摩阻型拦船设施在三河闸工程中的应用

李 欣，王 豹，温少林，龙 俊

(1.江苏省洪泽湖水利工程管理处，江苏 洪泽 223100；2.南京市三汊河河口闸管理处，江苏 南京 210000)

三河闸位于江苏省洪泽县境内，为大(1)型水闸，设计流量12 000 m3/s，是淮河入江水道的控制性工程。三河船闸是洪泽湖大堤的穿堤建筑物，是三河闸水利枢纽的组成部分，距离三河闸工程不足3 km，是洪泽湖至高邮湖、宝应湖以及大运河的主要航道之一，通航繁忙。为防止船舶在三河闸大流量行洪时撞击工程，在上游(洪泽湖侧)已安装拦船设施，该拦船设施在水面呈直线布置，由钢丝绳、浮桶、拖锚、锚墩等组成，拦截能力较弱。因此，在三河闸上游安装拦截能力强的拦船设施十分必要和急迫。

目前，水利工程中的拦船设施种类繁多。折线型拦船设施虽然具有较大的拦截能力，但每个浮桶下方均需配置拖锚，造价必然较高，且遭受船舶撞击后恢复困难；而液压系统的拦船设施，虽拦截能力强，但造价较高。摩阻型拦船设施拦截能力强，拦截船舶时渐进加力，无剧烈冲击，造价不高，遭受撞击后无损伤，恢复方便，适用于三河闸工程。

1 摩阻型拦船设施概述

1.1 摩阻型拦船设施的组成

摩阻型拦船设施由锚墩(兼摩阻机基础)、摩阻机、钢丝绳和浮桶组成。两台摩阻机相对安装于两岸锚墩，钢丝绳两端固定并预绕设计长度在摩阻机绳鼓上，架设在浮桶上，在水面呈线型布置，如图1所示。

图1 平面布置图

摩阻机由机架、绳鼓、传动系统、摩擦系统和滑轮组等组成，如图2所示。

1.2 装置原理

摩阻型拦船设施的工作原理是当船舶撞击拦船设施时，钢丝绳张紧，绳内张力逐渐达到设计值时，摩阻机转动并释放钢丝绳。同时摩阻机摩擦系统产生摩阻力，通过传动系统传递给钢丝绳，从而保持钢丝绳内张力恒定为设计值。随着船舶下移，钢丝绳在逆水流向的合力逐渐增大，逐步消减船舶动能并克服水流力。钢丝绳释放完毕前，若船舶动能及船舶受到的水流力综合作用在设计标准内，那么，船舶将逐渐减速并最终停止，钢丝绳呈V形拦截船舶[1-2]，如图3所示。

图2 摩阻机示意图

图3 摩阻型拦船设施呈V形牵定船舶

若船舶较小，甚至撞击拦船设施时钢丝绳内力小于设计值，那么摩阻机将不会转动。

若船舶动能及水流力做功超出了拦船设施设计标准，摩阻机将转动直至钢丝绳释放完毕，船舶以一定速度冲击拦船设施。此时，如果钢丝绳没有破断，且船舶禁止时受到的水流力在设计标准内，那么钢丝绳承受冲击时仅仅瞬时超载，但其内力将很快下降到设计值以内，船舶被拦截；若钢丝绳破断，则表明船舶动能与水流力综合作用已经超出了该拦船设施极限承载能力。

无论船舶初始动能大小，只要船舶停止在水面时受到的水流力大于设计值，拦船设施将持续超载甚至破坏。

1.3 摩阻机原理

船舶撞击拦船设施后，钢丝绳受力， 绳鼓在切线方向受到拉力，该力通过齿轮组传递到摩擦系统，摩擦系统产生摩擦力。若撞击力较小，钢丝绳张力未达到设计值，那么，该摩擦力为静摩擦力，起到阻止摩阻机转动的作用；若撞击力较大，钢丝绳内力达到设计值，那么，摩阻机转动，该摩擦力为滑动摩擦力，起到消耗船舶动能、抵御水流力的作用[3]。

2 拦船设施选址

三河闸上游引河平顺段较短，约200 m，通过上游约650 m处喇叭口与湖面连接，如图4所示。拦船设施可供备选的位置有三个，一是近闸位置方案一，二是湖口位置方案二，三是介于闸前和湖口之间的方案三。方案一距闸身约300 m，水面宽度约780 m；方案二距闸身约1000 m，水面宽度约1300 m；方案三水面宽度约1000 m。

图4 三河闸上游引河地形图

方案三虽然比方案二水面宽度窄300 m，但相对闸身方向倾斜，感观不佳，加之节省经费不多，技术上没有优势，所以不予考虑。方案一拦船设施较短，投资较少，但距闸身较近，安全性较低，且由于河床断面较小，水流速度必然较大，对拦船设施拦截能力要求较高。方案二距闸身远，水流速度平缓，安全性高，但拦船设施较长，投资多。方案一与方案二孰优孰劣，需进行技术比较。

2.1 水流速度计算

2.1.1 方案一水流速度计算

该位置距离闸身约300 m，河床断面如图5所示。

图5 方案一位置河床断面图

考察三河闸上游水位分别为12.5 m、13.0 m、13.5 m、14.0 m、14.5 m五种情况下闸门全开泄流时水流速度，和水位为16.0 m时泄放设计流量12 000 m3/s时的水流速度，见表1。

表1 方案一典型水位时泄放最大流量上游平均流速

方案一断面位置流速较大，最大平均流速为1.78 m/s。

2.1.2 方案二水流速度计算

该位置处于上游湖口，专门进行了河床断面测量，河床断面如图6所示。

图6 方案二位置河床断面图

同样考察上游水位分别为12.5 m、13.0 m、13.5 m、14.0 m、14.5 m五种情况下闸门全开泄流时水流速度，和水位为16.0 m时泄放设计流量12 000 m3/s时的水流速度见表2。

