摩阻型攔船設(shè)施在三河閘工程中的應(yīng)用

李 欣，王 豹，溫少林，龍 俊

(1.江蘇省洪澤湖水利工程管理處，江蘇 洪澤 223100；2.南京市三汊河河口閘管理處，江蘇 南京 210000)

三河閘位于江蘇省洪澤縣境內(nèi)，為大(1)型水閘，設(shè)計流量12 000 m3/s，是淮河入江水道的控制性工程。三河船閘是洪澤湖大堤的穿堤建筑物，是三河閘水利樞紐的組成部分，距離三河閘工程不足3 km，是洪澤湖至高郵湖、寶應(yīng)湖以及大運河的主要航道之一，通航繁忙。為防止船舶在三河閘大流量行洪時撞擊工程，在上游(洪澤湖側(cè))已安裝攔船設(shè)施，該攔船設(shè)施在水面呈直線布置，由鋼絲繩、浮桶、拖錨、錨墩等組成，攔截能力較弱。因此，在三河閘上游安裝攔截能力強的攔船設(shè)施十分必要和急迫。

目前，水利工程中的攔船設(shè)施種類繁多。折線型攔船設(shè)施雖然具有較大的攔截能力，但每個浮桶下方均需配置拖錨，造價必然較高，且遭受船舶撞擊后恢復(fù)困難；而液壓系統(tǒng)的攔船設(shè)施，雖攔截能力強，但造價較高。摩阻型攔船設(shè)施攔截能力強，攔截船舶時漸進加力，無劇烈沖擊，造價不高，遭受撞擊后無損傷，恢復(fù)方便，適用于三河閘工程。

1 摩阻型攔船設(shè)施概述

1.1 摩阻型攔船設(shè)施的組成

摩阻型攔船設(shè)施由錨墩(兼摩阻機基礎(chǔ))、摩阻機、鋼絲繩和浮桶組成。兩臺摩阻機相對安裝于兩岸錨墩，鋼絲繩兩端固定并預(yù)繞設(shè)計長度在摩阻機繩鼓上，架設(shè)在浮桶上，在水面呈線型布置，如圖1所示。

圖1 平面布置圖

摩阻機由機架、繩鼓、傳動系統(tǒng)、摩擦系統(tǒng)和滑輪組等組成，如圖2所示。

1.2 裝置原理

摩阻型攔船設(shè)施的工作原理是當(dāng)船舶撞擊攔船設(shè)施時，鋼絲繩張緊，繩內(nèi)張力逐漸達到設(shè)計值時，摩阻機轉(zhuǎn)動并釋放鋼絲繩。同時摩阻機摩擦系統(tǒng)產(chǎn)生摩阻力，通過傳動系統(tǒng)傳遞給鋼絲繩，從而保持鋼絲繩內(nèi)張力恒定為設(shè)計值。隨著船舶下移，鋼絲繩在逆水流向的合力逐漸增大，逐步消減船舶動能并克服水流力。鋼絲繩釋放完畢前，若船舶動能及船舶受到的水流力綜合作用在設(shè)計標準內(nèi)，那么，船舶將逐漸減速并最終停止，鋼絲繩呈V形攔截船舶[1-2]，如圖3所示。

圖2 摩阻機示意圖

圖3 摩阻型攔船設(shè)施呈V形牽定船舶

若船舶較小，甚至撞擊攔船設(shè)施時鋼絲繩內(nèi)力小于設(shè)計值，那么摩阻機將不會轉(zhuǎn)動。

若船舶動能及水流力做功超出了攔船設(shè)施設(shè)計標準，摩阻機將轉(zhuǎn)動直至鋼絲繩釋放完畢，船舶以一定速度沖擊攔船設(shè)施。此時，如果鋼絲繩沒有破斷，且船舶禁止時受到的水流力在設(shè)計標準內(nèi)，那么鋼絲繩承受沖擊時僅僅瞬時超載，但其內(nèi)力將很快下降到設(shè)計值以內(nèi)，船舶被攔截；若鋼絲繩破斷，則表明船舶動能與水流力綜合作用已經(jīng)超出了該攔船設(shè)施極限承載能力。

無論船舶初始動能大小，只要船舶停止在水面時受到的水流力大于設(shè)計值，攔船設(shè)施將持續(xù)超載甚至破壞。

1.3 摩阻機原理

船舶撞擊攔船設(shè)施后，鋼絲繩受力， 繩鼓在切線方向受到拉力，該力通過齒輪組傳遞到摩擦系統(tǒng)，摩擦系統(tǒng)產(chǎn)生摩擦力。若撞擊力較小，鋼絲繩張力未達到設(shè)計值，那么，該摩擦力為靜摩擦力，起到阻止摩阻機轉(zhuǎn)動的作用；若撞擊力較大，鋼絲繩內(nèi)力達到設(shè)計值，那么，摩阻機轉(zhuǎn)動，該摩擦力為滑動摩擦力，起到消耗船舶動能、抵御水流力的作用[3]。

