廣州市增城區初溪水利樞紐船閘工程金屬結構設計

鄔顯強 鄭建坤 李強 黃亞棟

摘要：廣州市增城區初溪水利樞紐船閘工程位于增江畫廊，景觀要求高，船閘使用頻繁，對船閘的金屬結構設計提出了較高要求。結合該船閘的特點及樞紐布置方案，運用BIM技術，從景觀效果、可靠性、經濟性等方面，對船閘閘門及閘門啟閉設備的布置選型、主要技術參數選取、設計思路等方面進行了研究，探討了浮式系船柱的布置選型、結構設計。相關成果可為同類工程設計提供借鑒和參考。

關鍵詞：金屬結構設計;船閘工程;BIM;初溪水利樞紐;廣州

中圖法分類號：U641

文獻標志碼：A

DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.07.009

1 工程概況

初溪水利樞紐船閘工程位于廣州市增城區增江下游新開河段，是增江13級開發的最后一個梯級。工程含攔河壩、發電廠房、排澇渠、交通橋、船閘等單項工程。攔河壩設水閘2l孔，總長188.4m，電站裝機3臺共6 000 KW機組，船閘工程批復按V級通航標準設計。該樞紐工程已于2003年完成主體工程建設并已驗收結算，由于多方面原因，船閘工程未能實施。初溪水利樞紐船閘工程鳥瞰效果見圖1。

近年來，為開發增江生態旅游經濟帶，實現通航功能，啟動了船閘建設。根據《廣州市增城區人民政府關于初溪水利樞紐船閘工程建設規模的函》及JTJ305-2001《船閘總體設計規范》[1]，船閘為V級，單線一級船閘，閘首和閘室級別為3級，導航、靠船建筑物級別為4級。閘室有效尺寸120 mx12 mX3.5 m（長×寬×最小檻上水深），上引航道寬57.8 m，下引航道寬44.5 m。船閘總長166 m，其中上下閘首分別長2lm和20 m，閘室長度126 m，船閘凈寬12 m。

增江畫廊是全國第十一批國家水利風景區之一，也是2011年廣東省唯一獲得該稱號的水利風景區，該項目位于增江畫廊的起點。初溪船閘作為增城區1號水利項目，具有較高的旅游和房地產開發價值。設計中金屬結構選型布置需與增江畫廊的高品質定位相協調，滿足周邊景觀要求是船閘金屬結構設計的關鍵所在。

2 工作閘門及啟閉設備

2.1 門型比選

根據水工樞紐要求，閘首工作閘門要求單向擋水，垂直提升平板門、橫拉門、三角閘門、有軌雙開弧門及人字門等5種門型均能滿足單向擋水要求。從景觀效果、經濟合理性、安全可靠性、適用性和運行維護等方面對5種閘門門型進行了比選。

（1）垂直提升平板門采用臺車式啟閉機操作，在閘頂布置啟閉機排架橫跨閘室，當閘門提升至閘頂后，臺車沿垂直船閘軸線方向行走至閘室以外，以滿足船舶過閘通航凈空的要求。該門型閘首短、投資省、方便可靠，適用于小孔口、低水頭輸水船閘。但該閘門需要啟閉力大、啟閉時間長且設高排架，影響美觀。

（2）橫拉門采用液壓啟閉機操作，啟閉力相對較小。當閘室寬度較大時，液壓啟閉機行程也隨之變大，運行穩定性差，且橫拉門門底容易淤積，船閘需設置較大的門庫，結構復雜，適用于小孔口、低水頭船閘。

（3）三角閘門、有軌雙開弧門可雙向擋水，不設置排架，閘門門型美觀、景觀效果好。有雙向擋水要求的船閘主要采用三角閘門，例如，黃田港船閘、高港樞紐二線船閘等。但該門型兩側需要閘墩較厚，工程量較大，造價較高，常用于雙向擋水的船閘、景觀要求較高的船閘。

（4）人字門單向擋水，受力明確，結構剛度大，制造安裝方便，工程量小，運行可靠，應用廣泛。國內三峽工程5級船閘、葛洲壩船閘等大型船閘大多采用人字門。根據船閘水工樞紐要求，船閘單向擋水，具備靜水啟閉的條件。JTJ 308-2003《船閘閘閥門設計規范》[2]規定“承受單向水頭在靜水條件下啟閉的工作閘門宜采用人字閘門”。

該水工樞紐船閘要求單向擋水，船閘工作閘門孑L口寬度為12 m，下閘首孑L口尺寸達12 mx12.5 m，規模較大，且景觀要求高，綜合以上各工作閘門的優缺點及適用條件，選用人字門門型，液壓啟閉機布置簡單，操作靈活，便于實現自動化控制，啟閉設備采用液壓啟閉機。

