永定新河治理一期防潮闸工程金属结构工程设计浅谈

周梁山 易 伟

永定新河位于天津市区北侧,是天津市北部的防洪屏障,河道开挖于1971年,西起北辰区的屈家店,东至塘沽区的北塘镇入渤海。河道全长66km。永定新河治理一期工程的主要项目有河道清淤以满足洪水下泄;闸下右岸新建码头1座,以解决未建闸前停泊在闸址上游的鱼船停靠问题;新建防潮闸1座以实现洪水控泄、挡潮及阻挡海潮带来的泥沙对闸上河道的继续淤积等。

1 设计方案的选择

由于是在出海口建闸,根据地形和水工要求,防潮闸采用深浅孔结合的布置方式。在工程设计中对这一布置进行了多种方案的比较。方案有大、小孔口方案之分。小孔口布置又分为24孔的小孔口方案1、28孔的小孔口方案2;大孔口布置则为20孔方案,其中大孔口方案又分为固定卷扬启闭机方案和液压启闭机方案。下面就几个方案进行说明和论述。

1.1 小孔口方案1

小孔口方案1即比较方案1。其布置为14孔深孔布置在河道中间,底板高程为-6.0m,孔口净宽为10m,10孔浅孔位于深孔两侧,左边孔为4孔,右边孔为6孔,底板高程均为-4.0m,孔口宽与深孔相同。所有闸门最高挡水位3.43 m。浅孔工作闸门采用10m×7.9m-7.43 m(宽×高-设计水头,下同)的平面定轮钢闸门。由于是挡潮闸,所以闸门需双向止水,止水设在闸门下游侧,闸门动水启闭,启闭设备采用2×400kN的固定卷扬式启闭机。深孔工作闸门采用10m×9.9m-9.43 m的平面定轮钢闸门,闸门止水布置与浅孔相同,动水启闭。启闭设备采用2×630kN的固定卷扬启闭机。启闭机的安装高程18.5m,并设启闭机房。

考虑工作闸门及门槽的检修,在工作闸门的上、下游各布置检修闸门门槽1道(如图1所示)。上下游各设检修闸门3套,每套为叠梁式平板滑动式钢闸门。为了以后工程管理的方便,所有深孔和浅孔共用相同的检修闸门,且所有各节叠梁结构尺寸相同以便于互换。下游检修闸门的检修水位为2.44m,其闸门参数为10m×9.0m-8.44m。上游检修水位1.0m,检修闸门参数为10m×7.5m-7.0m。考虑闸门的启闭设备采用2×100kN移动式电动葫芦,并各配1套机械式自动抓梁用于检修闸门的操作。

图1 比较方案

工作闸门的运行与控制:既可现地操作、又可远程控制,远程控制放在控制室内。检修闸门使用为现地操作,不用时存放在左、右岸的门库内。

1.2 小孔口方案2

即比较方案2,是28孔的小孔口方案,其中14个孔深孔布置在中间,底板高程为-6.0m孔口净宽为10m,14孔浅孔位于深孔两侧,左边孔为6孔,右边孔为8孔,底板高程-2.5m,孔口宽度与深孔相同,所有闸门最高挡水位3.43 m。工作闸门类型与启闭机布置和检修闸门形式及启闭设备布置与比较方案1基本相同。这里不再多叙。从这里看出方案1、方案2的金属结构布置没有多大本质区别。

不论是24孔方案还是28孔方案,由于每孔采用单扇工作闸门进行控制,其运行方式单一,仅能满足泄洪要求。对于河道纳清潮水进行冲淤等其它的运行功能无法满足,所以我们又提出了大孔口的方案。

1.3 大孔口方案

大孔口方案中孔口数量为20孔。其中中孔8孔,底坎高程为-6.0m,最高挡水位3.43 m,每孔设15m×9.8m-9.43 m工作闸门1套。除中孔外,另有12个边孔,在其左、右两侧各6孔对称布置,底坎高程均为-1.0m,设15m×4.8m-4.43 m平面定轮式工作闸门12套。8套中孔工作闸门采用平面双扉定轮式闸门(以下简称:双扉门),和一般上扉门仅能向上运行的普通双扉闸门不同,永定新河防潮闸的双扉门的上、下扉闸门均可独立上下运行。闸门双向止水,上扉门布置在下游侧可以沿门槽上、下移动,从而实现了将海潮表层的清水灌入上游河道内用于河道冲淤等用途。边孔工作闸门亦为双向止水。闸门运行方式如下:纳海潮表层的清水时下扉门关闭,上扉门根据潮位向下移动使潮水进入河道,当河道水位到达冲淤要求时将上扉门恢复原位;冲淤时上扉门不动,开启下扉门利用较大流速进行冲淤;在泄洪时则上、下扉门同时打开到最高位置,左、右边孔亦同时打开,使防潮闸所有孔口敞泄;实现最大泄洪量4820m3/s的要求。

