常州鐘樓防洪控制工程與馬斯蘭特?fù)醭遍l門型對比淺析

辛華榮顧曉峰常語鋒王 建

（1.江蘇省江都水利工程管理處，江蘇揚州 225200；2.江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，江蘇蘇州 215128；3.江蘇省水利工程建設(shè)局，江蘇南京 210029）

中國與荷蘭兩國都有著治理水患的悠久歷史，在其領(lǐng)域也有很多的交流和學(xué)習(xí)。筆者作為京杭運河常州市區(qū)改線段鐘樓防洪控制工程（以下簡稱鐘樓防洪工程）建設(shè)者之一，在建設(shè)期間，有幸對荷蘭著名的新沃特偉赫河上馬斯蘭特?fù)醭遍l（以下簡稱馬斯蘭特?fù)醭遍l）進(jìn)行現(xiàn)場考察。馬斯蘭特?fù)醭遍l自建成后，就一直占據(jù)著世界第一大單孔節(jié)制閘的地位；鐘樓防洪控制工程的建成，則占據(jù)了亞洲第一大單孔節(jié)制閘的地位，并躋身為世界第二大單孔節(jié)制閘。兩座水利工程在外形特征上具有較強(qiáng)的相似性，但其主要結(jié)構(gòu)、啟閉設(shè)備、運行方式、使用功能等均不相同，筆者在此就兩個工程的閘門運行方式、啟閉設(shè)備等進(jìn)行對比淺析。

1 工程興建的共同點

鐘樓防洪控制工程位于江蘇省常州市鐘樓區(qū)京杭運河改線后的新京杭運河上，由于改道后的京杭運河使原有湖西控制線形成新的行洪通道，行洪斷面更大，下泄洪水能力更強(qiáng)，如不加以控制將會對下游蘇、錫、常城區(qū)和武澄錫地區(qū)構(gòu)成更大的洪澇災(zāi)害威脅。為有效控制太湖流域湖西地區(qū)的高水南下，新建鐘樓防洪控制工程尤為必要，且成為太湖流域武澄錫西控制線上主要控制建筑物之一，也是最大的單體工程。作為黃金水道的京杭運河蘇南段，防洪與航運的矛盾一直突出而延續(xù)，從兼顧水利與航運利益出發(fā)，鐘樓防洪控制工程必須按照“不設(shè)梯級、不阻航、特大洪水不斷航”的設(shè)計原則進(jìn)行。本工程于2007年6月開工建設(shè)，2008年6月投入運行。

眾所周知，上世紀(jì)50年代，荷蘭發(fā)生了一次歷史罕見的特大洪水，致使約20萬hm2土地被淹，死亡1800人，損失慘重。洪水過后，荷蘭政府開始醞釀實施DELTA工程。該工程位于荷蘭西南部的萊茵河、馬斯河、斯凱爾德河三河交匯入海處，亦稱三角洲工程，整個工程包括12個大項目，馬斯蘭特?fù)醭遍l為三角洲工程主要建筑物之一。馬斯蘭特?fù)醭遍l工程興建在新沃特偉赫河道上，河道寬達(dá)360 m、平均水深17 m，新沃特偉赫河入?？谑锹固氐じ鄣闹饕ǖ?，每年約有8萬艘船只來往運行，封閉該通道是不現(xiàn)實的，所以，該擋潮閘設(shè)計理念是，在工程建設(shè)過程中和正常運行時使航運不受影響。工程于1956年動工，1986年竣工并正式啟用。

因此，如何解決防洪與航運的矛盾，就成了兩個工程的共同目標(biāo)，也是水利科技人員研究的課題，為統(tǒng)籌兼顧防洪與航運作用，對節(jié)制閘型式提出了更高要求。經(jīng)過充分的分析論證和研究，兩個工程均采用了不論是閘門安裝期間，正常運行期間，還是對閘門及啟閉系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)期間，都不影響運河正常航運的方案。

圖1 鐘樓防洪控制工程

圖2 馬斯蘭特?fù)醭遍l

2 工程的不同點

如圖1、圖2所示，僅從外觀上看，兩個工程似乎如出一轍，其實二者有著很多的不同之處，筆者就兩者的主要不同點進(jìn)行對比淺析。

2.1 閘門運行方式的不同

馬斯蘭特?fù)醭遍l的閘門在啟閉過程中均為浮運，在關(guān)閉過程中，將閘門浮起并推進(jìn)至河道中央，開啟空心閘門的隔間閥門進(jìn)水，將閘門下沉至距底板1 m處，讓閘門下的高速水流沖刷底板沉積物，再將閘門平穩(wěn)沉放至被急流沖清的底板上；閘門開啟時將閘門內(nèi)水抽出，閘門上浮，并由自動推進(jìn)器推動返回閘塢。

