白藤大閘通航孔金屬結(jié)構(gòu)比選設(shè)計(jì)

鄔顯強(qiáng) 曾繁欽 曾文

摘 要：為滿足白藤大閘重建工程通航孔的功能性與景觀適宜性，對金屬結(jié)構(gòu)的型式、具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行比選設(shè)計(jì)，確定有軌雙開的新型弧形閘門為工作門的設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)過程最大化保證了金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的安全、實(shí)用、美觀。

關(guān)鍵詞：白藤大閘 通航孔 金屬結(jié)構(gòu) 比選設(shè)計(jì) 工程景觀

1.引言

目前，在城市規(guī)劃中，水利工程與生態(tài)、景觀融合是亟需解決的熱點(diǎn)問題，也是未來水利設(shè)計(jì)發(fā)展的必然趨勢。白藤大閘是珠海市唯一的一座大型水閘，其周邊已成為珠海市、斗門區(qū)的重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域。大閘重建工程除要求滿足傳統(tǒng)擋潮、排澇、通航、防咸等功能外，還對工程景觀提出了高要求，合理進(jìn)行通航孔金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是建立水利工程風(fēng)景區(qū)，體現(xiàn)城市生態(tài)核心的重要一環(huán)。

2.通航孔金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1工程概況

白藤大閘重建工程等別為II等，規(guī)模為大（2）型。工程建筑物包括14孔水閘、1孔通航孔，總凈寬159m。其中通航孔凈寬12m，可通航最大噸位100噸的船舶。通航孔金屬結(jié)構(gòu)包括工作閘門、檢修閘門及活動鋼橋及相應(yīng)的啟閉設(shè)備。

2.2通航孔工作閘門

2.2.1閘門門型比選

根據(jù)水工布置要求，工程設(shè)有1孔通航孔，通航孔可選閘門門型有：垂直提升門、升臥門、下臥門、有軌雙開弧形閘門。為保證通航的凈空，若采用垂直提升門和升臥門均需設(shè)置排架；而采用下臥門、有軌雙開弧形閘門則不用設(shè)置啟閉機(jī)排架。下臥門需在河床底部進(jìn)行開挖，門底容易淤積，不利于檢修維護(hù)。

有軌雙開弧形閘門為近年來生態(tài)水利、景觀水利相結(jié)合的門型，是介于三角閘門和橫拉門之間的一種新型閘門，可以實(shí)現(xiàn)雙向擋水，不需要設(shè)置啟閉機(jī)排架，景觀效果好，過船時不影響通航凈空和凈寬，但該閘門結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度要求高，設(shè)計(jì)上具有創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性。國內(nèi)已建成的案例較少，目前僅有兩例：常州牛塘防洪工程（單孔凈寬90m）和引江濟(jì)漢工程拾橋河樞紐（單孔凈寬60m）。

白藤大閘處于珠海市斗門區(qū)重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域，工程的設(shè)計(jì)中要求突出開放式城市水利風(fēng)景特色，提升城市形象。因此該通航孔工作閘門的設(shè)計(jì)擯棄了傳統(tǒng)的閘門型式，采用與城市生態(tài)建設(shè)相適宜的有軌雙開弧形閘門。

2.2.2基本資料

（1）水文氣象。年平均氣溫：22.4℃，多年平均降雨量：1760～2325mm，實(shí)測年最大24小時降雨量482mm，設(shè)計(jì)風(fēng)速：14.8m/s。

（2）流量、特征水位。外江防洪（潮）設(shè)計(jì)水位：3.40m（P=1%），外江多年平均最高潮位：1.76m，內(nèi)河最高控制水位：0.50m，內(nèi)河最低控制水位（即景觀水位）：-0.30m，內(nèi)河正常蓄水位（即經(jīng)常性水位）：0m。

（3）通航孔運(yùn)行條件。本工程通航孔所在航道Ⅵ級，根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》（GB50139-2014），航道最小控制水深為1.6m；航道設(shè)計(jì)通航水位主要由內(nèi)河常水位控制，為-0.3～0.5m，在開啟通航孔時應(yīng)選擇在內(nèi)外水頭差不大于0.2m的時段。

2.2.3工作閘門設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)及對策

（1）閘門總體布置。有軌雙開弧形閘門主要由門體結(jié)構(gòu)、支承系統(tǒng)、止水系統(tǒng)等部分組成。門體結(jié)構(gòu)采用空間剛架結(jié)構(gòu)，包括面板系、支臂等。支承系統(tǒng)包括活動支鉸和閘門底部支承。閘門關(guān)閉擋水時，水壓力由弧形面板梁格系通過支臂傳遞至支鉸，再由支鉸最終傳遞至閘首邊墩上，豎向力則由底部支承和活動支鉸承受。

通航孔閘室凈寬12.0m，閘室底板高程-2.80m，閘內(nèi)外水位基本齊平時開閘通航，采用液壓啟閉機(jī)啟閉操作。閘門在上、下游水位基本齊平時啟閉（水頭差小于0.2m）。閘門面板為弧形面板，R=6800mm，支臂支承中心線與通航孔中心線夾角為32.5°。通航孔工作閘門布置圖見圖1～圖2。

（2）閘門活動支鉸設(shè)計(jì)。閘門活動支鉸采用鑄鋼支鉸，自潤滑球面軸承支承。同時為了克服活動支鉸承受豎直荷載的難題，軸端部支承在混凝土牛腿，可承受門體部分豎向荷載，大大提高了活動支鉸轉(zhuǎn)動過程中的安全性和可靠性。

