淺析蘇州市古城區(qū)“自流活水”溢流堰設(shè)計(jì)

王振紅，管義兵，孫登峰

(江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 蘇州 215128)

1 概述

蘇州作為江南特色水鄉(xiāng)，素有“東方威尼斯”的美譽(yù)。隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展及城市化進(jìn)程加快，蘇州古城區(qū)水環(huán)境遭受了巨大的破壞，雖經(jīng)多種措施綜合整治，但成效并不顯著。總結(jié)以往經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的河道整治多以河道清淤為主，未從根本上解決黑臭河道污染源多、水體流動性差、水體自凈能力喪失等問題。針對蘇州城區(qū)河道上述特點(diǎn)，蘇州市通過建設(shè)“自流活水”工程，加大古城區(qū)內(nèi)河道南北水頭差，營造自流水勢，促使城區(qū)河網(wǎng)水體有序流動，做到“流水不腐”[1]。蘇州古城區(qū)被矩形護(hù)城河環(huán)繞，工程總體布局為通過城市防洪大包圍南北泵站進(jìn)行引排，同時在東西環(huán)城河分別設(shè)閘，加大古城區(qū)河道南北水頭差，調(diào)控內(nèi)城河與外城河分流流量比，從而為古城各片區(qū)的水系提供適宜需水量。

2 閘門型式選擇

工程地處蘇州古城區(qū)，分別位于東西環(huán)城河上，結(jié)合蘇州城市規(guī)劃，以及城市景觀需求，本工程節(jié)制閘結(jié)構(gòu)型式選擇主要考慮：滿足通航及壅水要求、滿足城市景觀要求、滿足安全經(jīng)濟(jì)合理性要求[2]。

節(jié)制閘結(jié)構(gòu)型式由所選用門型決定，常規(guī)閘門型式有直升式平面鋼閘門、升臥式平面鋼閘門、弧形門等，上述門型均能滿足使用功能要求，但均需在水面上設(shè)置排架及啟閉機(jī)房，這樣與蘇州市古城區(qū)護(hù)城河河道景觀協(xié)調(diào)性差。為滿足河道上方通透的景觀要求，亦可選用橫拉式門型，但橫拉門啟閉運(yùn)行需要較大的門庫，本工程場地受限，因此不宜選用橫拉式門型[3]。

隨著新技術(shù)新材料不斷發(fā)展與突破，新型閘門不斷涌現(xiàn)，諸如橡膠壩、氣盾門、底軸驅(qū)動翻板門等。上述閘門均可以滿足臥倒?fàn)顟B(tài)放水、直立狀態(tài)擋水，河道上方通透，不破壞現(xiàn)有景觀等要求，且閘門臥倒后均隱藏于水底，不會影響游船航行安全，低水位時通過小開度溢流形成人工瀑布，亦可營造出特別的景觀效果。蘇州市古城區(qū)護(hù)城河中游船較多，橡膠壩及氣盾門均需要對壩袋或氣囊充排一定數(shù)量的介質(zhì)才能實(shí)現(xiàn)閘門的直立擋水及門頂溢流，啟閉時間較長，達(dá)不到迅速放行游船的要求，而底軸驅(qū)動翻板門正好可以彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，啟閉靈活且結(jié)構(gòu)布置緊湊，搭配適當(dāng)?shù)难b飾景觀效果，使之與周圍環(huán)境融為一體[4- 5]。據(jù)此，蘇州古城區(qū)“自流活水”節(jié)制閘選用底軸驅(qū)動翻板門溢流堰型式。

