永定新河治理一期防潮閘工程金屬結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)淺談

周梁山 易 偉

永定新河位于天津市區(qū)北側(cè),是天津市北部的防洪屏障,河道開挖于1971年,西起北辰區(qū)的屈家店,東至塘沽區(qū)的北塘鎮(zhèn)入渤海。河道全長(zhǎng)66km。永定新河治理一期工程的主要項(xiàng)目有河道清淤以滿足洪水下泄;閘下右岸新建碼頭1座,以解決未建閘前停泊在閘址上游的魚船?？繂栴};新建防潮閘1座以實(shí)現(xiàn)洪水控泄、擋潮及阻擋海潮帶來的泥沙對(duì)閘上河道的繼續(xù)淤積等。

1 設(shè)計(jì)方案的選擇

由于是在出?？诮ㄩl,根據(jù)地形和水工要求,防潮閘采用深淺孔結(jié)合的布置方式。在工程設(shè)計(jì)中對(duì)這一布置進(jìn)行了多種方案的比較。方案有大、小孔口方案之分。小孔口布置又分為24孔的小孔口方案1、28孔的小孔口方案2;大孔口布置則為20孔方案,其中大孔口方案又分為固定卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)方案和液壓?jiǎn)㈤]機(jī)方案。下面就幾個(gè)方案進(jìn)行說明和論述。

1.1 小孔口方案1

小孔口方案1即比較方案1。其布置為14孔深孔布置在河道中間,底板高程為-6.0m,孔口凈寬為10m,10孔淺孔位于深孔兩側(cè),左邊孔為4孔,右邊孔為6孔,底板高程均為-4.0m,孔口寬與深孔相同。所有閘門最高擋水位3.43 m。淺孔工作閘門采用10m×7.9m-7.43 m(寬×高-設(shè)計(jì)水頭,下同)的平面定輪鋼閘門。由于是擋潮閘,所以閘門需雙向止水,止水設(shè)在閘門下游側(cè),閘門動(dòng)水啟閉,啟閉設(shè)備采用2×400kN的固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)。深孔工作閘門采用10m×9.9m-9.43 m的平面定輪鋼閘門,閘門止水布置與淺孔相同,動(dòng)水啟閉。啟閉設(shè)備采用2×630kN的固定卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)。啟閉機(jī)的安裝高程18.5m,并設(shè)啟閉機(jī)房。

考慮工作閘門及門槽的檢修,在工作閘門的上、下游各布置檢修閘門門槽1道(如圖1所示)。上下游各設(shè)檢修閘門3套,每套為疊梁式平板滑動(dòng)式鋼閘門。為了以后工程管理的方便,所有深孔和淺孔共用相同的檢修閘門,且所有各節(jié)疊梁結(jié)構(gòu)尺寸相同以便于互換。下游檢修閘門的檢修水位為2.44m,其閘門參數(shù)為10m×9.0m-8.44m。上游檢修水位1.0m,檢修閘門參數(shù)為10m×7.5m-7.0m?？紤]閘門的啟閉設(shè)備采用2×100kN移動(dòng)式電動(dòng)葫蘆,并各配1套機(jī)械式自動(dòng)抓梁用于檢修閘門的操作。

圖1 比較方案

工作閘門的運(yùn)行與控制:既可現(xiàn)地操作、又可遠(yuǎn)程控制,遠(yuǎn)程控制放在控制室內(nèi)。檢修閘門使用為現(xiàn)地操作,不用時(shí)存放在左、右岸的門庫(kù)內(nèi)。

1.2 小孔口方案2

即比較方案2,是28孔的小孔口方案,其中14個(gè)孔深孔布置在中間,底板高程為-6.0m孔口凈寬為10m,14孔淺孔位于深孔兩側(cè),左邊孔為6孔,右邊孔為8孔,底板高程-2.5m,孔口寬度與深孔相同,所有閘門最高擋水位3.43 m。工作閘門類型與啟閉機(jī)布置和檢修閘門形式及啟閉設(shè)備布置與比較方案1基本相同。這里不再多敘。從這里看出方案1、方案2的金屬結(jié)構(gòu)布置沒有多大本質(zhì)區(qū)別。

不論是24孔方案還是28孔方案,由于每孔采用單扇工作閘門進(jìn)行控制,其運(yùn)行方式單一,僅能滿足泄洪要求。對(duì)于河道納清潮水進(jìn)行沖淤等其它的運(yùn)行功能無法滿足,所以我們又提出了大孔口的方案。