鐘樓防洪控制工程的閘門在啟閉過程中均為閘門在底軌上滑行，即：閘門底部與軌道始終保持接觸運行。啟閉設(shè)備采用的是特大型單根鋼絲繩雙向出繩的繩鼓啟閉機(jī)，當(dāng)需要關(guān)閉閘門時，閉門鋼絲繩收緊的同時，啟門鋼絲繩同步同量放出，在牽引力的作用下，閘門繞球關(guān)節(jié)支鉸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，閘門運行至指定位置時，自動停機(jī)；啟門過程則反之。閘門在關(guān)閉過程中，利用門頭“刀”型結(jié)構(gòu)及高壓水槍進(jìn)行沖淤。

從兩者的運行方式看，鐘樓防洪控制工程閘門的運行方式可靠和可控，不僅可以較為徹底清除軌道表面的淤積物，也可以對閘門的運行位置進(jìn)行精準(zhǔn)控制，且在很大程度上減小了閘門門底、門側(cè)及閘門間的漏水量。筆者認(rèn)為，作為防洪控制閘，鐘樓防洪控制工程閘門的擋水效果更加符合規(guī)范要求，運行方式更加適合有通航要求的河道。

圖3 鐘樓防洪控制工程閘門啟閉機(jī)設(shè)備總布置圖

2.2 啟閉設(shè)備的不同

馬斯蘭特?fù)醭遍l的閘門由設(shè)置在閘門頂部的自動推進(jìn)器操作。自動推進(jìn)器有6個齒軸，由齒輪傳動裝置帶動。每個自動推進(jìn)器與岸上30 m高的導(dǎo)向塔之間通過一伸縮桿連接，自動推進(jìn)器的相對位置不變，與閘門一起僅作垂直方向運動。

鐘樓防洪控制工程的閘門啟閉設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖3，采用的是特大型單根鋼絲繩雙向出繩的繩鼓啟閉機(jī)，主要由電動機(jī)、帶制動輪聯(lián)軸器、制動器、減速器、兩級開式齒輪傳動、卷筒裝置、高度指示裝置、荷重指示裝置、機(jī)架及電氣系統(tǒng)等組成。電動機(jī)通過帶制動輪聯(lián)軸器、減速器、兩級開式齒輪副帶動卷筒轉(zhuǎn)動，雙向卷筒使一根鋼絲繩收而另一根鋼絲繩放，從而完成對弧形閘門的啟閉操作。閉門鋼絲繩通過導(dǎo)向滑輪引至沉井靠河口側(cè)，沿閘門弧形面板順切引至閘門上的遠(yuǎn)離河口的導(dǎo)向滑輪，經(jīng)轉(zhuǎn)向后引到閘門內(nèi)部，經(jīng)鋅澆鑄的鋼絲繩索頭通過鎖定座固定在閘門內(nèi)部的鎖定梁上；啟門鋼絲繩通過導(dǎo)向滑輪引至沉井另一側(cè)，順切引至閘門上靠近河口的導(dǎo)向滑輪，經(jīng)轉(zhuǎn)向后引到閘門內(nèi)部，經(jīng)鋅澆鑄的鋼絲繩索頭通過鎖定座固定在閘門內(nèi)部的鎖定梁上。

由此可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過創(chuàng)新改造的卷揚啟閉機(jī)不僅結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便、控制靈活，而且易于保養(yǎng)和維護(hù)，故更加適合作為鐘樓防洪控制工程閘門的啟閉設(shè)備。且這一產(chǎn)品與類似于馬斯蘭特?fù)醭遍l自動推進(jìn)器相比，具有研發(fā)基礎(chǔ)好、設(shè)計時間短、制作成本低的優(yōu)點，從而降低了工程造價，保證了工期。筆者認(rèn)為，這一產(chǎn)品的研發(fā)成功，是保證閘門平穩(wěn)、安全運行的關(guān)鍵點之一。

2.3 清淤方式不同

從“閘門運行方式的不同”中發(fā)現(xiàn)，在兩閘門關(guān)閉的過程中，兩者的清淤方式完全不同。前者是被動式清淤，后者是主動式清淤。

馬斯蘭特?fù)醭遍l是將閘門下沉至距底板1 m處，利用閘門前后所形成的水頭差，讓閘門下的高速水流沖刷底板沉積物，是一種被動式清淤，其清淤效果完全取決于水流沖刷速度及底板的淤積物種類。如果流速不夠快，可能淤積泥沙也難以清除干凈；即使有足夠的流速，如遇較大較重沉積物，沖淤效果也難以保證。所以，這種清淤方式的效果是隨機(jī)的，且有不可預(yù)見性，也有可能對門底結(jié)構(gòu)帶來一定的損傷。

