曹士政 曹曉軍 王新 戴振華

摘 要：裕溪一線船閘擴(kuò)容改造工程首次將三角閘門(mén)的應(yīng)用口門(mén)寬度提高至34m，工程具有明顯的創(chuàng)新和挑戰(zhàn)。本文重點(diǎn)介紹了裕溪新建大型船閘在輸水系統(tǒng)和三角閘門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題及開(kāi)展的相關(guān)優(yōu)化研究工作，取得的研究成果為工程建設(shè)提供了重要依據(jù)。

關(guān)鍵詞：大型船閘;三角閘門(mén);輸水系統(tǒng);結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U641.2? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）05-0144-03

合裕線航道是全國(guó)內(nèi)河高等級(jí)航道布局“兩橫一縱兩網(wǎng)十八線”中的一線，是安徽省高等級(jí)航道發(fā)展規(guī)劃中“一縱兩橫五干二十一線”中“一縱”，是合肥經(jīng)濟(jì)圈通往長(zhǎng)江的唯一水上通道，也是江淮運(yùn)河的重要組成部分。隨著江淮運(yùn)河、合裕線航道整治工程的全線啟動(dòng)，以及腹地經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，作為主要入江通道，合裕線承擔(dān)的貨運(yùn)量將逐年增加。位于合裕線入長(zhǎng)江口的裕溪一線船閘和復(fù)線船閘早已超過(guò)其設(shè)計(jì)通過(guò)能力，長(zhǎng)期處于超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，通航壓力很大。因一線船閘建設(shè)較早、設(shè)備設(shè)施老化嚴(yán)重、問(wèn)題較多，同時(shí)為提升船閘的通過(guò)能力，目前已全面啟動(dòng)一線船閘擴(kuò)容改造工程。擬建的裕溪一線新船閘，為Ⅱ級(jí)通航建筑物，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為2000t級(jí)，閘室尺度為290m×34m×5.6m，設(shè)計(jì)代表船型包括2000t貨船、1500t貨船、1000t貨船、100TEU集裝箱船。船閘的工作閘門(mén)采用啟閉靈活并能夠承擔(dān)雙向水頭和動(dòng)水啟閉的三角閘門(mén)[1]，首次將船閘三角閘門(mén)的應(yīng)用口門(mén)寬度由23m大幅提高至34m[2]，本項(xiàng)工程在行業(yè)內(nèi)具有明顯的創(chuàng)新性，也將對(duì)水運(yùn)建設(shè)行業(yè)的科技進(jìn)步具有重要的推動(dòng)作用。

1關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

對(duì)于新建的34m寬大型船閘，一方面閘室平面尺度巨大，閘室充泄水要求提高，另一方面采用三角閘門(mén)，存在短廊道與門(mén)庫(kù)聯(lián)合輸水及三角閘門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)問(wèn)題[3]。

（1）在船閘水力設(shè)計(jì)方面，輸水系統(tǒng)布置能否滿足安全高效經(jīng)濟(jì)的要求，流量分配、消能工設(shè)計(jì)、波浪力減小措施、閥門(mén)合理的啟閉方式、閘室水面波動(dòng)作用及動(dòng)水啟閉情況下水動(dòng)力荷載等，需要加以論證和優(yōu)化。

（2）在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，與傳統(tǒng)23m口門(mén)三角門(mén)相比，巨型三角閘門(mén)主弧半徑增加了5～6m，單扇閘門(mén)總水荷載同等條件下增加了約50%，門(mén)體自重增大了一倍以上，其面板梁格、空間網(wǎng)架桿系、頂樞底樞支承等受力均發(fā)生了較大變化，合理布置優(yōu)化大型三角閘門(mén)的結(jié)構(gòu)，以保證其滿足受力變形、流激振動(dòng)[4]要求，是關(guān)系到大型三角閘門(mén)能否安全高效便捷運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