2.2閘門及啟閉設備設計

2.2.1 船閘設計特征水位

樞紐正常擋水位為6.50 m，上游校核洪水位（P=1%）9.90 m，上游最高通航水位7.09 m（P=20%）。

2.2.2 人字門設計

工作閘門采用人字門，臥式直推式液壓啟閉機操作，分別設置在上、下游閘首。閘門關閉時，閘門軸線與閘首橫軸線夾角為22.5。。初溪船閘人字閘門及啟閉機布置見圖2。船閘上下閘首孔口寬度為12 m，上閘首底檻高程1.50 m，下閘首底檻高程-4.0 m。上閘首兼有擋洪功能，設計水頭為8.4 m，門扇計算寬度為6.986 m，門扇高9.625 m，厚0.7 m。下閘首工作閘門設計水頭為7.29 m，門扇計算寬度為6.986 m，門扇高13.425 m.厚0.7 m。

人字門門體結構設計依據等荷載原則，采用主橫梁方式布置。主橫梁與面板、門軸柱、斜接柱等構成門葉擋水支承系統。上、下閘門厚度均為700 mm，門頂設有工作橋，門背設工作爬梯。上下閘首人字門均為多主橫梁結構。主橫縱次梁均為實腹工字（或“T”型）組合梁，梁格同層布置，門葉門軸柱和斜接柱均采用閉口式截面，具有較大的抗扭剛度。上下閘門支承運轉主要部件盡可能采用統一規格，方便制造和安裝。

三鉸拱人字門采用連續鋼支承方式將反力傳遞于閘首邊墩，并兼作側止水。門扇支承中心位于門龕邊墩墻面內646 mm。底樞為固定式，球徑110 mm。閘門頂樞采用三角桁架式。上下閘首人字門均采用臥式直推式液壓啟閉機，啟閉方式為靜水啟閉，且按剩余水頭差0.15 m考慮。

門軸柱和斜接柱截面形式為閉口式，門軸柱支承在頂樞和底樞上。門軸柱、斜接柱處支、枕墊塊對應主梁端部設置，采用分塊式支承、枕墊接觸。在閘門與閘墻之間設置側止水，在兩扇閘門之間的接縫處設置中間止水，并與P型橡膠底止水形成封閉的閘門止水線。門背一側（下游面）布置十字交叉背拉桿[3]。

頂樞是防止門扇傾斜的上部支承，利用頂樞可以調整門扇轉動軸，使門扇保持垂直。頂樞為三角形桁架式。閘門的調整裝置采用雙向螺紋式，前、后拉桿采用45號優質鍛鋼，并在表面鍍鉻0.1-0.3 mm。頂樞軸座采用螺栓連接安裝于門軸柱頂部，拉桿的調節采用雙向螺紋式法蘭螺母;頂樞軸以簡支方式固定于頂樞軸座中。拉桿的錨定結構為豎向三角形桁架，下部增設預應力錨桿，錨固結構埋設于閘墻混凝土中。

底樞為固定式結構，底樞半圓球軸材料為40Cr鋼鍛制，承軸巢采用自潤滑免維護球面滑動軸承，其材質為Q235B、MGB，摩擦系數0.06～ 0.08。底樞的基座埋設于混凝土中，承軸臺嵌入基座上部的弧形槽內，弧形槽的半徑與承軸臺的半徑相同。液壓啟閉機推拉桿與閘門連接為簡支豎軸式。軸座采用螺栓連接安裝在頂主橫梁腹板上，并增設剪力板。初溪船閘人字閘門BIM模型見圖2。

2.2.3 液壓啟閉機設計

人字門采用QRWY2x320kN/2x320kN臥式液壓啟閉機操作，啟閉機工作行程2 873 mm。

為保證通航效率，縮短船只通航過閘時間，液壓啟閉機啟門時間為4 min，閉門時間為4 min，啟門速度為0.5 m/min，液壓系統最大壓力不大于16 MPa。液壓泵站采用比例泵進行控制。啟閉機活塞桿選用陶瓷活塞桿，以提高活塞桿的耐腐蝕性，液壓缸的行程檢測裝置采用與陶瓷活塞桿結合使用的絕對型內置式行程檢測傳感器。

