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鯉魚潭水庫擋水閘門下閘的荷重變化及極限開關的設定

巫茂松

摘要

鯉魚潭水庫擋水閘門屬鋼索式閘門，啟閉需在靜水壓力下操作，閘門門體設有2座充水閥，閘門下閘到位且充水閥緊閉時，才完成擋水功能，始可洩放完下游輸水管路內餘水並進行檢查或其他相關設備維修；當閘門上下游的水壓不同時，提吊打開充水閥讓庫水注入，俟上下游的水壓平衡時使可提吊閘門門體；充水閥的關閉靠吊樑的重力及連桿的彈簧張力將閥門緊閉，閘門的操作關鍵在於如何確認於水深60米下的充水閥完全關閉，並據以設定啟閉點的吊門機極限開關。

本文同時應用閘門的荷重曲線比對、磁簧開關確認法、綁繩法進行確認充水閥是否關閉，最後獲得閘門全閉時的應力荷重曲線變化圖，並設定了全閉的極限開關，此荷重曲線變化圖及極限開關已為以後閘門全閉的操作參考依據，經101年2月21日及102年3月27日，2次成功的操作，結論為極限開關顯示充水閥關閉後，吊門機再續放15-20秒，左荷重元375公斤，右荷重元608公斤以下時，閘門達全閉狀態，本文的操作過程及方法的應用可提供其他水庫相同閘門確認全閉的參考。

一 、前言

鯉魚潭水庫更新一座鋼索式擋水閘門，必需進行漏水測試並藉此設定閘門全閉位置的極限開關，擋水閘門在斜依式進水塔的內側門槽軌道上及門框上進行昇降啟閉，如何確認擋水閘門是否關閉?必需了解閘門啟閉原理及其它相關構造，才能精準的確認充水閥的全閉位置，以下是擋水閘門的相關說明【1】。

1. 取水工斜依式進水塔和公共用水擋水閘門的相關位置

鯉魚潭水庫斜依式進水塔，其斜度為1V:1.55H，最內層門槽軌道屬擋水閘門，閘門平時儲放在EL.301.5m的閘門架上，軌道底部為閘門門框及鐘形進水口，如圖1進水塔、鐘形進水口、閘門門槽軌道及吊門機等相閞位置。

圖 1.進水塔、取水口、閘門和吊門機【1】

2. 門框

位於門槽的底部，門框包含頂底水封板及側水封板，用以承受水封壓力，並藉以維持一定之水密效果。

3. 側導輪軌

設於門槽兩側配合側輪以限制門體昇降時之橫向擺動。如圖2

圖 2.擋水閘門門槽的昇降的主輸軌道、側輪軌道及鋼索

4. 擋水閘門

閘門型式:1V:1.55H傾斜式固定輪型閘門，門扇3.89m寛×4.6高×1組，閘門的總重為 30頓【2】，是靠自重於坡度1V:1.55H門槽軌道向下滑。如圖3及圖4

圖3.擋水閘門上視說明圖【4】

圖 4.吊樑及門體正背面圖【4】

5. 擋水閘門各部位設備功能（請參照圖4）

滑輪:滑輪供鋼索吊門機昇降吊樑及閘門門體的著力處，進行轉動下滑關閉及提昇開啟門體及充水閥用，滑輪與吊門機下放鋼索的運動方式如圖5。

圖 5.閘門滑輪與鋼索滑動之圖解說明

充水閥連桿:一端固定在吊樑上，連桿穿過門體上部，另一端為充水閥錐形蓋。

吊樑:藉由吊耳與閘門門體連結，為提吊閘門及開閉充水閥。

吊耳:介於門體和吊樑間，吊耳設插梢孔與吊樑以一插梢相連，插梢孔間距為14公分，此為充水閥啟閉的間距。

主輪:承載閘門體，在進水塔門槽的主輪軌上受吊門機的操作昇降。

側導輪:閘門昇降時，配合門槽的側導輪軌防止門體橫向擺動。

水封:讓閘門門體和進水口門框密合。

6. 吊門機座

吊門機之主要構件有機座、感應電動機、推力剎車、Hansen型齒輪減速機、傳動軸、開放齒輪組、鋼索(Ø36 mm)、鼓輪及荷重元等，用以在使閘門能在全開至全閉間之任何開度下順利啟動、操作。為方便操作及閘門安全，吊門機上設有針盤式開度指示器，提供閘門的開度。圖6為擋水閘門吊門機現場，圖7吊門機組三視圖及說明，圖8為絞盤筒和鋼索說明。

圖6擋水閘的吊門機:

圖7.擋水閘門吊門機組三視圖【3】

圖8.吊門機絞盤筒捲及鋼索橫剖面圖

7. 擋水閘門操作和充水閥互動原理:（請參照圖4）

(1.)吊樑和閘門門體的互動說明

連桿固定在吊樑上，連桿和閘門門體是活動的，吊樑和門體由吊耳連結，連結的方式是由插梢插入吊耳的插梢孔內，插梢孔為長楕圓形孔，孔的間距為14公分。

(2.)充水閥打開狀態說明

當擋水閘門受提吊狀態時，因重力使門體往下，插梢會在插梢孔的上端，門體和吊樑的距離加大，連桿隨吊樑往上提，彈簧受壓縮，固定在連桿上的錐形閥蓋及充水閥口呈打開狀態，當在水中時，形成通水的通路。

(3.)驅使充水閥關閉說明

當擋水閘門底部抵住進水口門框底部或儲放位置且鬆纜時，吊樑因重力往下，插梢會位於插梢孔下端，門體和吊樑的距離變小，連桿隨吊樑往下壓，充水閥張力彈簧撐開，驅使固定在連桿上的錐形閥蓋往下，充水閥因而呈關閉狀態，經計算單一充水閥關閉後尚有132.5kgf的壓密閉合力【3】，當在水中時，水不會往內灌入。詳圖9

圖9吊樑門體側視圖及充水閥連桿剖視圖【4】

二、材料與方法

材料:

1. 數位相機、數位攝影機
2. 磁簧開關
3. 繩索
4. 榔頭
5. 捲尺

方法:

擋水閘門的關閉需在水下60米進行，了解閘門下閘關閉時鋼索荷重變化情形，有助於了解下閘時閘門及充水閥到位情況的判斷，本報告預先在閘門架上先進行無水測試，驗證閘門及充水閥關閉功能及其時間和荷重變化的關係，並以所獲得成果及方法，供水下60米充水閥全開位置和全閉位置極限開關設定的參考，下閘時同時使用荷重曲線比對法、磁簧開關確認法、綁繩法進行確認充水閥的啟閉位置，最後的結果做為設定充水閥極限開關及閘門下閘的操作標準。

1. 閘門關閉到位及充水閥關閉到位的距離及荷重變化推論:

充水閥全程啟閉的行程距離為14公分，即為吊耳插梢孔的活動間距，擋水閘門的結構，因有充水閥啟閉的活動間距，當閘門關閉時，荷重產生逐漸減重的變化。

擋水閘門的各部份組成總荷重為W，荷重可分解為A門體重、B吊樑重、C鋼纜重，總荷重W=A+B+C。

閘門下閘其荷重的連續變化為:

即將到位時顯示荷重W=A+B+C

門體到位時顯示荷重W’=B+C

充水閥到位時顯示荷重W”= C

據以上的行程距離及荷重變化為理論基礎，設計下列方法用以確定充水閥是否到位。

2. 無水測試:

(1)無水測試建立閘門關閉歷時的荷重變化曲線

方法及步驟: 閘門架上進行無水測試，在吊門機荷重元顯示器前架設數位相機，對準荷重顯示幕準備攝影，另一照相機對準閘門的充水閥準備攝影，如圖10；閘門開始下閘時同步攝影，當充水閥開始關時觀測人員喊「關」，充水閥閉時喊「關閉」；讓聲音傳入2部照相機的影像記憶內，攝影至荷重沒變化時停止。

將攝錄的影像在windows movie maker 放映，以每秒停格方式放映，並記下所攝錄的荷重計值，並註記「關」、「關閉」聲音的相關位置；將對準充水閥的影像放映，核對充水閥「關」及「關閉」的影像及位置，並與荷重顯示幕的影像比對。

最後得到荷重元的荷重值相對時間值及充水閥關及關閉的位置，製作成歷線圖，得到圖11.無水測試的歷時荷重變化曲線。

無水測試充水閥下閘關閉的荷重歷時曲線圖形，將和水下充水閥到位實際荷重歷時曲線比對，協助判斷水下充水閥是否到位的參考。

圖10.閘門無水測試及同步攝影圖【4】

圖11. 無水測試充水閥下閘關閉的歷時荷重變化曲線圖

3. 有水測試，本項測試無法以目視觀查充水閥關閉，必需其他方法確認。
   1. 閘門上相關位置按裝磁簧開關，確定充水閥水中關閉

利用閘門充水閥開和關所產生14公分距離之互動位置，在閘門的吊耳上下位置焊上固定柱，吊樑上安裝上下各一具磁簧開關，充水閥全開時，1磁簧開關和上層固定柱接觸，磁簧的感應傳輸線會使岸上燈盒的充水閥的「開」燈亮；充水閥關閉時，另1磁簧關關和下層固定柱接觸，磁簧的感應傳輸線會使岸上燈盒另一充水閥的「關」燈亮，以上可以正確的感應到全開和全閉。如圖12，關的燈亮，圖13.開燈亮

