新型直升式城市防洪閘門(mén)及應(yīng)用

張　晴，劉旭輝，謝立華

(浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州　310002)

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新型直升式城市防洪閘門(mén)及應(yīng)用

張晴，劉旭輝，謝立華

(浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州310002)

摘要：新型直升式城市防洪閘門(mén)主要包括閘門(mén)門(mén)葉、密封槽、混凝土基礎(chǔ)和啟閉裝置.當(dāng)閘門(mén)門(mén)葉到達(dá)全閉位置時(shí)，閘門(mén)門(mén)葉和密封槽之間的斜面機(jī)構(gòu)提供一個(gè)水平預(yù)緊力，從而使閘門(mén)門(mén)葉和密封槽緊密結(jié)合以阻擋洪水.啟閉裝置提供動(dòng)力，使閘門(mén)門(mén)葉在精密配合的密封槽內(nèi)快速而平穩(wěn)地升降.

關(guān)鍵詞：城市防洪；直升閘門(mén)；快速升降；斜面機(jī)構(gòu)；精密導(dǎo)向

1背景

城市大多濱臨河流、湖泊或海洋，因此都受到不同類(lèi)型洪水的威脅.由于城市是經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展的中心，人口密集，財(cái)富集中，一旦遭受洪災(zāi),將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和政治影響，因此，城市防洪閘門(mén)一般要求快速可靠，并兼顧景觀要求，而且通常需要封閉幾百甚至上千米的堤線(xiàn).

目前，在水利工程中用于城市防洪的閘門(mén)主要包括以下形式：

(1)移動(dòng)式防洪閘門(mén).這種閘門(mén)一般由活動(dòng)式垂直鋼柱和鋁合金部件組成，洪水來(lái)臨之前通過(guò)人工將垂直鋼柱通過(guò)螺栓安裝在臨水堤岸上，鋁合金部件一片一片按編號(hào)鑲嵌在垂直鋼柱間，形成一道擋洪屏障(見(jiàn)圖1).這種閘門(mén)在歐洲應(yīng)用較廣泛，如捷克首都布拉格的城市防洪閘門(mén)，就是采用長(zhǎng)約2.5～3 m，高20 cm的鋁合金部件疊加而成[1]，移動(dòng)式防洪閘門(mén)的高度可根據(jù)實(shí)際需要自由改變.需要增高時(shí)，就在原來(lái)基礎(chǔ)上多加幾塊鋁合金板，想要降低高度時(shí)則拆下幾塊鋁合金板，操作簡(jiǎn)單.一般長(zhǎng)×高為100 m×3 m的防洪移動(dòng)墻，由10名工作人員在兩小時(shí)內(nèi)可安裝完畢.活動(dòng)式垂直鋼柱和鋁合金部件平日都存放在專(zhuān)門(mén)的倉(cāng)庫(kù)里，通過(guò)車(chē)輛進(jìn)行運(yùn)輸.移動(dòng)式防洪閘門(mén)的裝拆需要大量的人力作保障，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)安裝完成，而且還面臨漏水、存放、運(yùn)輸和管理的難題.

圖1　布拉格移動(dòng)式防洪閘門(mén)實(shí)體圖

(2)傳統(tǒng)平面鋼閘門(mén).這種平面鋼閘門(mén)一般通過(guò)固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)、螺桿式啟閉機(jī)或液壓式啟閉機(jī)進(jìn)行啟閉操作，固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)需要設(shè)置較高的啟閉機(jī)房，有礙景觀；螺桿式啟閉機(jī)啟門(mén)速度慢，高高豎起的螺桿同樣有礙景觀；液壓式啟閉機(jī)管理維護(hù)比較麻煩，而且需要較大面積的油壓設(shè)備泵房.而且傳統(tǒng)平面鋼閘門(mén)的止水使用橡膠材料，老化后容易漏水，需要經(jīng)常更換.