1.3 大孔口方案

大孔口方案中孔口數(shù)量為20孔。其中中孔8孔,底坎高程為-6.0m,最高擋水位3.43 m,每孔設(shè)15m×9.8m-9.43 m工作閘門1套。除中孔外,另有12個(gè)邊孔,在其左、右兩側(cè)各6孔對(duì)稱布置,底坎高程均為-1.0m,設(shè)15m×4.8m-4.43 m平面定輪式工作閘門12套。8套中孔工作閘門采用平面雙扉定輪式閘門(以下簡(jiǎn)稱:雙扉門),和一般上扉門僅能向上運(yùn)行的普通雙扉閘門不同,永定新河防潮閘的雙扉門的上、下扉閘門均可獨(dú)立上下運(yùn)行。閘門雙向止水,上扉門布置在下游側(cè)可以沿門槽上、下移動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)了將海潮表層的清水灌入上游河道內(nèi)用于河道沖淤等用途。邊孔工作閘門亦為雙向止水。閘門運(yùn)行方式如下:納海潮表層的清水時(shí)下扉門關(guān)閉,上扉門根據(jù)潮位向下移動(dòng)使潮水進(jìn)入河道,當(dāng)河道水位到達(dá)沖淤要求時(shí)將上扉門恢復(fù)原位;沖淤時(shí)上扉門不動(dòng),開啟下扉門利用較大流速進(jìn)行沖淤;在泄洪時(shí)則上、下扉門同時(shí)打開到最高位置,左、右邊孔亦同時(shí)打開,使防潮閘所有孔口敞泄;實(shí)現(xiàn)最大泄洪量4820m3/s的要求。

大孔口方案的工作閘門啟閉機(jī)布置有2個(gè)方案,其中方案1為8套雙扉門的上、下扉門葉均采用固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)操作,上扉門啟閉機(jī)容量為2×250kN,下扉門啟閉機(jī)容量2×630kN,2套啟閉機(jī)安裝在孔口上方的機(jī)架橋上,高程為14.2m,揚(yáng)程均為13 m。其它12個(gè)邊孔閘門也采用2×250kN固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī),揚(yáng)程均為8.5m,安裝高程相同。啟閉機(jī)均設(shè)有起升高度傳感器和主令開關(guān),啟閉機(jī)的控制方式為現(xiàn)地操作和遠(yuǎn)程控制2套方式;方案2雙扉門的上、下扉門葉均采用液壓式啟閉機(jī)操作,上、下扉門啟閉機(jī)的容量與固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)相同,2套液壓?jiǎn)㈤]機(jī)安裝在閘墩上的排架柱上,高程為14.0m,揚(yáng)程均為12.5m。為了防止海水對(duì)活塞桿的腐蝕,在與閘門相連的活塞桿采用國(guó)外先進(jìn)的表面鍍陶瓷技術(shù)。每孔2套液壓?jiǎn)㈤]機(jī)共用1套液壓泵站系統(tǒng),每套液壓泵站設(shè)2套電機(jī)油泵組,互為備用;其它12個(gè)邊孔閘門也采用2×250kN液壓?jiǎn)㈤]機(jī),揚(yáng)程均為8.5m,采用普通液壓?jiǎn)㈤]機(jī),由于水閘地處海濱,所以啟閉機(jī)的活塞桿采用鍍鉻防腐。每2套啟閉機(jī)共用1套液壓泵站系統(tǒng),每套液壓泵站設(shè)2套電機(jī)油泵組,互為備用,液壓泵站布置在啟閉機(jī)房?jī)?nèi)。啟閉機(jī)控制方式與固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)方案相同。

1.4 大孔口方案的比選

大孔口方案1的優(yōu)點(diǎn)是①布置簡(jiǎn)明,啟閉機(jī)房建筑高度低;②固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)的造價(jià)較低。缺點(diǎn)是①啟閉機(jī)安裝平臺(tái)高程高;②鋼絲繩及動(dòng)滑輪組長(zhǎng)期浸泡在海水中,影響使用壽命,如有淤積物將影響動(dòng)滑輪組的正常工作;③不銹鋼鋼絲繩采購(gòu)難,鋼絲繩如需更換時(shí),其工作量巨大,且非常不便,為日常維護(hù)帶來很大困難;④固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)的布置需要機(jī)架橋,而該方案機(jī)架橋的荷載約1900kN,且跨度在16m之大,土建工程量增加非常大;⑤由于上扉門啟閉機(jī)的鋼絲繩長(zhǎng)期處在負(fù)荷狀態(tài),需設(shè)鎖錠鎖住上扉門,這就影響其泄洪和其它功能的使用,降低了閘門操作的靈活性。