圖12.上張圖是充水閥關閉，關閉的燈亮

圖13.現狀況是充水閥開，開的燈亮。

(2)綁繩法

利用閘門充水閥開和關所產生之互動位置，用2條長繩分別綁在吊耳上和吊樑上，當充水閥要開始關閉時，綁在吊耳上的繩子不再伸長，綁在吊樑上的繩子繼續伸長至充水閥關閉為止，關閉時綁在吊樑的繩子會較綁在吊耳繩多伸長14公分，以比較兩條繩子停止的時間差，最後不同的伸長度差判定充水閥是否關閉到位。如圖13及圖14的說明，圖15為現場操作情形。

圖14.綁繩法測量充水閥到位的說明圖

圖15綁繩法實際操作情形

(3)下閘程序的運作及各方法的相互配合，下閘全程皆對荷重計攝影，如圖16，分3階段說明如下:

第1階段:閘門下閘到即將完全到位荷重計值遽降時，停止下閘，配合綁繩法，將2條繩各標記同一水平的記號。

第2階段:繼續下閘，充水閥保持開的，當充水閥全開的燈號熄滅時，即為充水閥要往下關的時間起始點，注意綁繩，這時候的2條繩所設的標記號應在同一水平高位置；再繼續下閘，當充水閥全閉的燈亮起時，綁繩不再伸長，注意2繩所設的記號是否差14公分。本階段可利用燈號測得水下充水閥開始關至完全到位關閉的時間，倘磁簧開關失常時，藉由綁繩確認充水閥關閉位置。

第3階段:將擋水閘門往上提昇1公尺，再下閘到全部到位，充水閥關閉後再放20秒(約15公分)，這段期間燈滅和燈亮都要大聲喊，讓聲音被錄進影片內。本階段主要目的是要判斷並錄製直接充水閥到位的全程記錄，由影片結果轉換成應力變化數位資料，作成歷線圖做為以後關閘門極限開關設定及操作參考。

各階段執行完畢後，開出水工噴流閥，放空輸水管路的水，測試閘門是否緊閉，當漏水量達到標準即表示下閘成功，下閘後的數據做為設極限開關的標準。

圖16 左右荷重元變化錄影

三、結果與討論

1. 磁簧開關的運轉正常，應用燈號成功的感應到充水閥開始關閉至完全關閉的時間位置點，其時間歷程30秒。如圖17為利用第2階段操控所得到的荷重歷時曲線。

圖17.測充水閥關閉的歷時荷重曲線及說明圖

2. 荷重曲線法

以攝影機測錄，經轉換成相關數據後，製作成閘門關閉至充水閥關閉到位的歷時曲線。如圖18利用第三階段操控所製作出來的曲線圖。

圖18.有水下閘荷重的變化曲線及充水閥關閉到位到吊門機停的歷時曲線

門體及充水閥到位時，其到位到完全到位是漸近式的，如圖18的荷重歷時曲線，A點，擋水閘門門體開始關；B點，充水閥開始關；C點，充水閥關閉到位；D點吊門機停止，主要原因為門體到位是屬面的接觸故無法一次同時間到位，另充水閥有二座，關閉時有一定的行程且不可能同時緊閉，因此以吊門機多放20秒再停止以確保二座充水閥到位關閉，其檔水閘門不同位置顯示的荷重力如表1。

表1.102年2月閘門下閘關閉荷重變化表

3. 磁簧開關:

經水下閘門到位後，充水閥開始下閘燈號熄滅至完全關閉到位燈號亮等都正常，操作兩次的充水閥開關都正常，且測出充水閥由開至關的時間歷程都為30秒。

4. 綁繩法:

綁繩法的操作是失敗的，兩個記號差值不等於14公分，且分辯繩子是否停止伸長困難，在水底60米深，繩子長度為115米以上，太深繩子太長，繩子的品質等眾多不可控制的因素，造成失敗。

5. 荷重曲線比對法:

無水測試與有水測試的荷重曲線形狀相似，即荷重變化的趨勢相似，充水閥開始關閉到完全關閉，無水測試的歷時17秒，實際有水測試的歷時30秒，無水測試時吊門機放鋼索的速度為有水測試的1.1852倍，推算水下充水閥關閉的歷時時間應為20秒，水中充水閥關閉時間為無水測試的1.5倍差異顯著，無水測試僅能測試充水閥能否關閉到位，無法據以推算在水中要多少時間關閉。