絕對型傳感器配套的陶瓷活塞桿上的刻度溝槽采用二維碼原理設計，每處溝槽均不相同，傳感器放置滿足任意位置均可準確讀出活塞桿的要求。在液壓缸或系統的內部因泄漏而產生沉降時能保證絕對數據信號，主要優點有：①結構緊湊、體積小，直接安裝于液壓缸的下端蓋上，便于安裝檢修;②實現了行程檢測裝置的高檢測精度和高抗干擾性能，保證了開度檢測及控制的精確性和設備運行的可靠性;③活塞桿任意位置輸出唯一數據，與運行狀態前后數據無關;④采用定制硬件邏輯，抗干擾能力極強，即使存在干擾，也能瞬間恢復數據;⑤上電后即得當前準確位置值，無論活塞桿是否移動，不受斷電時間限制;⑥分辨率0.5 mm，防護等級IP68，滿足長期泡水要求。液壓啟閉機可由中控室遠程控制，也可在當地操作。

2.3 檢修閘門及啟閉設備

2.3.1 檢修閘門設計

浮體閘門在船舶工程、水利工程中應用廣泛，如葛洲壩樞紐工程船閘浮式檢修閘門、富春江水電站溢洪道浮式檢修閘門、沙溪口水電站浮式檢修閘門、漢江崔家營航電樞紐工程船閘浮式檢修閘門、荷蘭新沃特偉赫河防浪閘門等。浮體閘門不需要專設啟閉設備，可利用自身浮力自由浮動，運輸方便[4]。疊梁閘門利用多節單獨的梁體疊放形成一個完整的平面擋水結構，各節可互換，通用性較好，且降低了單節的高度和重量，便于制作、安裝及運輸。設計擬結合浮體閘門和疊梁閘門的特點，采用浮式疊梁閘門，其通用性好.安全可靠，便于使用[5]。浮式疊梁檢修閘門設計主要考慮單節閘門的自浮性，單節閘門擋水的強度、剛度要求及止水密封性等問題。

初溪船閘是增江下游船舶的進出通道，船閘運行直接影響增江航運的發展，因此，檢修時間不宜過長。根據樞紐運行條件、水文情況、航運檢修能力和持續時間等要求，上游檢修水位采用樞紐正常蓄水位6.5 m，下游檢修水位采用設計發電流量147.90 m3/s，相應下游水位1.2 m。為了保障船閘工作閘門及充泄水閥門的檢修，在各工作閘門的外側各設置一扇浮式疊梁檢修閘門，上下閘首檢修閘門高度均為6m。閘門封水型式為背水側封水，側封水采用P型橡皮，底封水采用條型橡皮。依靠水壓力和門體自重形成止水線。檢修閘門結構見圖3，閘門單節高度為Im，共6節，單節重量G！。約5.5 t，通過計算閘門空箱部分排開水的體積，求得單節閘門的浮力Fo約5.8 t。當Go< Fo時，單節閘門在門槽中可自浮;當總浮力∑F<總重力∑G（∑F=5Fo=29 t，∑G=6Go=33 t）時，閘門可在設計水位下就位并保證閘門密封性。

2.3.2 啟閉機設計

閘門在靜水中下門，當閘室檢修完畢后，閘室進行充水，在水頭差小于Im時將閘門完全提起[6]。檢修閘門啟閉力僅為2x50 kN，采用浮吊啟閉，不需要配置臺車及其他操作設備，既簡單美觀又節省造價。

2.4 充泄水閥門及啟閉設備

2.4.1 充泄水閥門設計

初溪船閘上、下閘首的輸水系統均采用短廊道輸水對沖消能的型式。輸水廊道工作門采用平板滾動鋼閘門，工作閥門需要每5a檢修1次，檢修主要是更換止水橡皮及滾輪，檢修時間較短，不會對通航造成較大影響，因此考慮不設置檢修閥門。閘首結構簡單美觀，優化設計的同時節省了工程投資。

船閘充泄水閥門較多采用“固定卷揚機+平板閘門”的型式，但初溪船閘對景觀要求高，不適宜設置較高的啟閉機排架。經對比研究，采用“液壓啟閉機+平板閘門”的型式可避免設置排架，且合理布置，可做到液壓啟閉機不外露，滿足景觀要求。

閥門處廊道的斷面尺寸為2.00 mx2.00 m（寬×高，下同），廊道進、出口斷面均擴大為3.00 mX2.00 m。船閘輸水閥門的工作條件為動水開啟、靜水關閉，事故狀態可動水關閉。上、下閘首工作閥門共4扇，閥門高2.3 m，寬2.396 m，厚0.508 m，面板均向下游面布置。

工作閥門的門體結構由面板、縱梁、主橫梁、側擋、行走裝置、止水裝置、吊耳組成，為實腹式板梁結構。每扇閥門設4個行走主滾輪和4個側擋，為防止閥門漏水，在門體結構與廊道孔口之間設有止水，底止水采用平板橡皮，頂、側止水采用P型橡膠復合水封，連接處熱膠合，保證其嚴密性。建立了充泄水閥門BIM模型見圖4。