2 攔船設(shè)施選址

三河閘上游引河平順段較短，約200 m，通過上游約650 m處喇叭口與湖面連接，如圖4所示。攔船設(shè)施可供備選的位置有三個，一是近閘位置方案一，二是湖口位置方案二，三是介于閘前和湖口之間的方案三。方案一距閘身約300 m，水面寬度約780 m；方案二距閘身約1000 m，水面寬度約1300 m；方案三水面寬度約1000 m。

圖4 三河閘上游引河地形圖

方案三雖然比方案二水面寬度窄300 m，但相對閘身方向傾斜，感觀不佳，加之節(jié)省經(jīng)費不多，技術(shù)上沒有優(yōu)勢，所以不予考慮。方案一攔船設(shè)施較短，投資較少，但距閘身較近，安全性較低，且由于河床斷面較小，水流速度必然較大，對攔船設(shè)施攔截能力要求較高。方案二距閘身遠，水流速度平緩，安全性高，但攔船設(shè)施較長，投資多。方案一與方案二孰優(yōu)孰劣，需進行技術(shù)比較。

2.1 水流速度計算

2.1.1 方案一水流速度計算

該位置距離閘身約300 m，河床斷面如圖5所示。

圖5 方案一位置河床斷面圖

考察三河閘上游水位分別為12.5 m、13.0 m、13.5 m、14.0 m、14.5 m五種情況下閘門全開泄流時水流速度，和水位為16.0 m時泄放設(shè)計流量12 000 m3/s時的水流速度，見表1。

表1 方案一典型水位時泄放最大流量上游平均流速

方案一斷面位置流速較大，最大平均流速為1.78 m/s。

2.1.2 方案二水流速度計算

該位置處于上游湖口，專門進行了河床斷面測量，河床斷面如圖6所示。

圖6 方案二位置河床斷面圖

同樣考察上游水位分別為12.5 m、13.0 m、13.5 m、14.0 m、14.5 m五種情況下閘門全開泄流時水流速度，和水位為16.0 m時泄放設(shè)計流量12 000 m3/s時的水流速度見表2。

表2 方案二典型水位時泄放最大流量上游平均流速

方案二斷面最大平均流速為1.26 m/s，低于方案一斷面處最大平均流速。

2.2 位置比較

方案一斷面處最大流速為1.78 m/s，對攔船設(shè)施要求較高，需裝置較大摩阻機，采用較粗鋼絲繩，且距閘身過近，安全性較低。

方案二斷面處最大平均流速為1.26 m/s，在平原地區(qū)河道屬正常流速，適宜裝置常規(guī)摩阻型攔船設(shè)施。

決定選用方案二。

3 船舶狀況與設(shè)計標準

雖然三河閘工程不具有通航功能，但是三河船閘工程緊鄰三河閘工程，極有可能在三河閘工程大流量行洪時，上游船只順水流進入三河閘行洪區(qū)域，發(fā)生撞擊水閘事故。根據(jù)三河船閘的通航能力，攔船設(shè)施設(shè)計標準確定為2000 t。

4 攔船設(shè)施技術(shù)方案

4.1 摩阻機選型

攔船設(shè)施設(shè)置在湖口，流速為1.26 m3/s，選用MZJ-75系列摩阻機，兩岸各裝配一臺，配置鋼絲繩為6×37-φ21.5鍍鋅鋼絲繩。由于三河閘閘身長，攔船設(shè)施設(shè)置在河口，長度超過1300 m，要發(fā)揮摩阻型攔船設(shè)施的優(yōu)勢，需要摩阻機繩鼓上裝置足夠長度的鋼絲繩。按船舶撞擊攔船設(shè)施后下滑650 m時被攔截計算，每個摩阻機上需裝置270 m鋼絲繩。繩鼓直徑50 cm，裝置3層鋼絲繩，摩阻機有效繩鼓長為117 cm。主要技術(shù)指標見表3，型號設(shè)為MZJ-75-117。

