唐山环城水系船闸设计

杨克昌

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

唐山环城水系船闸设计

杨克昌

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

针对唐山环城水系景观河道船闸的设计要求及设计工况，从船闸的总体布置、一字闸门结构设计措施及启闭机控制等方面分别进行了阐述。在闸门结构设计措施中，顶枢采用拉杆、底枢采用蘑菇头、工作桥采用桁架结构。在启闭机控制中，采取了现地手动和现地自动两种方式。为城市景观河道船闸工程提供了设计实例。

船闸；一字闸门；顶枢；底枢；液压启闭机；电气控制

1 工程概况

河北省唐山市环城水系由陡河、李各庄河、新开河、青龙河、东湖、西湖、南湖组成的河河相连及河湖相通的大小不一的水循环体系。其中陡河是循环水系中最大河流，城区段15.28km，市区上游至陡河水库段11km，总长26.28km。为满足环城水系景观的需要，除了依靠陡河水库调节向环城水系补水，当前重点是需对陡河进行综合整治，以使河道常年有流水，确保河流的景观价值。陡河防洪排涝综合整治工程实施后，在确保唐山市防洪排涝安全的同时，还能够提升唐山市城市文化品位、城市整体形象和竞争力。为此市政府拟在河湖相通环城水系上打造旅游通航线路，使陡河段达到游船通航条件，逐步实现“水系绕城转，我在水上游”美轮美奂的水城画面。为实现此目标，在整个陡河段修建6座船闸，依次为后屯桥船闸、北外环桥船闸、河茵桥船闸、建华桥船闸、华新桥船闸和胜利桥船闸。

2 船闸的选型

通过调研，并与业主、道桥设计院协商，陡河通航拟满足20人游船通航要求。通航设计采用船闸上下双向航道，航道集中布置在一侧，根据游船宽度及行洪要求，确定航道单宽为5.0m。船闸采用升卧门、横拉门和一字门均满足通航要求。①采用升卧门，需在闸墩顶部设置机架桥，启闭机布置在机架桥上，虽满足功能要求，但影响了整体的景观效果；②采用横拉门，虽满足了景观要求，但要将其拉入闸墩内，需要较大的空间，由于陡河不仅是景观河道，还担负着重要的行洪任务，因此船闸的设置不应占行洪断面，而两岸又没有足够的空间，总体布置难以实现；③采用一字门，闸门平开，即挡水和开启均在孔中，既解决了空间布置的问题，又满足了景观效果的要求。因此，6座船闸均采用平开一字型闸门。闸门采用滑块支承，封水采用P型橡皮单向封水，启闭机设置在闸门的上游，采用集成式液压启闭机。闸门操作方式为静水启闭，廊道充水平压。

3 船闸设计工况

由于陡河不仅是景观河道，还是行洪河道，故船闸汛期需要泄洪时全开行洪。船闸闸门在开启时上、下游水头差不大于200mm。根据陡河蓄水建筑物的运用条件和陡河的来水特性，确定6座船闸的设计工况见表1：

表1 陡河船闸设计指标

4 船闸总体布置

根据业主要求，船闸设计采用上下双向航道，航道集中布置在一侧，共2孔，每孔净宽为5.0m。每个航道设置上闸首、下闸首和闸室段，上闸首长度为15m，下闸首长度为14.5m，闸室段长度为18m。上、下闸首通过单侧充水管道平压，充水管道直径为1000mm。充水管道闸门采用潜孔式平面钢闸门，充水管道闸门启闭机和一字闸门启闭机均采用集成式液压启闭机，启闭机布置在两侧边墩的启闭机室内，一字闸门启闭机布置在闸门的上游侧，充水管道闸门及其启闭机布置在一字闸门启闭机的上游侧，充水管道启闭机与一字闸门启闭机共用一个启闭机室。两侧边墩厚度为4.5m，中墩厚度为1.4m。门翕长度为6060mm，深度为800mm，中墩门槽深度为400mm。为防止游船与闸墩相碰及出现紧急情况避险，航道两侧设置护舷、爬梯及系船柱等安全设施，在闸墩顶部设置交通信号灯及照明灯。为防止充水管道淤积，充水管道闸门底坎高程应高于闸室底板0.2m；为防止管道充水时出水口产生的水流对游船的冲击及水流紊乱对游船产生不利影响，上、下闸首之间的出水口应设置在闸室底板下部。由于汛期行洪时启闭机室顶要过洪水，因此控制室布置在右岸堤顶，且闸墩启闭机室内所有设备均应满足过水要求，电机采用潜水电机，外露液控、电控接头及其元器件做防水处理。电控柜放在右岸堤顶的控制室内，在下闸首两边墩上游侧设置电缆井，通过电缆井、电缆沟和埋管将动力电缆和控制电缆分别连接到上、下闸首启闭机室内。为方便闸门检修，在上闸首的上游侧和下闸首的下游侧均设置检修门槽。船闸闸首的具体布置见图1。

5 船闸闸门结构设计措施

船闸闸门结构主要由闸门顶、底枢结构和闸门其他结构组成。其他结构包括门叶、工作桥、止水及埋件，其中顶、底枢结构是闸门结构的关键部位。闸门除满足强度和刚度外，还应

图1 般闸闸首平面布置图

能抵抗闸门在自重和外力作用下产生的扭矩，现分述如下：

5.1 顶、底枢结构

顶、底枢结构对一字门来说至关重要，其设计是否合理直接影响到闸门的启闭是否通畅，运转是否灵活。

顶枢是防止门扇倾倒的上部支承，利用顶枢可以调整门扇转动轴，使门扇保持垂直位置，故顶枢的拉杆应为两根。为使拉杆不受压力，设计时使两根拉杆分别平行于门扇在开门位置的门轴线和门扇在关门位置的门轴线。在拉杆设计中，采用差动螺丝作为调整器，便于调整其长度。顶枢结构见图2。

