唐山環(huán)城水系船閘設計

楊克昌

（河北省水利水電勘測設計研究院，天津 300250）

唐山環(huán)城水系船閘設計

楊克昌

（河北省水利水電勘測設計研究院，天津 300250）

針對唐山環(huán)城水系景觀河道船閘的設計要求及設計工況，從船閘的總體布置、一字閘門結構設計措施及啟閉機控制等方面分別進行了闡述。在閘門結構設計措施中，頂樞采用拉桿、底樞采用蘑菇頭、工作橋采用桁架結構。在啟閉機控制中，采取了現(xiàn)地手動和現(xiàn)地自動兩種方式。為城市景觀河道船閘工程提供了設計實例。

船閘；一字閘門；頂樞；底樞；液壓啟閉機；電氣控制

1 工程概況

河北省唐山市環(huán)城水系由陡河、李各莊河、新開河、青龍河、東湖、西湖、南湖組成的河河相連及河湖相通的大小不一的水循環(huán)體系。其中陡河是循環(huán)水系中最大河流，城區(qū)段15.28km，市區(qū)上游至陡河水庫段11km，總長26.28km。為滿足環(huán)城水系景觀的需要，除了依靠陡河水庫調節(jié)向環(huán)城水系補水，當前重點是需對陡河進行綜合整治，以使河道常年有流水，確保河流的景觀價值。陡河防洪排澇綜合整治工程實施后，在確保唐山市防洪排澇安全的同時，還能夠提升唐山市城市文化品位、城市整體形象和競爭力。為此市政府擬在河湖相通環(huán)城水系上打造旅游通航線路，使陡河段達到游船通航條件，逐步實現(xiàn)“水系繞城轉，我在水上游”美輪美奐的水城畫面。為實現(xiàn)此目標，在整個陡河段修建6座船閘，依次為后屯橋船閘、北外環(huán)橋船閘、河茵橋船閘、建華橋船閘、華新橋船閘和勝利橋船閘。

2 船閘的選型

通過調研，并與業(yè)主、道橋設計院協(xié)商，陡河通航擬滿足20人游船通航要求。通航設計采用船閘上下雙向航道，航道集中布置在一側，根據(jù)游船寬度及行洪要求，確定航道單寬為5.0m。船閘采用升臥門、橫拉門和一字門均滿足通航要求。①采用升臥門，需在閘墩頂部設置機架橋，啟閉機布置在機架橋上，雖滿足功能要求，但影響了整體的景觀效果；②采用橫拉門，雖滿足了景觀要求，但要將其拉入閘墩內，需要較大的空間，由于陡河不僅是景觀河道，還擔負著重要的行洪任務，因此船閘的設置不應占行洪斷面，而兩岸又沒有足夠的空間，總體布置難以實現(xiàn)；③采用一字門，閘門平開，即擋水和開啟均在孔中，既解決了空間布置的問題，又滿足了景觀效果的要求。因此，6座船閘均采用平開一字型閘門。閘門采用滑塊支承，封水采用P型橡皮單向封水，啟閉機設置在閘門的上游，采用集成式液壓啟閉機。閘門操作方式為靜水啟閉，廊道充水平壓。

3 船閘設計工況

由于陡河不僅是景觀河道，還是行洪河道，故船閘汛期需要泄洪時全開行洪。船閘閘門在開啟時上、下游水頭差不大于200mm。根據(jù)陡河蓄水建筑物的運用條件和陡河的來水特性，確定6座船閘的設計工況見表1：

