楊克昌

（河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250）

唐山環(huán)城水系船閘設(shè)計(jì)

楊克昌

（河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250）

針對(duì)唐山環(huán)城水系景觀河道船閘的設(shè)計(jì)要求及設(shè)計(jì)工況，從船閘的總體布置、一字閘門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施及啟閉機(jī)控制等方面分別進(jìn)行了闡述。在閘門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施中，頂樞采用拉桿、底樞采用蘑菇頭、工作橋采用桁架結(jié)構(gòu)。在啟閉機(jī)控制中，采取了現(xiàn)地手動(dòng)和現(xiàn)地自動(dòng)兩種方式。為城市景觀河道船閘工程提供了設(shè)計(jì)實(shí)例。

船閘；一字閘門(mén)；頂樞；底樞；液壓?jiǎn)㈤]機(jī)；電氣控制

1 工程概況

河北省唐山市環(huán)城水系由陡河、李各莊河、新開(kāi)河、青龍河、東湖、西湖、南湖組成的河河相連及河湖相通的大小不一的水循環(huán)體系。其中陡河是循環(huán)水系中最大河流，城區(qū)段15.28km，市區(qū)上游至陡河水庫(kù)段11km，總長(zhǎng)26.28km。為滿足環(huán)城水系景觀的需要，除了依靠陡河水庫(kù)調(diào)節(jié)向環(huán)城水系補(bǔ)水，當(dāng)前重點(diǎn)是需對(duì)陡河進(jìn)行綜合整治，以使河道常年有流水，確保河流的景觀價(jià)值。陡河防洪排澇綜合整治工程實(shí)施后，在確保唐山市防洪排澇安全的同時(shí)，還能夠提升唐山市城市文化品位、城市整體形象和競(jìng)爭(zhēng)力。為此市政府?dāng)M在河湖相通環(huán)城水系上打造旅游通航線路，使陡河段達(dá)到游船通航條件，逐步實(shí)現(xiàn)“水系繞城轉(zhuǎn)，我在水上游”美輪美奐的水城畫(huà)面。為實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，在整個(gè)陡河段修建6座船閘，依次為后屯橋船閘、北外環(huán)橋船閘、河茵橋船閘、建華橋船閘、華新橋船閘和勝利橋船閘。

2 船閘的選型

通過(guò)調(diào)研，并與業(yè)主、道橋設(shè)計(jì)院協(xié)商，陡河通航擬滿足20人游船通航要求。通航設(shè)計(jì)采用船閘上下雙向航道，航道集中布置在一側(cè)，根據(jù)游船寬度及行洪要求，確定航道單寬為5.0m。船閘采用升臥門(mén)、橫拉門(mén)和一字門(mén)均滿足通航要求。①采用升臥門(mén)，需在閘墩頂部設(shè)置機(jī)架橋，啟閉機(jī)布置在機(jī)架橋上，雖滿足功能要求，但影響了整體的景觀效果；②采用橫拉門(mén)，雖滿足了景觀要求，但要將其拉入閘墩內(nèi)，需要較大的空間，由于陡河不僅是景觀河道，還擔(dān)負(fù)著重要的行洪任務(wù)，因此船閘的設(shè)置不應(yīng)占行洪斷面，而兩岸又沒(méi)有足夠的空間，總體布置難以實(shí)現(xiàn)；③采用一字門(mén)，閘門(mén)平開(kāi)，即擋水和開(kāi)啟均在孔中，既解決了空間布置的問(wèn)題，又滿足了景觀效果的要求。因此，6座船閘均采用平開(kāi)一字型閘門(mén)。閘門(mén)采用滑塊支承，封水采用P型橡皮單向封水，啟閉機(jī)設(shè)置在閘門(mén)的上游，采用集成式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)。閘門(mén)操作方式為靜水啟閉，廊道充水平壓。

3 船閘設(shè)計(jì)工況

由于陡河不僅是景觀河道，還是行洪河道，故船閘汛期需要泄洪時(shí)全開(kāi)行洪。船閘閘門(mén)在開(kāi)啟時(shí)上、下游水頭差不大于200mm。根據(jù)陡河蓄水建筑物的運(yùn)用條件和陡河的來(lái)水特性，確定6座船閘的設(shè)計(jì)工況見(jiàn)表1：

表1 陡河船閘設(shè)計(jì)指標(biāo)