表3 三河閘攔船設(shè)施摩阻機主要技術(shù)指標表

4.2 摩阻機安裝高程

三河閘上游最高水位15.23 m，最低水位9.66 m，汛期正常高水位13.5 m，鑒于摩阻機不宜浸水但滑輪組可以浸水，同時考慮改善低水位時鋼絲繩受力，將摩阻機基礎(chǔ)底板頂高程定為12.8 m，這樣攔船設(shè)施鋼絲繩兩端高程約為13.0 m。

4.3 繩網(wǎng)布置與浮桶設(shè)計

一根鋼絲繩(主索)兩端固定并預(yù)繞設(shè)計長度于摩阻機繩鼓上，架設(shè)在浮桶上。在主索上方和下方各增設(shè)一根鋼絲繩(副索)，間距40 cm，下面一根鋼絲繩距水面約35 cm，以防止小船由鋼絲繩下方穿過或大噸位空船從鋼絲繩上方掠過。副索兩端連中間鋼絲繩，河道中連浮桶，如圖7所示。

圖7 浮筒示意圖(單位：mm)

浮桶主要為了架設(shè)鋼絲繩，應(yīng)能夠達到遭受船舶撞擊后不解體、不下沉，因此，不可用航標代替浮桶。浮桶的要點如下：

(1)宜為圓桶狀，選用聚乙烯浮桶，價格較低，維護方便。

(2)為增強浮桶的整體性，設(shè)置鋼管上下貫穿浮桶。鋼管上部設(shè)3根鋼筋(與鋼絲繩匹配)，用繩扣將鋼絲繩固定在該鋼筋上(不應(yīng)穿環(huán)或穿孔連接，因浮桶在風(fēng)浪作用下不斷搖晃，鋼絲繩易磨損)。鋼管下部配重，保持浮桶在鋼絲繩作用下不傾覆。

(3)浮桶在自重和鋼絲繩的重力作用下桶體應(yīng)浮出水面25～30 cm[4-5]。

安裝攔船設(shè)施處水面寬度1300 m，按13 m一個計，需浮桶100個。

4.4 鋼絲繩配置

選配6×37-φ21.5鍍鋅鋼絲繩，主索與兩岸摩阻機相連，約需1600 m，副索兩端與主索相連，約需1400 m，計3000 m。

4.5 錨墩設(shè)計

選用如圖8所示結(jié)構(gòu)形式的錨墩。該形式錨墩適用于安裝摩阻機，一定程度上利用了土重抗滑。

圖8 攔船設(shè)施錨墩示意圖(單位:高程m，其他mm)

5 攔船設(shè)施安裝與維護

5.1 攔船設(shè)施安裝步驟

安裝摩阻機→安裝主索→安裝浮桶→安裝副索→張緊鋼絲繩，將摩擦裝置彈簧調(diào)整到設(shè)計位置。

5.2 攔船設(shè)施安裝注意要點

(1)主索應(yīng)穿過垂直定滑輪并與水平定滑輪相切，為防止鋼絲繩脫槽，可在水平定滑輪支架上焊裝卡環(huán)限制鋼絲繩。

(2)鋼絲繩與摩阻機連接應(yīng)緊固，并分層有序繞裝在繩鼓上。

(3)浮桶通過卸扣與鋼絲繩扣緊。

(4)副索兩端連接在水平定滑輪外側(cè)的主索上。

(5)最后張緊鋼絲繩，將摩擦系統(tǒng)彈簧調(diào)整到設(shè)計位置。

5.3 攔船設(shè)施維護要點

(1)封閉保護摩擦系統(tǒng)彈簧調(diào)節(jié)裝置，防止人為破壞或誤操作。

(2)每年調(diào)試保養(yǎng)一次。

(3)每月至少巡視一次，防止發(fā)生人為破壞導(dǎo)致系統(tǒng)失效，務(wù)必保持摩擦系統(tǒng)彈簧壓縮量維持為設(shè)計值。

6 結(jié) 語

摩阻機運轉(zhuǎn)時鋼絲繩內(nèi)力恒定，但鋼絲繩在逆水流向的合力初始較小，隨著船舶位移增大而逐漸增強，對船舶無劇烈沖擊，有利于船舶自救，防止沉沒。攔船設(shè)施攔截船舶歷時數(shù)分鐘之久，有利于安全救援。攔船設(shè)施遭受撞擊后無損傷，恢復(fù)方便。

三河閘工程應(yīng)用摩阻型攔船設(shè)施，按照攔截2000 t船舶設(shè)計，選用6×37-φ21.5鍍鋅鋼絲繩即能滿足要求，攔船設(shè)施結(jié)構(gòu)簡單，相應(yīng)摩阻機、錨墩均較小，造價較低，可在大中型水利工程中推廣應(yīng)用。