大孔口方案的工作闸门启闭机布置有2个方案,其中方案1为8套双扉门的上、下扉门叶均采用固定卷扬式启闭机操作,上扉门启闭机容量为2×250kN,下扉门启闭机容量2×630kN,2套启闭机安装在孔口上方的机架桥上,高程为14.2m,扬程均为13 m。其它12个边孔闸门也采用2×250kN固定卷扬式启闭机,扬程均为8.5m,安装高程相同。启闭机均设有起升高度传感器和主令开关,启闭机的控制方式为现地操作和远程控制2套方式;方案2双扉门的上、下扉门叶均采用液压式启闭机操作,上、下扉门启闭机的容量与固定卷扬式启闭机相同,2套液压启闭机安装在闸墩上的排架柱上,高程为14.0m,扬程均为12.5m。为了防止海水对活塞杆的腐蚀,在与闸门相连的活塞杆采用国外先进的表面镀陶瓷技术。每孔2套液压启闭机共用1套液压泵站系统,每套液压泵站设2套电机油泵组,互为备用;其它12个边孔闸门也采用2×250kN液压启闭机,扬程均为8.5m,采用普通液压启闭机,由于水闸地处海滨,所以启闭机的活塞杆采用镀铬防腐。每2套启闭机共用1套液压泵站系统,每套液压泵站设2套电机油泵组,互为备用,液压泵站布置在启闭机房内。启闭机控制方式与固定卷扬式启闭机方案相同。

1.4 大孔口方案的比选

大孔口方案1的优点是①布置简明,启闭机房建筑高度低;②固定卷扬式启闭机的造价较低。缺点是①启闭机安装平台高程高;②钢丝绳及动滑轮组长期浸泡在海水中,影响使用寿命,如有淤积物将影响动滑轮组的正常工作;③不锈钢钢丝绳采购难,钢丝绳如需更换时,其工作量巨大,且非常不便,为日常维护带来很大困难;④固定卷扬式启闭机的布置需要机架桥,而该方案机架桥的荷载约1900kN,且跨度在16m之大,土建工程量增加非常大;⑤由于上扉门启闭机的钢丝绳长期处在负荷状态,需设锁锭锁住上扉门,这就影响其泄洪和其它功能的使用,降低了闸门操作的灵活性。

方案2的优点是①采用陶瓷活塞杆可以很好解决海水腐蚀的问题;②免去了固定卷扬式启闭机布置所需的承重机架桥,该方案启闭机布置在闸墩的排架柱上方,而不是在机架桥的跨中,从而减轻了机架桥的承重结构,节省了土建工程量;③液压启闭机日常维护工作量非常小;④由于液压启闭机的液压系统的自锁功能使上扉门无需专设锁锭,闸门运行灵活不影响泄洪等其它功能的实现。缺点是①启闭机造价略高;②启闭机房建筑高度较高;经综合比较将方案2做为最终工程方案,如图2所示。

大孔口的2个方案的检修闸门布置与其它方案基本相同(如图2所示)。为此仅作简单叙述,即每节叠梁高1.8m,所有叠梁可以互换。叠梁采用2×200kN移动式电动葫芦通过机械自动抓梁进行操作。由于启闭容量较大机械抓梁不宜采用重锤式,而改用挂脱自如式机械抓梁。双吊点电动葫芦采用电气同步。防潮闸的左、右岸的控制楼内设有检修闸门门库,叠梁检修闸门不用时存放在门库内。电动葫芦和抓梁亦可放在操作楼的一楼内,以便于保管维护。

图2 工程方案

2 双扉门的几个设计特点

2.1 水封

双扉门孔口宽15m,根据纳潮最低水位0m的要求,双扉门的下扉门门高5.53 m,上扉门门高4.63 m。其支撑跨度为15.4m,闸门总重79.97 t。由于闸门是双向挡水,且又是双扉闸门,闸门的水封布置尤为重要,考虑到闸门只有在全关时才要求上、下游不漏水,在其它工况时不要求闸门水封全部工作,所以水封设计的关键在于上扉门的底、侧水封与下扉门顶部及侧水封的衔接。设计中采用胸墙式连接方式,即下扉门顶部设钢结构胸墙作为上扉门底水封的水封座,具体连接方式如图3所示。