表1 陡河船閘設計指標

4 船閘總體布置

根據(jù)業(yè)主要求，船閘設計采用上下雙向航道，航道集中布置在一側，共2孔，每孔凈寬為5.0m。每個航道設置上閘首、下閘首和閘室段，上閘首長度為15m，下閘首長度為14.5m，閘室段長度為18m。上、下閘首通過單側充水管道平壓，充水管道直徑為1000mm。充水管道閘門采用潛孔式平面鋼閘門，充水管道閘門啟閉機和一字閘門啟閉機均采用集成式液壓啟閉機，啟閉機布置在兩側邊墩的啟閉機室內，一字閘門啟閉機布置在閘門的上游側，充水管道閘門及其啟閉機布置在一字閘門啟閉機的上游側，充水管道啟閉機與一字閘門啟閉機共用一個啟閉機室。兩側邊墩厚度為4.5m，中墩厚度為1.4m。門翕長度為6060mm，深度為800mm，中墩門槽深度為400mm。為防止游船與閘墩相碰及出現(xiàn)緊急情況避險，航道兩側設置護舷、爬梯及系船柱等安全設施，在閘墩頂部設置交通信號燈及照明燈。為防止充水管道淤積，充水管道閘門底坎高程應高于閘室底板0.2m；為防止管道充水時出水口產生的水流對游船的沖擊及水流紊亂對游船產生不利影響，上、下閘首之間的出水口應設置在閘室底板下部。由于汛期行洪時啟閉機室頂要過洪水，因此控制室布置在右岸堤頂，且閘墩啟閉機室內所有設備均應滿足過水要求，電機采用潛水電機，外露液控、電控接頭及其元器件做防水處理。電控柜放在右岸堤頂?shù)目刂剖覂龋谙麻l首兩邊墩上游側設置電纜井，通過電纜井、電纜溝和埋管將動力電纜和控制電纜分別連接到上、下閘首啟閉機室內。為方便閘門檢修，在上閘首的上游側和下閘首的下游側均設置檢修門槽。船閘閘首的具體布置見圖1。

5 船閘閘門結構設計措施

船閘閘門結構主要由閘門頂、底樞結構和閘門其他結構組成。其他結構包括門葉、工作橋、止水及埋件，其中頂、底樞結構是閘門結構的關鍵部位。閘門除滿足強度和剛度外，還應

圖1 般閘閘首平面布置圖

能抵抗閘門在自重和外力作用下產生的扭矩，現(xiàn)分述如下：

5.1 頂、底樞結構

頂、底樞結構對一字門來說至關重要，其設計是否合理直接影響到閘門的啟閉是否通暢，運轉是否靈活。

頂樞是防止門扇傾倒的上部支承，利用頂樞可以調整門扇轉動軸，使門扇保持垂直位置，故頂樞的拉桿應為兩根。為使拉桿不受壓力，設計時使兩根拉桿分別平行于門扇在開門位置的門軸線和門扇在關門位置的門軸線。在拉桿設計中，采用差動螺絲作為調整器，便于調整其長度。頂樞結構見圖2。

圖2 頂樞平面布置圖

底樞主要由蘑菇軸頭、軸承臺及軸承巢組成，其結構應滿足在閘門徑向變位時，避免承受過大的橫向水平荷載。

頂、底樞的軸承材料具有較高的物理、化學及結構穩(wěn)定性，具有較低的吸水率和良好的自潤滑能力，較強的抗泥沙特性，較長的使用壽命。本工程采用了工程塑料合金自潤滑軸承。該軸承是一種新型的單體復合材料，不僅硬度小，而且耐磨性更優(yōu)越。雖然它變形能力強，但其抗壓強度大，達到50MPa，能較好地滿足了強度要求。它具有自潤滑性能，在工作中不需添加潤滑劑，給管理維護帶來了方便，有利于閘門的安裝及安全運用。除此之外，軸承與軸的摩擦系數(shù)小，無潤滑時為0.16，水潤滑時為0.05，油潤滑時為0.02，降低了船閘的啟門力。

5.2 閘門其他結構

閘門其他結構由門葉、工作橋、止水及埋件組成。門葉材料為Q235B，由面板、次梁和主梁組成。門葉采用等高連接，主梁高度為450mm。為增加閘門整體剛度，中間兩垂直次梁處設置十字支承；工作橋材料為Q235B，由槽鋼、角鋼、花紋鋼板和鋼管組成。工作橋采用桁架結構，支承在閘門頂梁的腹板處，橋面采用花紋鋼板，凈寬為600m，欄桿采用鋼管，高度為1000mm；底、側止水均采用P45型橡皮，單向止水，橡皮通過壓板、墊板及螺栓固定在門葉面板上，橡皮壓縮3mm，超過3mm后，固定在面板上的滑塊與埋件接觸，所有止水螺栓均要鍍鋅鈍化，橡皮接縫處用氯丁橡膠粘牢；埋件主材采用Q235B，迎水面材料為1Cr18Ni9Ti，底坎埋件高出底板400mm，閘門關閉時，底止水靠在底坎埋件側面，底樞底部設置軸承臺，直徑為500mm，側埋件采用工字型組合梁，頂、底樞拉桿處預埋M36螺栓。