方案2的優(yōu)點(diǎn)是①采用陶瓷活塞桿可以很好解決海水腐蝕的問題;②免去了固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)布置所需的承重機(jī)架橋,該方案啟閉機(jī)布置在閘墩的排架柱上方,而不是在機(jī)架橋的跨中,從而減輕了機(jī)架橋的承重結(jié)構(gòu),節(jié)省了土建工程量;③液壓?jiǎn)㈤]機(jī)日常維護(hù)工作量非常小;④由于液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的液壓系統(tǒng)的自鎖功能使上扉門無需專設(shè)鎖錠,閘門運(yùn)行靈活不影響泄洪等其它功能的實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)是①啟閉機(jī)造價(jià)略高;②啟閉機(jī)房建筑高度較高;經(jīng)綜合比較將方案2做為最終工程方案,如圖2所示。

大孔口的2個(gè)方案的檢修閘門布置與其它方案基本相同(如圖2所示)。為此僅作簡(jiǎn)單敘述,即每節(jié)疊梁高1.8m,所有疊梁可以互換。疊梁采用2×200kN移動(dòng)式電動(dòng)葫蘆通過機(jī)械自動(dòng)抓梁進(jìn)行操作。由于啟閉容量較大機(jī)械抓梁不宜采用重錘式,而改用掛脫自如式機(jī)械抓梁。雙吊點(diǎn)電動(dòng)葫蘆采用電氣同步。防潮閘的左、右岸的控制樓內(nèi)設(shè)有檢修閘門門庫(kù),疊梁檢修閘門不用時(shí)存放在門庫(kù)內(nèi)。電動(dòng)葫蘆和抓梁亦可放在操作樓的一樓內(nèi),以便于保管維護(hù)。

圖2 工程方案

2 雙扉門的幾個(gè)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

2.1 水封

雙扉門孔口寬15m,根據(jù)納潮最低水位0m的要求,雙扉門的下扉門門高5.53 m,上扉門門高4.63 m。其支撐跨度為15.4m,閘門總重79.97 t。由于閘門是雙向擋水,且又是雙扉閘門,閘門的水封布置尤為重要,考慮到閘門只有在全關(guān)時(shí)才要求上、下游不漏水,在其它工況時(shí)不要求閘門水封全部工作,所以水封設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于上扉門的底、側(cè)水封與下扉門頂部及側(cè)水封的銜接。設(shè)計(jì)中采用胸墻式連接方式,即下扉門頂部設(shè)鋼結(jié)構(gòu)胸墻作為上扉門底水封的水封座,具體連接方式如圖3所示。

圖3 節(jié)間封水示意圖

2.2 滾輪

雙扉門的行走支撐為懸臂輪,由于雙向擋水所有懸臂輪也是雙向支撐,輪徑Φ950mm,材質(zhì)ZG270-500,單個(gè)最大輪壓為550kN,由于閘門跨度大,主梁變形會(huì)影響懸臂輪正常工作,為此滾輪軸承采用;雙金屬自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承,尺寸為Φ320/Φ220,該軸承傾斜角為2°足以抵消由于荷載引起的主梁變形對(duì)滾輪行走的影響,從而保證閘門平穩(wěn)運(yùn)行。為減小下扉門鋼結(jié)構(gòu)胸墻的尺寸,上下扉門之間的門槽埋件采用一套鋼結(jié)構(gòu)箱型軌道,并在一期混凝土中按照二期精度埋設(shè)。

2.3 閘門與啟閉機(jī)的連接

雙扉門的啟閉分別采用兩套液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作上、下扉門,液壓?jiǎn)㈤]機(jī)通常采用活塞桿通過關(guān)節(jié)軸承與閘門上的吊耳軸直接相連的方式連接。而在本工程中液壓?jiǎn)㈤]機(jī)工作行程12.3 m,最大行程12.5m,安裝在啟閉機(jī)排架柱上(參見圖1)。為了防止因制造、安裝等因素造成閘門可能發(fā)生側(cè)向位移時(shí)引起活塞桿承受彎矩,在設(shè)計(jì)中采取了下列措施:①所有液壓?jiǎn)㈤]機(jī)油缸上部與法蘭連接,法蘭底面為一球面并與機(jī)架頂部球面接觸,使油缸能在最大行程范圍內(nèi)向任何方向擺動(dòng),以補(bǔ)償啟閉機(jī)及門槽安裝的誤差;②在閘門吊耳和活塞桿吊頭之間加一節(jié)短拉桿,由于短拉桿兩端均是鉸接,所以活塞桿不再承受由于閘門可能發(fā)生側(cè)向位移時(shí)所引起的彎矩。通過以上兩個(gè)措施以保證液壓?jiǎn)㈤]機(jī)正常運(yùn)行。