2 輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)論證

裕溪船閘承受雙向水頭，正向最大設(shè)計(jì)水頭為4.98m，反向最大設(shè)計(jì)水頭為3.8m，正向常水頭為4.0m，輸水時(shí)間要求8～10min左右，采用短廊道集中輸水系統(tǒng)，輸水系統(tǒng)布置如圖1所示。根據(jù)《船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS306-2001），輸水閥門(mén)處廊道斷面尺寸取4.0（高）×5.0（寬），上閘首廊道進(jìn)口設(shè)置消力檻、出口采用格柵消能室，下閘首廊道進(jìn)、出水口均設(shè)置消力檻，促使水流均勻擴(kuò)散，改善水流條件。

建立比尺為1：30的輸水系統(tǒng)整體物理模型，通過(guò)試驗(yàn)研究確定船閘輸水系統(tǒng)的布置和閥門(mén)開(kāi)啟方式，測(cè)定過(guò)閘船舶（隊(duì)）在閘室內(nèi)的停泊條件、輸水系統(tǒng)各項(xiàng)水力參數(shù)，并對(duì)試驗(yàn)成果進(jìn)行分析，提出改進(jìn)意見(jiàn)。設(shè)計(jì)水位組合（包括正向設(shè)計(jì)水頭和反向設(shè)計(jì)水頭）、常水位組合（常水頭）等不同運(yùn)行工況、多種方案對(duì)比試驗(yàn)研究表明，船閘采用的短廊道集中輸水系統(tǒng)的整體布置設(shè)計(jì)是合理的，綜合閘室輸水水力特性、輸水廊道壓力特性及船舶（隊(duì)）停泊條件，推薦船閘上閘首閥門(mén)雙邊開(kāi)啟時(shí)間為6min，下閘首閥門(mén)雙邊開(kāi)啟時(shí)間為4～6min（為充分發(fā)揮船閘的航運(yùn)效益，可取4min），其中開(kāi)啟時(shí)間為6min的輸水特性曲線見(jiàn)圖2。在設(shè)計(jì)水位、常水位組合工況下，閘室輸水最大流量約200m3/s，輸水時(shí)間均可控制在10min以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 三角閘門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

船閘上、下閘首各設(shè)兩扇三角閘門(mén)，總體布置如圖3所示，閘門(mén)中心角為70°，主弧半徑為18.1m，上閘首閘門(mén)高度為14.92m，下閘首閘門(mén)高度為16.62m，閘門(mén)啟閉回轉(zhuǎn)角度為68.5°。三角閘門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括面板、梁格、浮箱、鋼架、端柱、頂?shù)讟欣瓧U、防撞裝置、止水等，面板采用多主梁式弧形結(jié)構(gòu)，面板厚度為12mm，自上而下共布置5道主梁，梁高為500mm，縱向布置有6道縱隔板，與主梁等高連接，并設(shè)置縱、橫向“T”型次梁，用以增強(qiáng)面板的剛度，各鋼架部分采用空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，桿件以無(wú)縫鋼管為主，通過(guò)空心鋼球節(jié)點(diǎn)連接，閘門(mén)端柱采用組合“工”字型結(jié)構(gòu)，并在閘門(mén)面板附近設(shè)置浮箱，以減少門(mén)頭在水中的下垂量。頂樞采用鉸接框架式，通過(guò)增設(shè)剛性連接板與輔助拉桿，以改善拉桿的受力條件，后端通過(guò)三角架預(yù)埋件與閘首邊墩相連，提高了頂樞裝置的穩(wěn)定性，底樞采用整體式結(jié)構(gòu)配楔塊微調(diào)。閘門(mén)防撞系統(tǒng)采用剛?cè)峤Y(jié)合的新型式，采用具有耗能特性的蜂窩面板（柔）及面板后的剛性支撐（剛）。閘門(mén)結(jié)構(gòu)采用Q345鋼材。

3.2 結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力優(yōu)化

采用三維有限元數(shù)值模擬方法，進(jìn)行大型三角閘門(mén)結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力計(jì)算分析，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。三角閘門(mén)有限元模型見(jiàn)圖4。初步設(shè)計(jì)方案三角閘門(mén)在設(shè)計(jì)工況下結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力分析表明，在浮箱內(nèi)增加橫梁解決局部位置應(yīng)力超標(biāo)后，閘門(mén)的強(qiáng)度、剛度、整體和局部穩(wěn)定性均滿足要求，正向擋水設(shè)計(jì)工況閘門(mén)面板的應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖5。