6 啟閉機布置選型與控制

6.1 啟閉機布置選型

船閘一字閘門及充水管道閘門啟閉機均采用油箱、泵組、電機與油缸集成在一起的集成式液壓啟閉機，每臺啟閉機配1套備用手動泵組系統(tǒng)，一字閘門啟閉機油缸采用臥式布置，充水管道閘門啟閉機油缸采用立式布置。除電氣控制柜布置在右岸堤頂?shù)目刂剖覂龋溆嘣O備均布置在邊墩啟閉機室內。油缸行程指示及位置控制系統(tǒng)采用內置式閘門開度檢測裝置。液壓缸活塞和活塞桿主密封均采用德國MERKEL公司進口的優(yōu)質多唇V型組合密封圈，靜密封采用美國PARKER公司進口的O型密封圈，密封性好，使用壽命長。另外，油缸還裝有優(yōu)質防塵圈和刮污圈，有效地保護了活塞桿。液壓缸端蓋法蘭與缸體的連接采用高強度內六角頭螺釘固定，布置上采用高密度方式，使連接強度均勻。液壓缸缸體及活塞桿材料均為45號鋼。一字閘門啟閉機容量為200kN，工作行程為2.2m，最大行程為2.3m，啟門壓力為9.2MPa，閉門壓力為6.4MPa。充水管道閘門啟閉機容量為100kN，工作行程為1.05m，最大行程為1.1m，啟門壓力為8.2MPa，閉門壓力為6.4MPa。

6.2 啟閉機控制

啟閉機控制方式為現(xiàn)地手動和現(xiàn)地自動兩種方式，每種方式互為閉鎖。在設備調試、檢修階段，以及在自動操作失靈的緊急情況下，將控制開關打在手動方式，采用手動操作，可實現(xiàn)油泵的起、停操作，閘門的開、關、停操作，閘門開度預置操作，從而對閘門的單步啟閉進行控制。在設備調試正常后，將閘門控制開關打在自動方式，采用PLC自動操作。PLC主要負責對閘門的運行狀態(tài)，閘室的內外水位，閘門的開度等數(shù)據(jù)進行實時采集和處理，并將運行數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機。操作人員可以通過控制柜上的按鈕、開關等，對啟閉機、閘門進行現(xiàn)地控制。船閘控制系統(tǒng)設置在控制室內，包括閘門控制柜，綜合控制柜，PLC柜等設備，柜內安裝有PLC、電量、閘門開度荷重的采集裝置和開關量輸入輸出繼電器等元件。操作人員可以在控制室內實現(xiàn)對閘門的實時監(jiān)控。系統(tǒng)具備通訊端口和開放的通訊協(xié)議，便于在未來并入遠程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)梯調控制。

7 結語

（1）平開式一字閘門，既解決了空間布置的問題，又滿足了景觀效果的要求，適用于城市河道有通航要求的景觀工程。

（2）充水管道進、出水口的布置，不僅要滿足淤積的需要，還要考慮水流條件及充水時間的要求，因此對于游船運行的效果至關重要。

（3）頂、底樞軸承結構要具有較高的物理、化學及結構穩(wěn)定性，具有較低的吸水率和良好的自潤滑，這些直接影響閘門啟閉的通暢性。

（4）在啟閉機設計中，傳感器采用內置式位移傳感器，主密封采用德國進口的多唇V型組合密封，控制實現(xiàn)現(xiàn)地手動和現(xiàn)地自動兩種方式，在自動控制中，通過PLC來實現(xiàn)閘門和啟閉機的實時監(jiān)控。

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Lock Design Introduction of Water Round System in Tangshan City

YANG Ke-chang
（Hebei Research Institute of Investigation&Design of Water Conservancy&Hydropower，Tianjin300250，China）

According the river lock design requirements and conditions of Tangshan city water round system,the lock is expounded respectively from the aspects of overall layout,structure design of gate and the hydraulic hoist control.In the design of gate structure,draw bar and mushroom is adopted respectively in the top and bottom piovt,the operating bridges is title frame.The hydraulic hoist has two kinds of control ways of local manual control and local automatic control system.The design provides an example for the city landscape river lock engineering.

lock;a gate;top pivot;bottom pivot;hydraulic hoist;electric control

TV34

A

1672-9900（2011）05-0045-03

2011-09-06

楊克昌（1973—），男（漢族），河北文安人，高級工程師，主要從事水利工程金屬結構專業(yè)設計工作，（Tel）15900361915。