3 液壓?jiǎn)㈤]機(jī)主要技術(shù)特點(diǎn)

永定新河防潮閘工程采用的液壓?jiǎn)㈤]機(jī)為QPPY-Ⅱ型單作用活塞式液壓?jiǎn)㈤]機(jī),僅從活塞桿表面防腐技術(shù)上分,本工程有兩類液壓?jiǎn)㈤]機(jī)。第1類型是常規(guī)活塞桿表面鍍鉻技術(shù)液壓?jiǎn)㈤]機(jī);第2類型是先進(jìn)的活塞桿表面鍍陶瓷技術(shù)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)。前者用于左、右邊孔和中孔上扉門的啟閉機(jī);后者用于長(zhǎng)期處于海水浸泡的中孔下扉門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)。活塞桿表面鍍陶瓷技術(shù)較常規(guī)技術(shù)有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn),其一正如前面所提到的耐腐蝕性;其二是該技術(shù)還復(fù)合了增量式無觸點(diǎn)行程測(cè)量裝置CIPS技術(shù),使液壓?jiǎn)㈤]機(jī)設(shè)計(jì)中無需在液壓缸內(nèi)另置傳感設(shè)備從而減短了液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的長(zhǎng)度尺寸。此外該技術(shù)精度高,傳感器測(cè)量在精度1mm以內(nèi)?？梢员ＷC傳感器雙路信號(hào)同步輸出,并由自動(dòng)控制的液壓系統(tǒng)完成其糾偏動(dòng)作,從而使液壓?jiǎn)㈤]機(jī)雙缸工作時(shí)盡量同步。常規(guī)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的行程傳感器采用內(nèi)置鋼絲繩卷筒式,增大了液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的長(zhǎng)度尺寸且有鋼絲繩疲癆松弛后降低測(cè)量精度的缺點(diǎn)。

4 金屬結(jié)構(gòu)防腐設(shè)計(jì)

永定新河防潮閘工程位于渤海灣永定新河出口處,閘的上、下游均是海水,工作閘門及所有埋件長(zhǎng)期浸泡在海水中,采用普通防腐方案很難保證閘門長(zhǎng)期正常工作而不受海水的侵蝕。為此采用了熱噴涂金屬保護(hù)加環(huán)氧類封閉涂料+陰極保護(hù)犧牲陽(yáng)極法的聯(lián)合防腐方案。由于陰極保護(hù)犧牲陽(yáng)極法的閘門防腐應(yīng)用的較少,所以僅就這方面進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹和說明。

防潮閘金屬結(jié)構(gòu)采用的是犧牲陽(yáng)極法。陰極保護(hù)范圍是防潮閘的所有工作閘門、工作閘門埋件及所有檢修閘門埋件。設(shè)計(jì)保護(hù)年限15年,陽(yáng)極采用鋁合金塊。布置方式閘門按上、下游水位分別布置陽(yáng)極塊;埋件則分別布置在正、反軌及底坎上。陽(yáng)極總用量約14.856 t。

5 結(jié) 語

永定新河一期工程金屬結(jié)構(gòu)大孔口方案為防潮閘提供了新的運(yùn)行方式,工作閘門采用的超大型雙扉閘門,在國(guó)內(nèi)亦為罕見;鍍陶瓷活塞桿液壓?jiǎn)㈤]機(jī)在國(guó)內(nèi)也是先進(jìn)的液壓?jiǎn)㈤]機(jī)機(jī)型;閘門及埋件采用熱噴涂金屬保護(hù)加環(huán)氧類封閉涂料+陰極保護(hù)犧牲陽(yáng)極法的聯(lián)合防腐方案亦為工程實(shí)際所需;永定新河防潮閘共有工作閘門20套、檢修閘門4套、各類閘門埋件60套、液壓?jiǎn)㈤]機(jī)28套、移動(dòng)式電動(dòng)葫蘆2套等設(shè)備,總計(jì)金屬結(jié)構(gòu)工程量約1879 t。