3 溢流堰閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

溢流堰底軸驅(qū)動翻板閘主要由帶固定底軸的鋼閘門、驅(qū)動裝置等組成，鋼閘門部分包括門葉、底軸、固定底軸的支鉸座、穿墻止水座、拐臂及組成一個完整系統(tǒng)的所有零部件，驅(qū)動裝置采用液壓啟閉機(jī)。通過兩側(cè)液壓啟閉機(jī)驅(qū)動進(jìn)行無級啟閉控制，旋轉(zhuǎn)底軸帶動著門葉可由0°到90°角度旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)閘門在全關(guān)與全開之間可實(shí)現(xiàn)任意角度的位置進(jìn)行壅水，全關(guān)時，可實(shí)現(xiàn)斷流控制。翻板門門體及旋轉(zhuǎn)主軸的總長度均大于9m，為便于運(yùn)輸及安裝，門體及旋轉(zhuǎn)主軸均進(jìn)行分段設(shè)計(jì)，門體最大分節(jié)長度7400mm，旋轉(zhuǎn)主軸最大分節(jié)長度6630mm，分段底軸間采用現(xiàn)場對焊連接，門葉與底軸現(xiàn)場采用螺栓聯(lián)接。為了防止長期運(yùn)行后門葉底部有泥沙淤積，影響閘門正常運(yùn)行，在緊貼閘門下游側(cè)布置了沖於系統(tǒng)，通過在門軸和支枕塊間布置沖於水管，水管上裝設(shè)高壓噴嘴，采用離心泵對抽取的河道水進(jìn)行加壓，從而實(shí)現(xiàn)對閘門底部的有效清淤。溢流堰閘室剖面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 溢流堰閘室剖面結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)“自流活水”工程整體控制要求，活動溢流堰的金屬結(jié)構(gòu)計(jì)算水位組合如下：

設(shè)計(jì)水位(吳淞高程，下同)：上游3.10m，下游2.90m；校核水位：上游3.30m，下游2.80m。

婁門堰閘門孔口設(shè)計(jì)凈寬24m，閘門頂高程3.50m，底軸旋轉(zhuǎn)中心高程0.50m。與常規(guī)平面鋼閘門不同的是，常規(guī)平面鋼閘門采用主橫梁設(shè)計(jì)，底軸驅(qū)動翻板門依據(jù)其特點(diǎn)采用主縱梁設(shè)計(jì)，即門葉部分主要受力構(gòu)件為縱梁，按懸臂梁考慮設(shè)計(jì)[6]。經(jīng)計(jì)算分析，閘門縱梁采用型鋼結(jié)構(gòu)型式，梁系的最大截面高度 400mm，算得梁系最大拉應(yīng)力約為 58N/mm2，最大壓應(yīng)力約為58N/mm2，滿足規(guī)范[7]要求。底軸直徑采用588mm，厚度取40mm，底軸最大扭切應(yīng)力為69.6N/mm2，滿足規(guī)范[7]要求。閘門門體自重約150kN，拐臂長1.64m，校核水位擋水時拐臂與啟閉機(jī)夾角為135°，經(jīng)計(jì)算啟閉機(jī)所承受的最大持住力為620 kN，設(shè)計(jì)采用2×400kN/100 kN分體集成式液壓啟閉機(jī)。

閘門主要材質(zhì)包括門葉、底軸、拐臂等受力構(gòu)件均選用Q235B，本工程工作閘門工作環(huán)境為淡水區(qū)域且水質(zhì)無強(qiáng)酸或強(qiáng)堿性，對鋼結(jié)構(gòu)有弱腐蝕性，根據(jù)SL 105—2007《水工金屬結(jié)構(gòu)防腐蝕設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]，采用了噴鋅+封閉漆+面漆的方式進(jìn)行防腐處理。另增加了鎂基合金犧牲陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)，以增加閘門的耐腐蝕能力。閘門軸承的型式與性能直接影響閘門的安裝、運(yùn)行、檢修與維護(hù)，為便于閘門的安裝，保證其良好的運(yùn)行工況，減少閘門檢修與維護(hù)工作量，設(shè)計(jì)采用自潤滑球面關(guān)節(jié)軸承，同時在軸承座設(shè)置密封圈，防止河底泥沙進(jìn)入。為防止閘門在開啟過程門葉頂部出現(xiàn)門后負(fù)壓，門頂均布置設(shè)計(jì)了門頂破水器結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了閘門頂部水流溢流經(jīng)過破水器時會涌現(xiàn)出水花景象，為適應(yīng)周圍景觀，對破水器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了匹配蘇州當(dāng)?shù)厝宋木坝^環(huán)境的造型設(shè)計(jì)。

4 設(shè)計(jì)創(chuàng)新及改進(jìn)

4.1 集成式液壓啟閉機(jī)的創(chuàng)新改進(jìn)