6. 經出水工放水驗證，證明圖16的曲線可以確定閘門已完全關閉，並依相關點據設定吊門機的極限開關，圖的B點設為充水閥開啟點，C點設為充水閥關閉點，其中C點位置左的荷重472公斤，右的荷重686公斤，鋼索超越C點續放20秒D點的位置停止，該位置的左的荷重378公斤，右的荷重550公斤。
7. 於102年3月27日進行閘門下閘，下閘時於關閉段共來回下閘了三次，且準確的在極限開關充水閥關閉點吊門機停止放索，如圖19. 的A點

圖19.103年3月27日擋水閘門來回關3次的荷重元變化圖

圖19.A點為吊門機極限開關設定的充水閥關閉點。A點以後的時間點因為吊門機停止下閘，荷重沒有改變。

連續3次的下閘，得到的荷重變化如表2。

表2.103年閘門下閘3次充水閥關閉極限開關停止時荷重值紀錄

第3次下閘到A點前，工作人員左右向擾動鋼索，荷重有顯著的降低至左荷重360公斤，右荷重876公斤。經打開出水工的噴流閥洩放輸水管的水，發現漏水量尚太大人員無法進入輸水管路；將吊門機極限開關解除，啟動吊門機再放15秒的鋼索，左荷重為222公斤，右荷重為608公斤。約10分鐘漏水量明顯減少人員進入檢查。

8. 以102年2月21日的荷重元變化圖和103年3月27日的變化圖，以充水閥關閉為重壘點，所得到的荷重元變化圖形如圖20.

圖20. 102年2月21日的荷重元變化圖和103年3月27日的變化圖

A點為閘門開始接觸到門框，C 點為充水閥到位的極限開關點，D點為102年2月21日吊門機停止點。

102年2月21日為吊門機連續下放到 D點，左荷重378kg，右荷重550kg，閘門緊閉充水閥的漏水量少(45.86公升/分)人員可進入檢查【5】。103年3月27日吊門機將閘門下放到C充水閥極限開關時停俥，不再下放閘門，充水閥的漏水量太大，人員不宜進入檢查，解開極限開關再放15秒，左荷重222kg，右荷重608kg，充水閥的漏水量變小，人員可進入檢查。

102年下閘時擋水閘門開始下閘到充水閥關閉時時為46秒，103年3月時間為33秒相差13秒。102年度下閘左右荷重差距小，103年度下閘左右荷重差距大，雖2個年度的荷重應力變化曲線相似，但無法以曲線比對方法確定充水閥關閉到位，僅能靠磁簧開關所確定充水閥關閉到位，並設為吊門機的極限開關。惟荷重曲線可協助操作者充分了解閘門下閘的情況及關閉時的參考荷重。

結論:

1. 磁簧開關確認充水閥開啟及關閉的開度位置，並設定吊門機的極限開關，做為閘門操作充水閥開啟及關閉到位的依據，且經101年及102年2次下閘，驗證充水閥關閉。
2. 本文的綁繩法不能確認充水閥關閉位置。
3. 閘門下閘門體到位到充水閥完全到位，每次所產生的荷重曲線不一致，曲線只能判斷門體開始到位，並不能以此線做為判定充水閥完全到位的標準，惟最後荷重可做為閘門關閉的操作參考。
4. 經101年102年2次的漏水測試，極限開關的設定成功，閘門下閘吊門機的操作步驟為，吊門機於開度到充水閥關閉停機，解開極限開關，再放鋼索18-20秒，當到達左荷重378KG及右荷重608KG以下時，即可確定閘門及充水閥完全關閉。

參考資料

1. 鯉魚潭水庫取水工閘門、出水工閘門、後池堰弧形閘門及相關附屬設備  操作維護手冊 經濟部水利署中區水資源局  三源興股份有限公司  2006。
2. 擋水閘門吊門機計算書 偉傑工程股份有限公司
3. 確認報告書 經濟部水利署中區水資源局鯉魚潭水庫  公共用水取水路擋水閘門通水閥彈簧常數及閉合功能  台省機械技師公會 2011.9。
4. 鯉魚潭水庫公共用水擋水閘門及發電用擋水閘門油壓吊門機檢修工程  竣工圖。
5. 鯉魚潭水庫公共用水擋水閘門及發電用擋水閘門油壓吊門機檢修工程驗數紀錄 2012.2。