4 船閘總體布置

根據(jù)業(yè)主要求，船閘設(shè)計(jì)采用上下雙向航道，航道集中布置在一側(cè)，共2孔，每孔凈寬為5.0m。每個(gè)航道設(shè)置上閘首、下閘首和閘室段，上閘首長(zhǎng)度為15m，下閘首長(zhǎng)度為14.5m，閘室段長(zhǎng)度為18m。上、下閘首通過(guò)單側(cè)充水管道平壓，充水管道直徑為1000mm。充水管道閘門(mén)采用潛孔式平面鋼閘門(mén)，充水管道閘門(mén)啟閉機(jī)和一字閘門(mén)啟閉機(jī)均采用集成式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，啟閉機(jī)布置在兩側(cè)邊墩的啟閉機(jī)室內(nèi)，一字閘門(mén)啟閉機(jī)布置在閘門(mén)的上游側(cè)，充水管道閘門(mén)及其啟閉機(jī)布置在一字閘門(mén)啟閉機(jī)的上游側(cè)，充水管道啟閉機(jī)與一字閘門(mén)啟閉機(jī)共用一個(gè)啟閉機(jī)室。兩側(cè)邊墩厚度為4.5m，中墩厚度為1.4m。門(mén)翕長(zhǎng)度為6060mm，深度為800mm，中墩門(mén)槽深度為400mm。為防止游船與閘墩相碰及出現(xiàn)緊急情況避險(xiǎn)，航道兩側(cè)設(shè)置護(hù)舷、爬梯及系船柱等安全設(shè)施，在閘墩頂部設(shè)置交通信號(hào)燈及照明燈。為防止充水管道淤積，充水管道閘門(mén)底坎高程應(yīng)高于閘室底板0.2m；為防止管道充水時(shí)出水口產(chǎn)生的水流對(duì)游船的沖擊及水流紊亂對(duì)游船產(chǎn)生不利影響，上、下閘首之間的出水口應(yīng)設(shè)置在閘室底板下部。由于汛期行洪時(shí)啟閉機(jī)室頂要過(guò)洪水，因此控制室布置在右岸堤頂，且閘墩啟閉機(jī)室內(nèi)所有設(shè)備均應(yīng)滿足過(guò)水要求，電機(jī)采用潛水電機(jī)，外露液控、電控接頭及其元器件做防水處理。電控柜放在右岸堤頂?shù)目刂剖覂?nèi)，在下閘首兩邊墩上游側(cè)設(shè)置電纜井，通過(guò)電纜井、電纜溝和埋管將動(dòng)力電纜和控制電纜分別連接到上、下閘首啟閉機(jī)室內(nèi)。為方便閘門(mén)檢修，在上閘首的上游側(cè)和下閘首的下游側(cè)均設(shè)置檢修門(mén)槽。船閘閘首的具體布置見(jiàn)圖1。

5 船閘閘門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施

船閘閘門(mén)結(jié)構(gòu)主要由閘門(mén)頂、底樞結(jié)構(gòu)和閘門(mén)其他結(jié)構(gòu)組成。其他結(jié)構(gòu)包括門(mén)葉、工作橋、止水及埋件，其中頂、底樞結(jié)構(gòu)是閘門(mén)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位。閘門(mén)除滿足強(qiáng)度和剛度外，還應(yīng)

圖1 般閘閘首平面布置圖

能抵抗閘門(mén)在自重和外力作用下產(chǎn)生的扭矩，現(xiàn)分述如下：

5.1 頂、底樞結(jié)構(gòu)

頂、底樞結(jié)構(gòu)對(duì)一字門(mén)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，其設(shè)計(jì)是否合理直接影響到閘門(mén)的啟閉是否通暢，運(yùn)轉(zhuǎn)是否靈活。

頂樞是防止門(mén)扇傾倒的上部支承，利用頂樞可以調(diào)整門(mén)扇轉(zhuǎn)動(dòng)軸，使門(mén)扇保持垂直位置，故頂樞的拉桿應(yīng)為兩根。為使拉桿不受壓力，設(shè)計(jì)時(shí)使兩根拉桿分別平行于門(mén)扇在開(kāi)門(mén)位置的門(mén)軸線和門(mén)扇在關(guān)門(mén)位置的門(mén)軸線。在拉桿設(shè)計(jì)中，采用差動(dòng)螺絲作為調(diào)整器，便于調(diào)整其長(zhǎng)度。頂樞結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 頂樞平面布置圖