閶門堰、婁門堰工程地處蘇州古城區(qū)環(huán)城河內(nèi)，土建布置結(jié)構(gòu)局促，傳統(tǒng)液壓工作站布置方案已不能滿足緊湊布置的要求，且由于液壓管路過長，會產(chǎn)生過沿程壓力損失，造成兩液壓缸內(nèi)工作壓力壓差的存在，因此設(shè)計(jì)之初考慮采用集成式液壓啟閉機(jī)布置方案。集成式液壓啟閉機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)布置緊湊、液壓動力站小型化、價格低廉等[9]。但集成式液壓啟閉機(jī)由于結(jié)構(gòu)緊湊而帶來保護(hù)功能相對減弱，同步精度也相對降低；設(shè)備維修保養(yǎng)工作也相對較繁瑣的缺點(diǎn)。最終對集成式液壓啟閉機(jī)采用了分體布置，即小液壓站與液壓缸采用液壓軟管連接分開布置，每個小液壓站單獨(dú)驅(qū)動對應(yīng)的液壓油缸，既做到了液壓站小型化空間布置緊湊，同時這種分體集成式液壓啟閉機(jī)也便于今后設(shè)備維修、保養(yǎng)。同時在液壓油缸上設(shè)置了高精度行程檢測裝置，檢修精度為1mm，當(dāng)閘門行程檢測系統(tǒng)輸出偏差信號時，配套的PLC控制系統(tǒng)分別對兩側(cè)液壓控制閥組進(jìn)行調(diào)節(jié)，使兩側(cè)液壓缸達(dá)到同步。

4.2 無線遙控啟閉技術(shù)

本工程液壓啟閉機(jī)控制柜中配備了無線遙控接收裝置模塊，同時配備的手持無線遙控器可與液壓啟閉機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行連動，通過操作手持無線遙控器即可實(shí)現(xiàn)閘門的開啟與關(guān)閉，因古城區(qū)環(huán)城河游船較多，配置的手持遙控器在河岸地就可實(shí)現(xiàn)一邊觀察上下游的游船通行情況，一邊實(shí)現(xiàn)對閘門的啟閉操控，真正地做到了運(yùn)行管理方便可靠。

4.3 底軸穿墻止水研究

在婁門堰及閶門堰底軸驅(qū)動翻板門旋轉(zhuǎn)底軸穿過兩側(cè)空箱啟閉機(jī)室過程中，設(shè)置了底軸穿墻止水裝置，該止水裝置的嚴(yán)密性直接影響到啟閉機(jī)空箱是否積水及設(shè)備運(yùn)行是否安全，穿墻止水裝置由穿墻止水底座、O型止水橡皮、遇水膨脹膠條、止水壓蓋等零部件組成[10]。為達(dá)到更佳的止水效果，止水橡皮形式采用兩道O型止水橡皮密封圈+兩道遇水膨脹膠條密封圈+一道異型槽型止水密封圈的組合止水設(shè)計(jì)，止水座兩端止水壓蓋采用埋頭螺釘連接方式與止水座相連，通過O型止水橡皮的壓縮變形實(shí)現(xiàn)了止水橡皮密封圈與底軸間的預(yù)壓，預(yù)壓縮量在2mm左右。通水后，啟閉機(jī)控制室在穿墻止水座處有微微滲水現(xiàn)象，但在通水24小時之后，滲水現(xiàn)象消失，經(jīng)分析，應(yīng)是止水膨脹膠條在一定時間的泡水之后，其體積的膨脹使其包括被擠壓的O型止水橡皮密封圈愈壓愈緊，達(dá)到了良好的止水效果。

5 結(jié)語

本文針對蘇州市古城區(qū)河道婁門堰、閶門堰采用底軸驅(qū)動翻板門布置、底軸驅(qū)動翻板門的設(shè)計(jì)計(jì)算方法及設(shè)計(jì)計(jì)算成果作簡要論述，對一些細(xì)節(jié)特點(diǎn)及創(chuàng)新改進(jìn)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)作簡要探討。同時通過分體集成式液壓啟閉機(jī)的研究改進(jìn)及無線遙控啟閉技術(shù)的創(chuàng)新引用，為以后液壓啟閉機(jī)液壓系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)及閘門啟閉操控技術(shù)提供了一個新的思路。