2.4.2 液壓啟閉機設計

單側設充泄水閥門及啟閉設備1套，充泄水閥門采用QPPY-250kN-2.7 m液壓啟閉機，與同側人字門共用1套液壓控制系統。液壓啟閉機與工作閥門之間設置吊桿。液壓啟閉機最大啟門力為250kN，最大行程2.7 m，啟門速度為0.5 m/min，系統工作壓力不大于16 MPa。為了提高液壓啟閉機操作運行的精確性，傳感器的精度要求不大于1 mm。由于船閘人字門和充泄水閥門不同時工作，上、下閘首單側人字門和充泄水閥門共用1套液壓泵站系統，每個系統均設有2套油泵電機組，“一用一備”提高了液壓啟閉機運行的可靠性。由于左、右側充泄水閘門距離較遠，難以通過液壓系統實現同步操作，因此在電氣設計中采用了先進的PLC同步控制系統，可依據船閘及充泄水閘門的工作流程編制控制程序，完成充泄水閘門當地、遠程的自動化操作，滿足同步性要求[7]。

2.5 浮式系船柱

為了保證船舶過閘安全，國內已建或在建的類似船閘的閘室均采用浮式系船柱，如葛洲壩一號船閘、清遠北江水利樞紐工程等。初溪船閘上下游水位變幅大，浮式系船柱可隨水位變化與船舶同步浮動[8]，可在閘室充泄水過程中保護船舶安全（見圖5）。

浮式系船柱設計的關鍵在于結構自浮性、浮動平穩性、結構強度等因素。浮式系船柱設計共2層，每層系船架與下部浮筒、系船柱均采用可拆卸連接，承載力和性能得到進一步提高。系船柱造型簡潔美觀，滑道結構簡單，便于維護。

浮式系船柱由浮筒、支撐架、導向滾輪及系船柱組成，支撐架設置在浮筒上。系船柱分兩組，分別布置在浮筒和支撐架的頂部。導向滾輪共6組，分別布置在于浮筒上部、底部和支撐架頂部的兩側;每組導向滾輪包括橫向的主滾輪和縱向的側滾輪，橫向主滾輪和縱向側滾輪上下為層疊設置，且滾動軸相互垂直。浮式系船柱的結構見圖5，系船柱包括浮筒和滑槽。浮筒為圓柱形，筒外徑φ900mm，高4.0 m，主要由筒體和運行滾輪組成;每只浮筒有4個運行滾輪，滑槽結構由角鋼、鋼板和錨筋焊接而成。系船柱運行時浮筒吃水深度3.2 m，纜帽露水面0.8 m。船只進入閘室，纜繩套在系船柱上，浮筒隨水位上升，可起到升降船只和保證安全的作用。

3 結論

（1）增城區初溪水利樞紐船閘工程于2017年4月13日開始施工，目前其金屬結構已安裝完成并投入使用，能夠滿足船閘使用要求。

（2）針對初溪船閘景觀要求高、船閘使用頻繁的特點，金屬結構設計中應特別注意閘門、啟閉機布置選型比較，金屬結構布置簡潔美觀、節省了工程投資，提高了運行的可靠性。

（3）船閘工作閘門液壓啟閉機活塞桿采用陶瓷活塞桿，大大提高了活塞桿的耐腐蝕性。行程檢測裝置采用與陶瓷活塞桿結合使用的絕對型內置式絕對型行程檢測傳感器，保證了設備控制的精確性和設備運行的可靠性，具有一定創新性。

（4）船閘充泄水閘門布置采用“液壓啟閉機+平板閘門”的型式，液壓啟閉機不外露，閘頂簡潔美觀，液壓啟閉機操作靈活、可靠性好。

（5）采用BIM進行設計，準確計算了浮箱檢修閘門的浮力、浮式系船柱的吃水線，能夠精確統計工程量。

參考文獻：

[1]JTJ 305-2001船閘總體設計規范[S].

[2]JTJ 308-2003船閘閘閥門設計規范[S].

[3]薛桂榮.春天湖船閘樞紐金屬結構設計[J].山西水利科技，2007（3）：47-48.

[4] 張晴，謝立華，周軍.金清老港通航排水閘檢修浮動閘門設計[J].水利規劃與設計，2013（6）：80-82.

[5] 王秀珍.浮箱式疊梁門設計與計算[J].港口科技，2017（6）：22-28.

[6]SL 74-2013水利水電工程鋼閘門設計規范[S].

[7]岑從定.紅船豆水電站船閘金屬結構設計[J].水電站機電技術，2013（4）：45-47.

[8]李家熹，淺談船閘浮式系船柱的使用和維護[J].水運工程，1989（2）：23-25.