图3 节间封水示意图

2.2 滚轮

双扉门的行走支撑为悬臂轮,由于双向挡水所有悬臂轮也是双向支撑,轮径Φ950mm,材质ZG270-500,单个最大轮压为550kN,由于闸门跨度大,主梁变形会影响悬臂轮正常工作,为此滚轮轴承采用;双金属自润滑关节轴承,尺寸为Φ320/Φ220,该轴承倾斜角为2°足以抵消由于荷载引起的主梁变形对滚轮行走的影响,从而保证闸门平稳运行。为减小下扉门钢结构胸墙的尺寸,上下扉门之间的门槽埋件采用一套钢结构箱型轨道,并在一期混凝土中按照二期精度埋设。

2.3 闸门与启闭机的连接

双扉门的启闭分别采用两套液压启闭机操作上、下扉门,液压启闭机通常采用活塞杆通过关节轴承与闸门上的吊耳轴直接相连的方式连接。而在本工程中液压启闭机工作行程12.3 m,最大行程12.5m,安装在启闭机排架柱上(参见图1)。为了防止因制造、安装等因素造成闸门可能发生侧向位移时引起活塞杆承受弯矩,在设计中采取了下列措施:①所有液压启闭机油缸上部与法兰连接,法兰底面为一球面并与机架顶部球面接触,使油缸能在最大行程范围内向任何方向摆动,以补偿启闭机及门槽安装的误差;②在闸门吊耳和活塞杆吊头之间加一节短拉杆,由于短拉杆两端均是铰接,所以活塞杆不再承受由于闸门可能发生侧向位移时所引起的弯矩。通过以上两个措施以保证液压启闭机正常运行。

3 液压启闭机主要技术特点

永定新河防潮闸工程采用的液压启闭机为QPPY-Ⅱ型单作用活塞式液压启闭机,仅从活塞杆表面防腐技术上分,本工程有两类液压启闭机。第1类型是常规活塞杆表面镀铬技术液压启闭机;第2类型是先进的活塞杆表面镀陶瓷技术液压启闭机。前者用于左、右边孔和中孔上扉门的启闭机;后者用于长期处于海水浸泡的中孔下扉门液压启闭机。活塞杆表面镀陶瓷技术较常规技术有两个优点,其一正如前面所提到的耐腐蚀性;其二是该技术还复合了增量式无触点行程测量装置CIPS技术,使液压启闭机设计中无需在液压缸内另置传感设备从而减短了液压启闭机的长度尺寸。此外该技术精度高,传感器测量在精度1mm以内。可以保证传感器双路信号同步输出,并由自动控制的液压系统完成其纠偏动作,从而使液压启闭机双缸工作时尽量同步。常规液压启闭机的行程传感器采用内置钢丝绳卷筒式,增大了液压启闭机的长度尺寸且有钢丝绳疲痨松弛后降低测量精度的缺点。

4 金属结构防腐设计

永定新河防潮闸工程位于渤海湾永定新河出口处,闸的上、下游均是海水,工作闸门及所有埋件长期浸泡在海水中,采用普通防腐方案很难保证闸门长期正常工作而不受海水的侵蚀。为此采用了热喷涂金属保护加环氧类封闭涂料+阴极保护牺牲阳极法的联合防腐方案。由于阴极保护牺牲阳极法的闸门防腐应用的较少,所以仅就这方面进行简要的介绍和说明。

防潮闸金属结构采用的是牺牲阳极法。阴极保护范围是防潮闸的所有工作闸门、工作闸门埋件及所有检修闸门埋件。设计保护年限15年,阳极采用铝合金块。布置方式闸门按上、下游水位分别布置阳极块;埋件则分别布置在正、反轨及底坎上。阳极总用量约14.856 t。

5 结 语

永定新河一期工程金属结构大孔口方案为防潮闸提供了新的运行方式,工作闸门采用的超大型双扉闸门,在国内亦为罕见;镀陶瓷活塞杆液压启闭机在国内也是先进的液压启闭机机型;闸门及埋件采用热喷涂金属保护加环氧类封闭涂料+阴极保护牺牲阳极法的联合防腐方案亦为工程实际所需;永定新河防潮闸共有工作闸门20套、检修闸门4套、各类闸门埋件60套、液压启闭机28套、移动式电动葫芦2套等设备,总计金属结构工程量约1879 t。