鐘樓防洪控制工程地處京杭大運河航道，過往船只十分頻繁，加之現(xiàn)狀河道底高程為0.0 m，閘門底軌高程為-1.0 m，為河道低洼地段，極易造成淤積，且有可能有較大掉落物停留在軌道上。由于工程運行具有時期不確定性和關(guān)閉時間快等特點，對軌道清淤提出較高要求，因此，采取主動清淤方式，是保證閘門平穩(wěn)、安全運行的可靠方案。閘門的門頭型式打破常規(guī)，采用了“刀”型結(jié)構(gòu)（如圖4），可以使閘門在行進(jìn)過程中將淤積物向兩側(cè)擠排，并可將軌道表面較大雜物清除；同時，在門體內(nèi)配備高壓水槍，沿門頭行進(jìn)方向進(jìn)行噴射，可將軌道表面的泥沙類淤積物清除干凈（如圖5）。通過主動清淤方式，基本保證閘門所行走的軌道表面是干凈的，不僅減小了啟閉力，保證了閘門的安全、穩(wěn)定啟閉，也保證了閘門與軌道表面間底止水的良好密封效果。

通過近幾年的運行表明，閘門在軌道表面有60～80 cm厚的淤積物情況下，可以平穩(wěn)、順利的完成啟閉，并且在閘門關(guān)閉后，均達(dá)到良好的止水效果。由此可見，鐘樓防洪控制工程所采用的主動式清淤方式是成功、可靠的。

圖4 門頭結(jié)構(gòu)圖

圖5 高壓沖淤系統(tǒng)布置圖

圖6 馬斯蘭特?fù)醭遍l支鉸

圖7 鐘樓防洪控制工程支鉸

2.4 支鉸結(jié)構(gòu)不同

馬斯蘭特?fù)醭遍l工程的閘門是通過在水上浮運到運河中心的，支鉸需要平行運動和上下較大范圍運動，故對支球窩接頭要求很高，其重量達(dá)680 t（如圖6），僅一個球冠接頭的直徑就達(dá)10 m。球冠接頭基部由20 cm厚的鋼材構(gòu)成，直徑為10 m的球冠接頭在轉(zhuǎn)動時允許偏差度不超過0.5 mm。除了高精確度，潤滑部分也至關(guān)重要，這樣才能確保球冠接頭的靈活轉(zhuǎn)動。擋潮閘的受力必須得到均勻地傳播并分散吸收，故工程采用了應(yīng)用于航空領(lǐng)域的一種特殊的潤滑材料。該部分制作、安裝的難度大，要求高，需要在現(xiàn)場條件下制作完成，相應(yīng)的生產(chǎn)周期也很長。

鐘樓防洪控制工程的閘門在擋洪時支鉸（如圖7）最大徑向力6148 kN，最大軸向力約400 kN（主要由支臂自重引起），支鉸水平方向最大旋轉(zhuǎn)角約60°，閘門檢修和擋水狀態(tài)時，支臂中心線水平。由于在支鉸位置不僅要承受很大的徑向力，也要承受一定的水平軸向力，故支鉸采用的是自潤滑球關(guān)節(jié)軸承。鉸座通過錨栓固定在沉井上，鉸鏈則用螺栓固定在支臂端部，鉸座和鉸鏈通過軸鏈接。不同的是：本工程的支鉸不但要承受很大的徑向力，也要承受一定的水平軸向力，支鉸軸向平面旋轉(zhuǎn)角度比普通弧門支鉸要大，還要滿足工程在特殊情況下需要浮起的工況。因此，性能良好的軸承是支鉸設(shè)計的關(guān)鍵。本工程采用了自帶密封的自潤滑關(guān)節(jié)軸承，并通過技術(shù)改造，可以滿足約1.7°的垂直向偏角，即：滿足了閘門在緊急情況下可以上浮約1.5 m的技術(shù)要求。

鐘樓防洪控制工程支鉸結(jié)構(gòu)型式從設(shè)計、安裝、運行到檢修，便于現(xiàn)場安裝，符合閘門門型的啟閉方式，方便工程管理單位的運行管理和維護(hù)。

3 結(jié)語

鐘樓防洪控制工程與馬斯蘭特?fù)醭遍l都是一個創(chuàng)新型工程，都是水利發(fā)展史上的一個亮點。我們不應(yīng)該簡單地以它們的外觀相似而將其歸結(jié)為同一類型的閘門型式，更多的應(yīng)該從其關(guān)鍵技術(shù)等進(jìn)行對比和分析，發(fā)現(xiàn)它們的不同。筆者認(rèn)為，鐘樓防洪控制工程所采用的門型更像是融合了三角門與橫拉門優(yōu)點的一種創(chuàng)新型閘門，其獨特的運行方式、簡單而可靠的新型啟閉裝置、有效的主動清淤型式等一系列新技術(shù)、新方法，造就了一套具有創(chuàng)新特色的大跨度新型閘門結(jié)構(gòu)形式。

鐘樓防洪控制工程與馬斯蘭特?fù)醭遍l均為復(fù)雜的系統(tǒng)工程，具有較多的輔助系統(tǒng)，如：新型啟閉裝置、檢修閘門、閘門內(nèi)的壓艙水調(diào)節(jié)系統(tǒng)、振動監(jiān)測系統(tǒng)以及自動化監(jiān)控系統(tǒng)等，各有特色和創(chuàng)新。