图2 顶枢平面布置图

底枢主要由蘑菇轴头、轴承台及轴承巢组成，其结构应满足在闸门径向变位时，避免承受过大的横向水平荷载。

顶、底枢的轴承材料具有较高的物理、化学及结构稳定性，具有较低的吸水率和良好的自润滑能力，较强的抗泥沙特性，较长的使用寿命。本工程采用了工程塑料合金自润滑轴承。该轴承是一种新型的单体复合材料，不仅硬度小，而且耐磨性更优越。虽然它变形能力强，但其抗压强度大，达到50MPa，能较好地满足了强度要求。它具有自润滑性能，在工作中不需添加润滑剂，给管理维护带来了方便，有利于闸门的安装及安全运用。除此之外，轴承与轴的摩擦系数小，无润滑时为0.16，水润滑时为0.05，油润滑时为0.02，降低了船闸的启门力。

5.2 闸门其他结构

闸门其他结构由门叶、工作桥、止水及埋件组成。门叶材料为Q235B，由面板、次梁和主梁组成。门叶采用等高连接，主梁高度为450mm。为增加闸门整体刚度，中间两垂直次梁处设置十字支承；工作桥材料为Q235B，由槽钢、角钢、花纹钢板和钢管组成。工作桥采用桁架结构，支承在闸门顶梁的腹板处，桥面采用花纹钢板，净宽为600m，栏杆采用钢管，高度为1000mm；底、侧止水均采用P45型橡皮，单向止水，橡皮通过压板、垫板及螺栓固定在门叶面板上，橡皮压缩3mm，超过3mm后，固定在面板上的滑块与埋件接触，所有止水螺栓均要镀锌钝化，橡皮接缝处用氯丁橡胶粘牢；埋件主材采用Q235B，迎水面材料为1Cr18Ni9Ti，底坎埋件高出底板400mm，闸门关闭时，底止水靠在底坎埋件侧面，底枢底部设置轴承台，直径为500mm，侧埋件采用工字型组合梁，顶、底枢拉杆处预埋M36螺栓。

6 启闭机布置选型与控制

6.1 启闭机布置选型

船闸一字闸门及充水管道闸门启闭机均采用油箱、泵组、电机与油缸集成在一起的集成式液压启闭机，每台启闭机配1套备用手动泵组系统，一字闸门启闭机油缸采用卧式布置，充水管道闸门启闭机油缸采用立式布置。除电气控制柜布置在右岸堤顶的控制室内，其余设备均布置在边墩启闭机室内。油缸行程指示及位置控制系统采用内置式闸门开度检测装置。液压缸活塞和活塞杆主密封均采用德国MERKEL公司进口的优质多唇V型组合密封圈，静密封采用美国PARKER公司进口的O型密封圈，密封性好，使用寿命长。另外，油缸还装有优质防尘圈和刮污圈，有效地保护了活塞杆。液压缸端盖法兰与缸体的连接采用高强度内六角头螺钉固定，布置上采用高密度方式，使连接强度均匀。液压缸缸体及活塞杆材料均为45号钢。一字闸门启闭机容量为200kN，工作行程为2.2m，最大行程为2.3m，启门压力为9.2MPa，闭门压力为6.4MPa。充水管道闸门启闭机容量为100kN，工作行程为1.05m，最大行程为1.1m，启门压力为8.2MPa，闭门压力为6.4MPa。

6.2 启闭机控制

启闭机控制方式为现地手动和现地自动两种方式，每种方式互为闭锁。在设备调试、检修阶段，以及在自动操作失灵的紧急情况下，将控制开关打在手动方式，采用手动操作，可实现油泵的起、停操作，闸门的开、关、停操作，闸门开度预置操作，从而对闸门的单步启闭进行控制。在设备调试正常后，将闸门控制开关打在自动方式，采用PLC自动操作。PLC主要负责对闸门的运行状态，闸室的内外水位，闸门的开度等数据进行实时采集和处理，并将运行数据发送到上位机。操作人员可以通过控制柜上的按钮、开关等，对启闭机、闸门进行现地控制。船闸控制系统设置在控制室内，包括闸门控制柜，综合控制柜，PLC柜等设备，柜内安装有PLC、电量、闸门开度荷重的采集装置和开关量输入输出继电器等元件。操作人员可以在控制室内实现对闸门的实时监控。系统具备通讯端口和开放的通讯协议，便于在未来并入远程监控系统，实现梯调控制。

7 结语

（1）平开式一字闸门，既解决了空间布置的问题，又满足了景观效果的要求，适用于城市河道有通航要求的景观工程。

（2）充水管道进、出水口的布置，不仅要满足淤积的需要，还要考虑水流条件及充水时间的要求，因此对于游船运行的效果至关重要。

（3）顶、底枢轴承结构要具有较高的物理、化学及结构稳定性，具有较低的吸水率和良好的自润滑，这些直接影响闸门启闭的通畅性。

（4）在启闭机设计中，传感器采用内置式位移传感器，主密封采用德国进口的多唇V型组合密封，控制实现现地手动和现地自动两种方式，在自动控制中，通过PLC来实现闸门和启闭机的实时监控。

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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

杨克昌（1973—），男（汉族），河北文安人，高级工程师，主要从事水利工程金属结构专业设计工作，（Tel）15900361915。