（3）閘門底部支承設(shè)計(jì)為了選擇一種運(yùn)行可靠、造價經(jīng)濟(jì)、維護(hù)方便的閘門底部支承型式，設(shè)計(jì)中研究了滑塊支承和滾輪支承兩種常見支承型式?；瑝K支承不用設(shè)置較高的軌道，門底淤積情況相對較好，滑塊承載力高，摩擦系數(shù)相比滾輪大，相應(yīng)液壓啟閉機(jī)容量較大；滾輪支承的主要優(yōu)點(diǎn)是滾輪摩擦系數(shù)小，液壓啟閉機(jī)容量較小且易于布置閘門底止水。綜合比較后，采用滾輪支承型式，沿閘門底部弧長方向設(shè)置2個滾輪，滾輪直徑為Φ500mm，采用自潤滑軸承。

（4）啟閉機(jī)設(shè)計(jì)。通航孔工作閘門采用2×250KN/2×250KN的液壓啟閉機(jī)進(jìn)行操作，啟閉機(jī)支鉸安裝高程為1.9m，油缸工作行程為3793mm，啟閉工作閘門時間4m in，啟門速度約1m/min，液壓系統(tǒng)最大壓力≤20MPa。液壓泵站采用比例泵進(jìn)行控制?；顒愉摌蚺c單側(cè)雙開弧形閘門共用1套電氣控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)兩根液壓桿運(yùn)行同步。

2.3通航孔檢修閘門

2.3.1閘門選型

通航孔閘室底板常年處于水下，為滿足通航孔閘室及金屬結(jié)構(gòu)的檢修條件，在閘室的內(nèi)河、外江側(cè)均設(shè)置1道檢修門。浮式疊梁門各節(jié)性質(zhì)一致，通用性強(qiáng)，重量輕，啟閉容量要求低。此工程通航孔檢修閘門利用浮式疊梁門節(jié)約鋼材的同時減小啟閉容量，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

2.3.2閘門設(shè)計(jì)

閘室寬度12.0m，底坎高程-3.25m，閘門靜水閉門、平壓開啟。采用浮式疊梁平面滑動閘門，單節(jié)1m，板梁結(jié)構(gòu)，滑道支承。閘門為雙吊點(diǎn)，吊點(diǎn)設(shè)在疊梁的頂部，單節(jié)閘門重量約6噸，采用2×50KN臨時設(shè)備操作。平時不用時存放在門庫中。

2.4通航孔活動鋼橋

2.4.1活動鋼橋選型

根據(jù)水工布置要求，通航孔處需設(shè)置1座活動鋼橋，目前常用的活動鋼橋型式有垂直提升式活動鋼橋、液壓頂升式或斜拉式活動鋼橋。從美學(xué)角度該工程不考慮設(shè)置啟閉機(jī)排架的垂直提升式活動鋼橋。根據(jù)我公司已有的類似工程經(jīng)驗(yàn)，采用頂升式活動鋼橋液壓時啟閉機(jī)支鉸座處受力狀態(tài)優(yōu)于斜拉式活動鋼橋，且我公司已獲得頂升式活動鋼橋國家實(shí)用新型專利，并成功用于同類工程。本次設(shè)計(jì)采用頂升式活動鋼橋。

2.4.2活動鋼橋布置

鋼橋按四級公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，活動鋼橋橋?qū)?2m，兩側(cè)各設(shè)1.25m人行道，支承跨度16.48m?；顒愉摌蛴晒潭蝮w和活動鋼橋體兩部分組成，活動鋼橋體可繞活動支鉸座旋轉(zhuǎn)，活動鋼橋最大開啟角度為65°，對應(yīng)活動鋼橋通航凈空約11.9m，滿足通航凈空的要求。平時鋼橋置于閘面通行車輛和行人，需通航過船時全開?；顒愉摌蚩v剖面布置圖見圖3。

2.4.3活動鋼橋設(shè)計(jì)

活動鋼橋采用雙主梁結(jié)構(gòu)，主縱梁為箱型截面，抗彎抗扭剛度強(qiáng)。箱梁梁高為1200mm，間距為7600mm，主橫梁為焊接工字鋼截面，梁高為700mm，梁間距為1500mm，次梁為工22?；顒又сq座及液壓啟閉機(jī)支鉸座均采用自潤滑關(guān)節(jié)軸承。為了減少橋體重量，適當(dāng)減小鋼結(jié)構(gòu)截面尺寸，活動鋼橋橋體采用Q345B作為主材。

活動鋼橋采用2×2000/2×2000KN的液壓啟閉機(jī)進(jìn)行操作，啟閉機(jī)支鉸安裝高程為-2.885m，油缸工作行程為2012mm，油缸最大行程為2250mm，啟閉活動鋼橋時間為3min，啟閉速度約0.7m/min，液壓系統(tǒng)最大壓力≤20MPa。

3.結(jié)語

白藤大閘通航孔金屬結(jié)構(gòu)已制造安裝完成，運(yùn)行情況良好。該工程外形美觀度要求高，設(shè)計(jì)難度較大。設(shè)計(jì)方案在總結(jié)傳統(tǒng)閘門型式基礎(chǔ)上，探索了新的設(shè)計(jì)思路，使金屬結(jié)構(gòu)的布置合理實(shí)用、欣賞價值高。設(shè)計(jì)過程對水利現(xiàn)代化建設(shè)發(fā)展具有一定價值。

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