表2 方案二典型水位时泄放最大流量上游平均流速

方案二断面最大平均流速为1.26 m/s，低于方案一断面处最大平均流速。

2.2 位置比较

方案一断面处最大流速为1.78 m/s，对拦船设施要求较高，需装置较大摩阻机，采用较粗钢丝绳，且距闸身过近，安全性较低。

方案二断面处最大平均流速为1.26 m/s，在平原地区河道属正常流速，适宜装置常规摩阻型拦船设施。

决定选用方案二。

3 船舶状况与设计标准

虽然三河闸工程不具有通航功能，但是三河船闸工程紧邻三河闸工程，极有可能在三河闸工程大流量行洪时，上游船只顺水流进入三河闸行洪区域，发生撞击水闸事故。根据三河船闸的通航能力，拦船设施设计标准确定为2000 t。

4 拦船设施技术方案

4.1 摩阻机选型

拦船设施设置在湖口，流速为1.26 m3/s，选用MZJ-75系列摩阻机，两岸各装配一台，配置钢丝绳为6×37-φ21.5镀锌钢丝绳。由于三河闸闸身长，拦船设施设置在河口，长度超过1300 m，要发挥摩阻型拦船设施的优势，需要摩阻机绳鼓上装置足够长度的钢丝绳。按船舶撞击拦船设施后下滑650 m时被拦截计算，每个摩阻机上需装置270 m钢丝绳。绳鼓直径50 cm，装置3层钢丝绳，摩阻机有效绳鼓长为117 cm。主要技术指标见表3，型号设为MZJ-75-117。

表3 三河闸拦船设施摩阻机主要技术指标表

4.2 摩阻机安装高程

三河闸上游最高水位15.23 m，最低水位9.66 m，汛期正常高水位13.5 m，鉴于摩阻机不宜浸水但滑轮组可以浸水，同时考虑改善低水位时钢丝绳受力，将摩阻机基础底板顶高程定为12.8 m，这样拦船设施钢丝绳两端高程约为13.0 m。

4.3 绳网布置与浮桶设计

一根钢丝绳(主索)两端固定并预绕设计长度于摩阻机绳鼓上，架设在浮桶上。在主索上方和下方各增设一根钢丝绳(副索)，间距40 cm，下面一根钢丝绳距水面约35 cm，以防止小船由钢丝绳下方穿过或大吨位空船从钢丝绳上方掠过。副索两端连中间钢丝绳，河道中连浮桶，如图7所示。

图7 浮筒示意图(单位：mm)

浮桶主要为了架设钢丝绳，应能够达到遭受船舶撞击后不解体、不下沉，因此，不可用航标代替浮桶。浮桶的要点如下：

(1)宜为圆桶状，选用聚乙烯浮桶，价格较低，维护方便。

(2)为增强浮桶的整体性，设置钢管上下贯穿浮桶。钢管上部设3根钢筋(与钢丝绳匹配)，用绳扣将钢丝绳固定在该钢筋上(不应穿环或穿孔连接，因浮桶在风浪作用下不断摇晃，钢丝绳易磨损)。钢管下部配重，保持浮桶在钢丝绳作用下不倾覆。

(3)浮桶在自重和钢丝绳的重力作用下桶体应浮出水面25～30 cm[4-5]。

安装拦船设施处水面宽度1300 m，按13 m一个计，需浮桶100个。

4.4 钢丝绳配置

选配6×37-φ21.5镀锌钢丝绳，主索与两岸摩阻机相连，约需1600 m，副索两端与主索相连，约需1400 m，计3000 m。

4.5 锚墩设计

选用如图8所示结构形式的锚墩。该形式锚墩适用于安装摩阻机，一定程度上利用了土重抗滑。

图8 拦船设施锚墩示意图(单位:高程m，其他mm)

5 拦船设施安装与维护

5.1 拦船设施安装步骤

安装摩阻机→安装主索→安装浮桶→安装副索→张紧钢丝绳，将摩擦装置弹簧调整到设计位置。

5.2 拦船设施安装注意要点

(1)主索应穿过垂直定滑轮并与水平定滑轮相切，为防止钢丝绳脱槽，可在水平定滑轮支架上焊装卡环限制钢丝绳。

(2)钢丝绳与摩阻机连接应紧固，并分层有序绕装在绳鼓上。

(3)浮桶通过卸扣与钢丝绳扣紧。

(4)副索两端连接在水平定滑轮外侧的主索上。

(5)最后张紧钢丝绳，将摩擦系统弹簧调整到设计位置。

5.3 拦船设施维护要点

(1)封闭保护摩擦系统弹簧调节装置，防止人为破坏或误操作。

(2)每年调试保养一次。

(3)每月至少巡视一次，防止发生人为破坏导致系统失效，务必保持摩擦系统弹簧压缩量维持为设计值。

6 结 语

摩阻机运转时钢丝绳内力恒定，但钢丝绳在逆水流向的合力初始较小，随着船舶位移增大而逐渐增强，对船舶无剧烈冲击，有利于船舶自救，防止沉没。拦船设施拦截船舶历时数分钟之久，有利于安全救援。拦船设施遭受撞击后无损伤，恢复方便。

三河闸工程应用摩阻型拦船设施，按照拦截2000 t船舶设计，选用6×37-φ21.5镀锌钢丝绳即能满足要求，拦船设施结构简单，相应摩阻机、锚墩均较小，造价较低，可在大中型水利工程中推广应用。