底樞主要由蘑菇軸頭、軸承臺(tái)及軸承巢組成，其結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足在閘門(mén)徑向變位時(shí)，避免承受過(guò)大的橫向水平荷載。

頂、底樞的軸承材料具有較高的物理、化學(xué)及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，具有較低的吸水率和良好的自潤(rùn)滑能力，較強(qiáng)的抗泥沙特性，較長(zhǎng)的使用壽命。本工程采用了工程塑料合金自潤(rùn)滑軸承。該軸承是一種新型的單體復(fù)合材料，不僅硬度小，而且耐磨性更優(yōu)越。雖然它變形能力強(qiáng)，但其抗壓強(qiáng)度大，達(dá)到50MPa，能較好地滿足了強(qiáng)度要求。它具有自潤(rùn)滑性能，在工作中不需添加潤(rùn)滑劑，給管理維護(hù)帶來(lái)了方便，有利于閘門(mén)的安裝及安全運(yùn)用。除此之外，軸承與軸的摩擦系數(shù)小，無(wú)潤(rùn)滑時(shí)為0.16，水潤(rùn)滑時(shí)為0.05，油潤(rùn)滑時(shí)為0.02，降低了船閘的啟門(mén)力。

5.2 閘門(mén)其他結(jié)構(gòu)

閘門(mén)其他結(jié)構(gòu)由門(mén)葉、工作橋、止水及埋件組成。門(mén)葉材料為Q235B，由面板、次梁和主梁組成。門(mén)葉采用等高連接，主梁高度為450mm。為增加閘門(mén)整體剛度，中間兩垂直次梁處設(shè)置十字支承；工作橋材料為Q235B，由槽鋼、角鋼、花紋鋼板和鋼管組成。工作橋采用桁架結(jié)構(gòu)，支承在閘門(mén)頂梁的腹板處，橋面采用花紋鋼板，凈寬為600m，欄桿采用鋼管，高度為1000mm；底、側(cè)止水均采用P45型橡皮，單向止水，橡皮通過(guò)壓板、墊板及螺栓固定在門(mén)葉面板上，橡皮壓縮3mm，超過(guò)3mm后，固定在面板上的滑塊與埋件接觸，所有止水螺栓均要鍍鋅鈍化，橡皮接縫處用氯丁橡膠粘牢；埋件主材采用Q235B，迎水面材料為1Cr18Ni9Ti，底坎埋件高出底板400mm，閘門(mén)關(guān)閉時(shí)，底止水靠在底坎埋件側(cè)面，底樞底部設(shè)置軸承臺(tái)，直徑為500mm，側(cè)埋件采用工字型組合梁，頂、底樞拉桿處預(yù)埋M36螺栓。

6 啟閉機(jī)布置選型與控制

6.1 啟閉機(jī)布置選型

船閘一字閘門(mén)及充水管道閘門(mén)啟閉機(jī)均采用油箱、泵組、電機(jī)與油缸集成在一起的集成式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，每臺(tái)啟閉機(jī)配1套備用手動(dòng)泵組系統(tǒng)，一字閘門(mén)啟閉機(jī)油缸采用臥式布置，充水管道閘門(mén)啟閉機(jī)油缸采用立式布置。除電氣控制柜布置在右岸堤頂?shù)目刂剖覂?nèi)，其余設(shè)備均布置在邊墩啟閉機(jī)室內(nèi)。油缸行程指示及位置控制系統(tǒng)采用內(nèi)置式閘門(mén)開(kāi)度檢測(cè)裝置。液壓缸活塞和活塞桿主密封均采用德國(guó)MERKEL公司進(jìn)口的優(yōu)質(zhì)多唇V型組合密封圈，靜密封采用美國(guó)PARKER公司進(jìn)口的O型密封圈，密封性好，使用壽命長(zhǎng)。另外，油缸還裝有優(yōu)質(zhì)防塵圈和刮污圈，有效地保護(hù)了活塞桿。液壓缸端蓋法蘭與缸體的連接采用高強(qiáng)度內(nèi)六角頭螺釘固定，布置上采用高密度方式，使連接強(qiáng)度均勻。液壓缸缸體及活塞桿材料均為45號(hào)鋼。一字閘門(mén)啟閉機(jī)容量為200kN，工作行程為2.2m，最大行程為2.3m，啟門(mén)壓力為9.2MPa，閉門(mén)壓力為6.4MPa。充水管道閘門(mén)啟閉機(jī)容量為100kN，工作行程為1.05m，最大行程為1.1m，啟門(mén)壓力為8.2MPa，閉門(mén)壓力為6.4MPa。

