藤子沟电站拱坝缆机布置与改造规划

摘 要：藤子沟缆机使用原东风电站的“一主二副”辐射式缆索起重机，根据现场实际情况进行重新布置与改造计算，最终确定缆机布置高程、辐射范围以及主索形式、垂度等参数。

关键词：缆机；布置；改造；藤子沟电站

1 概述

藤子沟水电站工程位于重庆市石柱县境内的龙河上游河段，大坝体形采用椭圆形双曲拱坝，坝顶高程777.0m，顶拱中心角90.347°，拱冠梁底宽20.01m，厚高比0.171，坝顶最小宽度 5.0m，最大坝高127m，坝顶长339.475m(顶拱中心线弧长) ，共分为18个坝段。

根据现场地形条件，以及施工单位现有的设备，坝体混凝土浇筑垂直运输采用辐射式缆索起重机再配合吊罐。

藤子沟缆机是由原东风电站的辐射式缆索起重机经检修、改造后再次使用。

东风缆机为“一主二副”型式20t辐射式缆机，由原水利电力部杭州机械设计研究所设计，夹江水工机械厂制造。原设计跨度为500m，在东风电站的实际使用跨距为308m，主要技术特性：

(1)缆机包括固定塔（主塔）一座和弧形轨道上移动的活动塔（副塔）两座。活动副塔高15m，比固定塔高3m，两活动塔在同一轨道上行走，行走范围为20º+12.5º。

(2)在主塔头下部有24m×15m的机房，励磁机组装置放于机房一侧的机组房内（10m×9m），机组房上部为电气房（12m×9m）。

(3)主要技术特性

跨度：308m（设计跨度500m）；最大起重：20t；

设计行走轨道长度：240m；最大轮压：50t；

空载及满载包络线：跨中垂度5%，满载时15.4m，空载时12.926m；

工作跨度：满载时距活动塔31m开始～266m终止（即距固定塔42m）；空载时距活动塔10.575m开始～298m终止（即距固定塔10m）。

(4)与缆机配套的HGY6型液压蓄能砼吊罐的性能参数

容积：实容积6m3，几何容积7.5m3；

工作压力：空载时1Mpa，满载时8Mpa；

自重：4.2t；外形尺寸（长×宽×高）：2295mm×2295mm×3250mm；

加缆机横梁板，罐体起吊高度为5670mm。

2 缆机布置规划

2.1承载索支点计算确定

在不改变东风缆机性能参数的情况下，进行藤子沟缆机主、副塔承载索支点标高确定计算，计算简图如下：

计算步骤：

（1）主、副塔承载索支点水平间距称为跨距L，该值先应在平面布置图上以覆盖大坝砼为主初步确定，经过计算校核是否合理，兼顾实际地形条件与缆机修建工程量；

（2）主索与吊罐底面最小高差i，该值查机械参照表得出，i=15m；

（3）吊罐到坝顶的安全距离k的取值一般不宜小于跨距的1%，同时考虑坝顶闸房5m的高度；

（3）夸中最大垂距Smax一般取跨距的5%，

（4）主、副塔承载索支点高差Δh取值一般为跨距的1%。根据东风缆机原设计资料确定，承载索支点高差Δh=3m，固定塔承载索支点距机房底面34m，活动塔承载索支点距轨道顶面高程15m。

（5）两支点连线中心点至坝顶高程的高差：

Z=Smax+i+k

（6）两塔主索承载支点高程：

Gao活承=坝顶高程+Z+Δh/2

Gao固承=坝顶高程+Z-Δh/2

（7）缆机平台高程

活动塔轨道顶面高程= Gao活承-15

固定塔机房底面高程= Gao固承-34

（8）工作区域

国产缆机现都规定两侧非正常工作区为跨距的1/10。

2.2布置方案确定

藤子沟缆机布置应以满足拱坝混凝土施工为主，兼顾砼拌和、运输系统位置，以及实际地形条件、缆机修建工程量等多方面因素。

拱坝左右坝肩以上山体边坡地形情况为左岸边坡平缓呈阶地，右岸边坡是陡峭悬崖，另外砼拌和系统、运料及受料线路均设在左岸，于是将固定塔设在右岸、活动塔设在左岸较为合理。在考虑到缆机运行时重车下坡有利于电力能效，活动塔的承载支点应高于固定塔。在初步确定跨距时，应尽量多覆盖拱坝坝段，但也应选择合适的辐射角度优化缆机土建工程量。