(3)氣動(dòng)盾形鋼閘門(mén).這種閘門(mén)是近年來(lái)出現(xiàn)的新技術(shù)，結(jié)合了橡膠壩和鋼閘門(mén)的特點(diǎn)，通過(guò)向橡膠壩壩袋充氣，使鋼閘門(mén)豎立從而實(shí)現(xiàn)擋洪的目的，使用方便.但存在造價(jià)高、橡膠壩壩袋易破損和老化的缺點(diǎn)，其可靠性及應(yīng)用價(jià)值有待提高，其示意圖(見(jiàn)圖2).[2-5]

圖2　氣動(dòng)盾形鋼閘門(mén)示意圖

2新型直升式城市防洪閘門(mén)的工作原理

如圖3(a)所示，物體A固定且具有一個(gè)斜面I與平面II，物體B可豎直上下移動(dòng)，且同樣具有一個(gè)斜面I與平面II.現(xiàn)給物體B施加一向上的作用力F，使得物體B豎直向上運(yùn)動(dòng)，直至物體B的斜面I與平面II與物體A對(duì)應(yīng)的兩個(gè)面完全接觸(見(jiàn)圖3(b))，此時(shí)，物體A會(huì)給物體B施加一個(gè)反作用力F′，F(xiàn)′與F大小相等、方向相反[6].根據(jù)力的“平行四邊形定則”，將力F′進(jìn)行分解，即垂直于斜面I的力N與水平方向的力T，力N就是斜面I上產(chǎn)生的作用力，力T為平面II上產(chǎn)生的作用力，力T反映出物體B有壓緊物體A的趨勢(shì).原本豎直向上運(yùn)動(dòng)的物體B，因?yàn)樾泵鍵的存在，使得物體B具有水平壓緊物體A的趨勢(shì)，這就是本文所述新型直升式防洪閘門(mén)的工作原理.其中，可以將密封槽看作物體A，其固定在混凝土基礎(chǔ)上，閘門(mén)門(mén)葉看作物體B(B為閘門(mén)門(mén)葉的局部)，在啟閉裝置的作用下可豎直向上運(yùn)動(dòng).

圖3　新型直升式城市防洪閘門(mén)的工作原理圖

3新型直升式城市防洪閘門(mén)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

本文所述新型直升式城市防洪閘門(mén)主要包括閘門(mén)門(mén)葉、密封槽、混凝土基礎(chǔ)和啟閉裝置.閘門(mén)全開(kāi)全閉狀態(tài)的剖視圖(見(jiàn)圖4).密封槽固定在混凝土基礎(chǔ)內(nèi)，啟閉裝置與閘門(mén)門(mén)葉聯(lián)接，啟閉裝置提供動(dòng)力，使閘門(mén)門(mén)葉在精密配合的密封槽內(nèi)快速而平穩(wěn)地升降，當(dāng)閘門(mén)門(mén)葉到達(dá)全閉位置時(shí)，閘門(mén)門(mén)葉和密封槽之間的斜面機(jī)構(gòu)提供一個(gè)水平預(yù)緊力，從而使閘門(mén)門(mén)葉和密封槽緊密結(jié)合以阻擋洪水[7].

閘門(mén)門(mén)葉為主縱梁結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)寬高比較大的孔口，有利于節(jié)省鋼材.閘門(mén)位于城區(qū)側(cè)的四周設(shè)置具有斜面的支承裝置，支承裝置為鑄件，設(shè)有燕尾槽，燕尾槽內(nèi)鑲嵌止水元件.止水元件材料為聚四氟乙烯，聚四氟乙烯被稱(chēng)為“塑料王”[8]，具有優(yōu)異的抗老化性、耐腐蝕性和耐磨性，而且摩擦系數(shù)低、軟硬適中，結(jié)合了橡膠止水和金屬硬止水的優(yōu)點(diǎn)，在工程運(yùn)行中可以免維護(hù).

密封槽具有與支承裝置相對(duì)應(yīng)的斜面，閘門(mén)門(mén)葉在密封槽中沿豎直方向運(yùn)行，密封槽固定在混凝土基礎(chǔ)內(nèi).