當(dāng)口門(mén)寬度34m一定時(shí)，三角閘門(mén)的中心角直接影響到支臂的長(zhǎng)度和面板的弧面長(zhǎng)度，是三角閘門(mén)設(shè)計(jì)時(shí)的重要參數(shù)，需對(duì)其優(yōu)化選擇。根據(jù)已有的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，選取中心角為70°、65°和60°進(jìn)行對(duì)比分析，其中70°為初步設(shè)計(jì)方案。除了中心角方案外，還選取了面板厚度，支臂圓管外徑、空間網(wǎng)架一類桿件圓管外徑、空間網(wǎng)架二類桿件圓管外徑、空間網(wǎng)架三類桿件圓管外徑、空間網(wǎng)架四類桿件圓管外徑、T型截面主梁翼緣寬度、翼緣厚度和腹板厚度等作為優(yōu)化變量。分別針對(duì)三角門(mén)中心角α為70°、65°和60°三種初步設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行了靜力優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)優(yōu)化后，對(duì)應(yīng)三種中心角方案，閘門(mén)質(zhì)量由初始方案的224.67t、222.16t及220.93t，分別降為196.54t、192.05t及189.50t，相對(duì)于初步設(shè)計(jì)方案，三角閘門(mén)的質(zhì)量分別下降了14.2%、12.5%和13.6%。

選擇中心角70°方案，在靜力優(yōu)化的目標(biāo)的基礎(chǔ)上，增加提高閘門(mén)基頻的優(yōu)化指標(biāo)，進(jìn)一步對(duì)三角閘門(mén)的動(dòng)力性能進(jìn)行優(yōu)化。動(dòng)力優(yōu)化后，閘門(mén)的基頻從4.87Hz增加到了5.56Hz，優(yōu)化后閘門(mén)的動(dòng)力性能有所提高，其中一階振型見(jiàn)圖6，表現(xiàn)為閘門(mén)整體的側(cè)向振動(dòng)，本工程三角閘門(mén)水力學(xué)模型試驗(yàn)結(jié)果表明，輸水過(guò)程中作用于閘門(mén)結(jié)構(gòu)上的動(dòng)水壓力能量分布均在5Hz以內(nèi)，主頻在1Hz內(nèi)，可見(jiàn)，動(dòng)力優(yōu)化后閘門(mén)基頻能避開(kāi)水流脈動(dòng)主頻率區(qū)，發(fā)生劇烈振動(dòng)的可能性較小。在考慮三角閘門(mén)基本構(gòu)件材料規(guī)格取整的基礎(chǔ)上，經(jīng)動(dòng)力性能優(yōu)化，三角閘門(mén)質(zhì)量由233.0t降為208.3t，下降了10.6%，充分發(fā)揮了鋼材的性能，減少了材料用量，節(jié)約了工程成本。

4 結(jié)論

本文針對(duì)國(guó)內(nèi)首座34m寬口門(mén)采用三角閘門(mén)方案的大型船閘，重點(diǎn)介紹了船閘輸水系統(tǒng)和閘門(mén)結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力設(shè)計(jì)方面的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題及相應(yīng)的研究成果，已開(kāi)展的研究工作為工程建設(shè)提供了重要依據(jù)。但在本工程大型三角閘門(mén)制作、安裝、調(diào)試過(guò)程中仍需進(jìn)一步加強(qiáng)觀測(cè)研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 汪昕，王新，孫立武，曹曉軍.大型三角閘門(mén)門(mén)縫輸水運(yùn)用條件試驗(yàn)研究[J].水運(yùn)工程， 2021，（3）：12-16.

[2] 戴振華，黃可璠. 三角閘門(mén)設(shè)計(jì)與改進(jìn)[J].中國(guó)水運(yùn)（下半月）， 2017， 17（4）：89-90， 107.

[3] 曹士政，朱明濤，朱穎，朱召泉.三角閘門(mén)雙重耗能防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].水運(yùn)工程， 2021，（1）：17-20.

[4] 史丹，戴振華.三角閘門(mén)振動(dòng)特性分析[J].中國(guó)水運(yùn)， 2020， 20（12）：61-62.