先经过多次试算对比，最终选择出4个不同的跨距方案进行进一步的论证，跨距分别是390m、420m、450m、470m，主要是从覆盖范围、工程量、预期效果等多方面探讨，经过专家咨询辩论后，最终确定跨距420m、辐射角度35º方案较好，充分发挥缆机性能，最多可能的覆盖了5#～18#坝段，而1#～4#坝段无法覆盖到，兼顾其它相关临建系统配合作业，建设工程量合适。

跨距L=420m，i=15m时，计算k=9.2m，Smax=21m，Z=45.2m；

Gao活承=777+45.2+1.5=824.3m；Gao固承=777+45.2-4.2/2=820.1m；

最后确定藤子沟缆机布置参数为：跨距420m，辐射角度35º，Gao活承为824m，Gao固承为821m，机房平台高程787m，轨道高程809m，工作区：满载时距活动端42m开始至378m(即距固定塔42m)。

藤子沟缆机的平面布置与立面布置见下图示意：

3 缆机改造规划

3.1主索的选择

由于滕子沟缆机和东风缆机一样，为“一主二副”型式的辐射式缆机，两台缆机的活动端在同一弧型轨道上行走，因此，两台缆机的跨度随活动塔在弧型轨道上的位置不同而变化。设计时以设计跨度420m，主索最大垂度为跨度的5%为基准（跨度为420m时活动塔的位置为“0”位），再分别计算最大跨距和最小跨距时受力情况。

结果如下：

“0”位时，单根主索最大张力980KN（温度最低，-10℃），最大垂度21.966m（温度最高38℃）。

跨度最大时（跨度增加115.5mm），单根主索最大张力1000KN（温度最低，-2℃），最大垂度21.542m（温度最高38℃时）。

跨度最小时（跨度减少146mm），单根主索最大张力955.6KN（温度最低，-2℃），最大垂度22.5m（温度最高40℃）。

结论：选用宁夏石嘴山钢铁厂的60mm钢丝绳,抗拉强度1470N/mm2,整绳破断拉力不小于3200KN的三层Z型密封钢丝绳，主索安全系数达到3.2，主索实测破断拉力总和为：3856kN，实际安全系数为：3.856，完全满足施工设计要求。

最后确定：承载索型号：三层Z型封闭钢丝绳；直径：60mm；公称抗拉强度： 1470KN/mm2；钢丝绳破断拉力：≥3200KN。

3.2工作索的规格型号选择：

（1）起升索

由于额定载荷、吊钩、起升高度，导向滑轮布置、缠绕方式等没有发生变化，因此起升索的受力情况基本不变，型号也不变，仅长度变化。

起升索型号：6T（25）-26-1670-I-光-右交 （GB1102）

（2）牵引索

由于跨度、两端高差等发生变化，需要对牵引索的受力作较详细的计算。计算后得：牵引索的初张力约为40KN，最大张力约为95.55KN，比原东风缆机的小车牵引钢绳最大张力9.857t略小，因此牵引绳的规格型号不变，安全系数也满足要求。

牵引索型号：GT（25）-28-1670-I-光-同 （GB1102）

（3）承马绳

经计算后得承马绳的工作最大张力约为10.95KN,比东风缆机的0.87t略大，用原型号钢丝绳，仍满足最小安全系数不小于4的设计要求。

承马索型号：GT（25）-14-1670-I-光-同-右 （GB1102）

（4）过江电缆支承钢绳

过江电缆支承钢绳如仍采用原型号钢绳，安全系数要大于3.5，钢绳最大拉力应为6.031t，过江电缆垂度为6.8m。如采用1×19-13-1670-I-锌单股钢丝绳（钢绞线），其最大破断拉力14.7t，要求安全系数大于3.5，钢绞线的最大工作拉力为4.2t，计算最大垂度约为6.5m，因此用13钢绞线完全可以代替原钢丝绳。