啟閉裝置固定在混凝土基礎(chǔ)上，啟閉裝置設(shè)有絲桿，閘門(mén)門(mén)葉通過(guò)傳動(dòng)副固定件與絲桿連接，絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)閘門(mén)門(mén)葉沿豎直方向快速升降.傳動(dòng)副固定件通過(guò)關(guān)節(jié)軸承與支撐座聯(lián)接，關(guān)節(jié)軸承的作用是消除閘門(mén)門(mén)葉的安裝誤差，避免絲桿受到側(cè)向力.為保證絲桿與傳動(dòng)副固定件之間聯(lián)接的精密性和可靠性，特設(shè)置可伸縮的保護(hù)套，以防止沙石撞擊和污水侵蝕.

閘門(mén)平時(shí)不工作時(shí)位于孔口下方的混凝土基礎(chǔ)底部，而保護(hù)套位于孔口兩側(cè)，從城區(qū)側(cè)均無(wú)法看見(jiàn)，故不影響景觀.

該閘門(mén)具有以下特點(diǎn)：(1)平時(shí)閘門(mén)下沉于孔口下方，不影響城區(qū)側(cè)視覺(jué)景觀；(2)單扇閘門(mén)可在4 min內(nèi)關(guān)閉.多孔聯(lián)動(dòng)時(shí)，可以在較短時(shí)間內(nèi)將所有閘門(mén)全部關(guān)閉以形成防洪閉合圈；(3)閘門(mén)斜面機(jī)構(gòu)精密配合，漏水量?jī)H為規(guī)范規(guī)定漏水量(0.1 L/m·min)的1/10；(4)該閘門(mén)采用塑料硬止水元件，不易老化，免維護(hù).

圖4　閘門(mén)剖視圖

4結(jié)論

本文所述新型直升式城市防洪閘門(mén)已應(yīng)用到蘭溪市城東片防洪堤應(yīng)急工程中，57扇該類(lèi)型閘門(mén)構(gòu)成約650 m長(zhǎng)的防洪堤線(xiàn)，將蘭溪市老城區(qū)原來(lái)不足5年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)提高到了20年一遇，圍保面積約為2.71 km2，已累計(jì)經(jīng)受了兩年汛期的洪水考驗(yàn)，力保蘭溪老城區(qū)10萬(wàn)人的生命財(cái)產(chǎn)安全，得到了有關(guān)各方的高度肯定.該新型直升式城市防洪閘門(mén)對(duì)于飽受洪災(zāi)困擾的城市防洪提供了良好的解決思路，具有廣闊的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值.

參考文獻(xiàn)：

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[3]胡強(qiáng)，徐升，虞慧.氣動(dòng)盾形壩在江西會(huì)昌水利工程中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].江西水利科技，2015,41(4)：295-297.

[4]冀振亞，高國(guó)柱，孫云峰.氣動(dòng)盾形閘門(mén)系統(tǒng)力學(xué)模型的建立與分析[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2013(11)：50-53.

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[6]牛頓.自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理[M].趙振江，譯.北京：商務(wù)印書(shū)館，2006.

[7]劉旭輝，張晴，謝麗華，等.一種快速精密導(dǎo)向和密封防洪閘門(mén)：ZL 201410168255.9[P].2016-01-06.

[8]百度百科.聚四氟乙烯[EB/OL].[2008-04-21].http://baike.baidu.com/link?url=cTGrIjGpfsGj5_jTluF_H0Q9WCW0YHSnC7QoSoaPcQ1hEMD-GWnEWBaJ5VwLTd4nz7hcLJ-C2QbRAev2WHds9K.

Research and Application of New Type Vertical-lift Flood Gate in City

ZHANG Qing, LIU Xu-hui, XIE Li-hua

(Zhejiang Design Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power, Hangzhou 310002, China)

Abstract:New type vertical-lift flood gate in the city includes gate leaf, seal groove, concrete foundation and hoist. When the gate leaf is completely closed, the oblique mechanism between gate leaf and seal groove will offer horizontal pretightening force which can ensure good sealing effect. The hoist will provide power to make gate leaf lift quickly and smoothly in seal groove.

Key words:urban flood control; vertical-lift gate; quick lift; oblique mechanism; precision orientation

收稿日期：2015-09-20

作者簡(jiǎn)介：張晴(1982-)，男，工程師，湖北建始人，從事水利水電金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作.

中圖分類(lèi)號(hào)：TV663

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-536X(2016)04-0035-03