）、支撐及調(diào)節(jié)裝置（包括支撐、套管、安裝座、固定螺栓）組成。

1）選擇軸承。由于深溝球軸承具有摩擦系數(shù)小，承受徑向負荷能力強，耐用、無需經(jīng)常維護等優(yōu)點，選擇防油密封深溝球軸承作為螺桿防彎曲裝置的軸承，螺桿相對軸承應(yīng)能上下移動，要求軸承內(nèi)圈直徑比螺桿直徑略大的軸承，在螺桿能順利穿過軸承內(nèi)圈且能自由移動的前提下，盡量減小螺桿與軸承的間隙。

2）制作襯套。襯套由套筒和翻邊組成。套筒可選用厚度不小于3 mm的鋼管做成（也可用厚度不小于3 mm的鋼板卷焊而成），套筒的內(nèi)徑以能容納軸承且軸承與套筒內(nèi)壁間隙最小為宜，套筒的高度可比軸承高度大1～3 mm。為防止閘門啟閉時軸承從套筒內(nèi)滑脫，在套筒的上下兩側(cè)需安裝（焊接）翻邊，翻邊沿套筒的周向延伸成環(huán)形，翻邊可用3 mm的鋼板制成，翻邊內(nèi)側(cè)不得接觸螺桿，其內(nèi)徑宜比螺桿直徑大10～30 mm；先焊接一側(cè)翻邊，將軸承放入套筒后再焊接另一側(cè)翻邊。

3）制作支撐管。支撐管用焊接方式固定在襯套的外周壁上，支撐管可用φ16～φ22 mm的圓鋼制作（支撐管直徑隨著螺桿直徑的增大而增大），其長度為放水洞立井內(nèi)半徑的2/3～3/4，每個襯套需要安裝3個支撐管，3個支撐管等距焊接在襯套外周壁的腰線上，如圖7所示。

4）制作支撐調(diào)節(jié)裝置。支撐調(diào)節(jié)裝置由套管、螺栓、安裝座組成（見圖7）。套管可用無縫鍍鋅鋼管制作，壁厚不小于3 mm，長度為放水洞立井內(nèi)半徑的1/2～2/3；在距離套管插口20 mm位置的管壁上開16 mm圓形螺栓孔，孔上焊接M16螺母，再在螺母上擰上M16螺栓；取邊長200 mm厚5 mm鋼板作為安裝座，在其上四角各鉆一個12 mm的螺栓孔，將套管不帶螺栓一端焊接在安裝座中央。

圖7 支撐管示意圖

2.2 螺桿防彎曲裝置的安裝

在螺桿接頭處焊接Ω形的抱箍前，先將帶有軸承的襯套套在螺桿上；螺桿連接安裝到位后，將支撐調(diào)節(jié)裝置（帶安裝座的套管）套在支撐管上，暫時擰緊套管上的螺栓，以防支撐調(diào)節(jié)裝置掉落；將帶有軸承的襯套移動到預(yù)定安裝位置后，松開套管上的螺栓，將套管徐徐拔出，直到安裝座頂?shù)椒潘戳⒕畠?nèi)壁位置；在井壁上安裝座螺栓孔位置打孔，用不銹鋼膨脹螺栓將安裝座固定；調(diào)整閘門與螺桿軸心，使螺桿軸心穿過閘門重心；最后用扳手擰緊3個套管上的螺栓即可完成安裝任務(wù)。螺桿重新連接并安裝防彎曲裝置后，在襯套、支撐管、套管、安裝座及螺桿接頭抱箍處噴涂防銹漆防護，清理閘底坎雜物，在螺桿上部設(shè)置限位標志，對啟閉機操作人員加強培訓(xùn)，防止誤操作。

3 應(yīng)用案例

3.1 旋崮河水庫放水閘螺桿連接方式地改進

旋崮河水庫建于1975年，位于新泰市青云街道旋崮河村東，處于黃河流域大汶河水系柴汶河支流平陽河上游，水庫控制流域面積6.0 km2，總庫容284.82萬m3，調(diào)洪庫容85.86萬m3，興利庫容189.06萬m3，死庫容9.90萬m3。旋崮河水庫是一座防洪、農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼顧水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合運用的小（1）型水庫。放水洞位于大壩右側(cè)，為無壓漿砌石拱涵，斷面尺寸為1.40 m×1.20 m，設(shè)有平板閘門，配備10 t螺桿式啟閉機。在上游壩肩設(shè)豎井，井上建啟閉機房，螺桿長19 m，采用四根直徑80 mm圓鋼搭接而成。

該水庫放水閘螺桿先后在1989年、1993年、1996年3次在接頭處發(fā)生斷裂，并造成了螺桿不同程度的彎曲。由于螺桿彎曲造成閘門關(guān)閉不嚴，放水洞一直存在不同程度漏水。前兩次維修只是將斷裂部位進行焊接后，繼續(xù)按照原搭接方式進行連接。1996年汛前放水時螺桿再次斷裂，螺桿產(chǎn)生彎曲。經(jīng)過分析研究，原因是原連接方式的螺桿在工作時接頭處受力為偏心受拉或偏心受壓，且易因應(yīng)力集中而在切口處斷裂。

維修時先將螺桿全部從豎井取出并調(diào)直，然后按照本文前述螺桿連接方式進行連接，在螺桿中部設(shè)置兩個不帶軸承的簡易防彎曲裝置，徹底解決了螺桿易斷裂和因螺桿彎曲導(dǎo)致閘門關(guān)閉不嚴而漏水的問題。至今已正常運行25年，沒出任何問題。

3.2 西周水庫放水閘螺桿防彎曲裝置

西周水庫于1966年5月建成，位于新泰市新甫街西西周北村北，處于西周河中游支流上，屬柴汶河流域。水庫總庫容127.1萬m3，調(diào)洪庫容30.58萬m3，興利庫容82萬m3，死庫容14.52萬m3，是一座防洪、農(nóng)業(yè)灌溉等綜合運用的?。?）型水庫。放水洞位于大壩右側(cè)，為無壓漿砌石拱涵洞，在上游壩肩設(shè)一漿砌石豎井，井內(nèi)設(shè)0.8 m×1.2 m的平板鋼閘門，用一臺5 t手搖螺桿式啟閉機啟閉，螺桿長12 m，采用2根直徑65 mm圓鋼搭接而成。2018年10月水庫放水閘因螺桿彎曲無法正常啟閉。經(jīng)分析，是由于工作人員誤操作造成的，啟閉機沒有限位裝置，在閘門已經(jīng)關(guān)閉到位的情況下，工作人員通過啟閉機繼續(xù)對螺桿施加壓力，致使螺桿出現(xiàn)明顯彎曲導(dǎo)致閘門啟閉失靈。通過將螺桿全部從豎井取出并用機械調(diào)直，先按照本文前述螺桿連接方式進行連接，然后在螺桿中部均勻安裝兩個螺桿防彎曲裝置，徹底解決了因螺桿彎曲導(dǎo)致放水閘不能靈活啟閉的問題。

4 結(jié)語

在連接方式改進并安裝防彎曲裝置螺桿上，閘門關(guān)閉到位后，再在啟閉機上手動施加關(guān)閉閘門的力量將非常困難，從而避免了啟閉機螺桿彎曲、斷裂，保證了中小型水庫放水閘正常運轉(zhuǎn)，水庫效益得以正常發(fā)揮。本文介紹的放水閘螺桿連接方式及螺桿防彎曲裝置結(jié)構(gòu)簡單，便于實現(xiàn)，實用性強，值得推廣。