过江电缆支承钢绳型号：6×19+1-20-170-I-锌-交（GB1102）或1×19+13-1670-I-锌GB1102）

（5）定滑轮组绳索

由于起升绳的受力基本没有变化，定滑轮组绳索和原东风缆机完全一致。

定滑轮组绳索型号：6×37-11.5-1670-I-锌-交 GB1102）

3.3两端基础载荷。

主要内容包括各种工况下活动塔端的轮压、固定塔的载荷数据，导向滑轮组的最大载荷等。

（1）活动塔轮压

计算活动塔轮压时分下列几种工况：

0、空索安装，活动塔压300t配重。

Ⅰ、满载小车位于跨中，活动塔压450t配重。

Ⅱ、满载小车位于距活动塔40m处（吊罐平台），活动塔压450t配重。

Ⅲ、满载小车位于距固定塔60m处（浇筑极限位置），活动塔压450t配重。

Ⅳ、空罐小车位于距活动塔40m处（吊罐平台），活动塔压450t配重。

Ⅴ、空钩小车位于距活动塔10m处（检修位置），活动塔压450t配重。

Ⅵ、非工作状态，风向水平垂直主索，风压800N/m2。空钩小车位于距固定塔60m处。

随活动塔在弧轨上位置不同，缆机的跨度变化，轨道基础受力不同，但另一方面，两台缆机靠近同向运行时总的轮压和变化不大，因此计算时仅计算“0”位时的轮压，作为基础设计的依据。

计算结果如下：

各种运行工况下的前轨轮压、后轨轮压：

活动塔轮压(KN)

工况 前斜轨水平RA 前斜轨垂直RB 前斜轨合成R合 后轨垂直RC

0 135 71 152.5 276

Ⅰ 240 143 278.8 265

Ⅱ 189 108 217.5 383

Ⅲ 207 119 239.1 316

Ⅳ 154 82 174.4 434

Ⅴ 133 68 149.5 468

Ⅵ 155 76 163.2 437

（2）固定塔载荷

固定塔头载荷的计算工况和活动塔相同，根据固定塔头的结构，上支承铸钢梁受水平载荷，双立柱的支承座同时受水平载荷和垂直载荷。由于固定塔头由两台辐射缆机共用，所受的载荷是不同工况下的某种组合载荷。我们根据“0”位时的一台缆机的几种工况条件下固定塔头的载荷情况。这样可较方便地计算为两台缆机活动塔在不同位置时的组合载荷。

“0”位时的不同工况下固定塔头一个立柱的载荷如下：

固定塔头载荷(KN)