6.2 啟閉機(jī)控制

啟閉機(jī)控制方式為現(xiàn)地手動(dòng)和現(xiàn)地自動(dòng)兩種方式，每種方式互為閉鎖。在設(shè)備調(diào)試、檢修階段，以及在自動(dòng)操作失靈的緊急情況下，將控制開(kāi)關(guān)打在手動(dòng)方式，采用手動(dòng)操作，可實(shí)現(xiàn)油泵的起、停操作，閘門(mén)的開(kāi)、關(guān)、停操作，閘門(mén)開(kāi)度預(yù)置操作，從而對(duì)閘門(mén)的單步啟閉進(jìn)行控制。在設(shè)備調(diào)試正常后，將閘門(mén)控制開(kāi)關(guān)打在自動(dòng)方式，采用PLC自動(dòng)操作。PLC主要負(fù)責(zé)對(duì)閘門(mén)的運(yùn)行狀態(tài)，閘室的內(nèi)外水位，閘門(mén)的開(kāi)度等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理，并將運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)。操作人員可以通過(guò)控制柜上的按鈕、開(kāi)關(guān)等，對(duì)啟閉機(jī)、閘門(mén)進(jìn)行現(xiàn)地控制。船閘控制系統(tǒng)設(shè)置在控制室內(nèi)，包括閘門(mén)控制柜，綜合控制柜，PLC柜等設(shè)備，柜內(nèi)安裝有PLC、電量、閘門(mén)開(kāi)度荷重的采集裝置和開(kāi)關(guān)量輸入輸出繼電器等元件。操作人員可以在控制室內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門(mén)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)具備通訊端口和開(kāi)放的通訊協(xié)議，便于在未來(lái)并入遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)梯調(diào)控制。

7 結(jié)語(yǔ)

（1）平開(kāi)式一字閘門(mén)，既解決了空間布置的問(wèn)題，又滿足了景觀效果的要求，適用于城市河道有通航要求的景觀工程。

（2）充水管道進(jìn)、出水口的布置，不僅要滿足淤積的需要，還要考慮水流條件及充水時(shí)間的要求，因此對(duì)于游船運(yùn)行的效果至關(guān)重要。

（3）頂、底樞軸承結(jié)構(gòu)要具有較高的物理、化學(xué)及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，具有較低的吸水率和良好的自潤(rùn)滑，這些直接影響閘門(mén)啟閉的通暢性。

（4）在啟閉機(jī)設(shè)計(jì)中，傳感器采用內(nèi)置式位移傳感器，主密封采用德國(guó)進(jìn)口的多唇V型組合密封，控制實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地手動(dòng)和現(xiàn)地自動(dòng)兩種方式，在自動(dòng)控制中，通過(guò)PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)閘門(mén)和啟閉機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

［1］沈德民，李毓芬，莊文中，等.水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)/金屬結(jié)構(gòu)（一）［K］.北京：水利電力出版社，1985.

［2］JTJ305—2001，船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］DL/T5167—2002，水利水電工程啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］DL/T5039—95，水利水電工程鋼閘門(mén)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］GB 50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［6］SL 191—2008，水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［7］王國(guó)周，瞿履謙.鋼結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計(jì)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1993.

［8］胡孝良.水工起重機(jī)械［M］.北京：水利電力出版社，1989.

［9］夏念凌， 金泰來(lái)，等.水工鋼閘門(mén)設(shè)計(jì)［M］.北京：水利出版社，1980.

Lock Design Introduction of Water Round System in Tangshan City

YANG Ke-chang
（Hebei Research Institute of Investigation&Design of Water Conservancy&Hydropower，Tianjin300250，China）

According the river lock design requirements and conditions of Tangshan city water round system,the lock is expounded respectively from the aspects of overall layout,structure design of gate and the hydraulic hoist control.In the design of gate structure,draw bar and mushroom is adopted respectively in the top and bottom piovt,the operating bridges is title frame.The hydraulic hoist has two kinds of control ways of local manual control and local automatic control system.The design provides an example for the city landscape river lock engineering.

lock;a gate;top pivot;bottom pivot;hydraulic hoist;electric control

TV34

A

1672-9900（2011）05-0045-03

2011-09-06

楊克昌（1973—），男（漢族），河北文安人，高級(jí)工程師，主要從事水利工程金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計(jì)工作，（Tel）15900361915。