工况 铸钢梁水平拉力PA 立柱支承座水平力PB 立柱支承座垂直力NB

0 637.3 635.6 373.3

Ⅰ 1185.2 1234.4 493.5

Ⅱ 954.2 910.5 374.4

Ⅲ 1140.3 905.5 610.4

Ⅳ 810.4 647.7 352.7

Ⅴ 740.4 483.4 340.3

Ⅵ 827.3 521.5 400.6

（3）导向滑轮组载荷

由于起升绳、牵引绳的载荷基本不变，导向滑轮的布置方式也没有变化，因此导向滑轮基础载荷跟原东风缆机相同，

（4）起升、牵引机构基础载荷

由于起升绳、牵引绳的载荷基本不变，两机构的基础可仍按东风缆机设计。

3.4主索包络线

主索包络线计算简图如下：

（1）-2℃温度下,活动塔位于“0”位，小车处于不同位置时包络线；

X/L 0.0573 0.1 0.14 0.18 0.22 0.26 0.3 0.34 0.38 0.42 0.46 0.5

X(m) 10 42 58.9 75.8 92.7 109.6 126.5 143.4 160.3 177.2 194.1 210.37

垂度 满载 / 10.46 12.84 14.78 16.37 17.68 18.75 19.6 20.24 20.69 20.95 21.04

fx(m) 空罐 / 8.58 10.81 12.65 14.17 15.43 16.45 17.26 17.87 18.3 18.56 18.64

空钩 2.1 7.34 9.46 11.25 12.75 14 15.02 15.84 16.46 16.9 17.15 17.23

空索 / / / / / / / / / / / 14.806

（2）38℃温度下,活动塔位于锚固点同侧轨道一端，小车处于不同位置时的包络线；

X/L 0.0238 0.1 0.14 0.18 0.22 0.26 0.3 0.34 0.38 0.42 0.46 0.5

X(m) 10 42 58.9 75.8 92.7 109.6 126.5 143.4 160.3 177.2 194.1 210.37

垂度 满载 / 11.25 13.75 15.79 17.45 18.82 19.94 20.82 21.48 21.95 22.23 22.31

fx(m) 空罐 / 9.34 11.73 13.7 15.32 16.65 17.74 18.6 19.25 19.7 19.97 20.05

空钩 2.34 8.03 10.34 12.27 13.89 15.24 16.34 17.22 17.88 18.35 18.63 18.72

空索 / / / / / / / / / / / 15.723

（3）-2℃温度下,活动塔位于锚固点异侧轨道一端，小车处于不同位置时的包络线；

X/L 0.0238 0.1 0.14 0.18 0.22 0.26 0.3 0.34 0.38 0.42 0.46 0.5

X(m) 10 42 58.9 75.8 92.7 109.6 126.5 143.4 160.3 177.2 194.1 210.37

垂度 满载 / 10.19 12.53 14.44 16.01 17.3 18.35 19.19 19.82 20.26 20.52 20.61

fx(m) 空罐 / 8.32 10.5 12.3 13.78 15.01 16.01 16.8 17.41 17.83 18.08 18.16

空钩 2.025 7.11 9.17 10.9 12.36 13.58 14.57 15.37 15.98 16.4 16.65 16.73

空索 / / / / / / / / / / / 14.12

3.5缆机倾覆稳定性验算

固定塔头载荷(KN)

工况 活动塔配重 前倾稳定系数 后倾稳定系数

0 300t 4.41 ∞（不存在后倾可能）

Ⅰ 450t 2.59 ∞

Ⅱ 450t 3.06 ∞

Ⅲ 450t 2.74 ∞

Ⅳ 450t 3.35 ∞

Ⅴ 450t 4.04 ∞

Ⅵ 450t 3.40 ∞

起重机设计规范要求倾覆稳定系数在1.15～1.5，所以东风缆机移用重庆藤子沟电站后，活动塔配重不需增加，按原东风缆机的配重压载，足可保证缆机的抗倾覆安全。

4 布置与改造审核

东风缆机移用到藤子沟电站后，整体布置基本上和东风一致，最大的不同在于跨度从东风的308m增加到420m，但由于东风缆机的原设计跨度为500m，在滕子沟电站的跨度仍小于原设计跨度，因此，改造修复后把东风缆机用于滕子沟电站的施工是可行的。

滕子沟缆机整体布置审核要点：

（1）活动塔端弧型轨道的布置按杭机所提供的资料设计、铺设，技术要求按滕子沟电站用20t辐射式缆机起重机说明书中有关技术要求执行。

（2）固定端的机房与操作间高程调整为777m，导向滑轮组的布置根据提供的缆机实际布置图纸，校核钢丝绳和导向滑轮偏角及钢丝绳进出卷筒绳槽偏角，验算后滑轮偏角和卷筒绳槽偏角符合规范要求。

（3）缆机两端布置高程校核

在前期缆机布置设计阶段，确定的固定塔主索支点高程为821m，活动塔主索支点高程为824m，但施工过程中受活动端实际地质影响，将活动塔主索支点高程降为821m。现场实际情况时，两端主索支点高程均为821.0m，计算得主索最大垂度22.3m，小车至吊罐底部的最小距离一般为15m，坝顶高程为777m，因此，混凝土吊罐离坝顶还有6.7m，吊钩离坝顶还有约17m。

5 结束语

（1）藤子沟电站缆机采用原东风电站缆机，由水电九局提供，现场施工项目部委托原设计杭州机械设计研究所进行技术改造及主索计算等。

（2）缆机在实际使用过程中，性能稳定，顺利完成了覆盖范围内的坝体砼与水垫塘砼运输以及施工设备跳仓转移，单机最大小时吊运罐数为10罐，一般为5～8罐，砼月浇筑强度最大为2.5万方。

（3）藤子沟电站缆机从前期策划直至最后安全运行结束，各项方案兼顾多方条件严谨有序，充分发挥了原有大型施工设备机械效率，直接为电站拱坝修筑提供强力保障。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。