广州市增城区初溪水利枢纽船闸工程金属结构设计

2019-09-10邬显强郑建坤李强黄亚栋

水利水电快报 2019年7期

关键词：广州

邬显强郑建坤李强黄亚栋

摘要：广州市增城区初溪水利枢纽船闸工程位于增江画廊，景观要求高，船闸使用频繁，对船闸的金属结构设计提出了较高要求。结合该船闸的特点及枢纽布置方案，运用BIM技术，从景观效果、可靠性、经济性等方面，对船闸闸门及闸门启闭设备的布置选型、主要技术参数选取、设计思路等方面进行了研究，探讨了浮式系船柱的布置选型、结构设计。相关成果可为同类工程设计提供借鉴和参考。

关键词：金属结构设计;船闸工程;BIM;初溪水利枢纽;广州

中图法分类号：U641

文献标志码：A

DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.07.009

1 工程概况

初溪水利枢纽船闸工程位于广州市增城区增江下游新开河段，是增江13级开发的最后一个梯级。工程含拦河坝、发电厂房、排涝渠、交通桥、船闸等单项工程。拦河坝设水闸2l孔，总长188.4m，电站装机3台共6 000 KW机组，船闸工程批复按V级通航标准设计。该枢纽工程已于2003年完成主体工程建设并已验收结算，由于多方面原因，船闸工程未能实施。初溪水利枢纽船闸工程鸟瞰效果见图1。

近年来，为开发增江生态旅游经济带，实现通航功能，启动了船闸建设。根据《广州市增城区人民政府关于初溪水利枢纽船闸工程建设规模的函》及JTJ305-2001《船闸总体设计规范》[1]，船闸为V级，单线一级船闸，闸首和闸室级别为3级，导航、靠船建筑物级别为4级。闸室有效尺寸120 mx12 mX3.5 m（长×宽×最小槛上水深），上引航道宽57.8 m，下引航道宽44.5 m。船闸总长166 m，其中上下闸首分别长2lm和20 m，闸室长度126 m，船闸净宽12 m。

增江画廊是全国第十一批国家水利风景区之一，也是2011年广东省唯一获得该称号的水利风景区，该项目位于增江画廊的起点。初溪船闸作为增城区1号水利项目，具有较高的旅游和房地产开发价值。设计中金属结构选型布置需与增江画廊的高品质定位相协调，满足周边景观要求是船闸金属结构设计的关键所在。

2 工作闸门及启闭设备

2.1 门型比选

根据水工枢纽要求，闸首工作闸门要求单向挡水，垂直提升平板门、横拉门、三角闸门、有轨双开弧门及人字门等5种门型均能满足单向挡水要求。从景观效果、经济合理性、安全可靠性、适用性和运行维护等方面对5种闸门门型进行了比选。

（1）垂直提升平板门采用台车式启闭机操作，在闸顶布置启闭机排架横跨闸室，当闸门提升至闸顶后，台车沿垂直船闸轴线方向行走至闸室以外，以满足船舶过闸通航净空的要求。该门型闸首短、投资省、方便可靠，适用于小孔口、低水头输水船闸。但该闸门需要启闭力大、启闭时间长且设高排架，影响美观。

（2）横拉门采用液压启闭机操作，启闭力相对较小。当闸室宽度较大时，液压启闭机行程也随之变大，運行稳定性差，且横拉门门底容易淤积，船闸需设置较大的门库，结构复杂，适用于小孔口、低水头船闸。

（3）三角闸门、有轨双开弧门可双向挡水，不设置排架，闸门门型美观、景观效果好。有双向挡水要求的船闸主要采用三角闸门，例如，黄田港船闸、高港枢纽二线船闸等。但该门型两侧需要闸墩较厚，工程量较大，造价较高，常用于双向挡水的船闸、景观要求较高的船闸。

（4）人字门单向挡水，受力明确，结构刚度大，制造安装方便，工程量小，运行可靠，应用广泛。国内三峡工程5级船闸、葛洲坝船闸等大型船闸大多采用人字门。根据船闸水工枢纽要求，船闸单向挡水，具备静水启闭的条件。JTJ 308-2003《船闸闸阀门设计规范》[2]规定“承受单向水头在静水条件下启闭的工作闸门宜采用人字闸门”。

该水工枢纽船闸要求单向挡水，船闸工作闸门孑L口宽度为12 m，下闸首孑L口尺寸达12 mx12.5 m，规模较大，且景观要求高，综合以上各工作闸门的优缺点及适用条件，选用人字门门型，液压启闭机布置简单，操作灵活，便于实现自动化控制，启闭设备采用液压启闭机。

2.2闸门及启闭设备设计

2.2.1 船闸设计特征水位

枢纽正常挡水位为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 人字门设计

工作闸门采用人字门，卧式直推式液压启闭机操作，分别设置在上、下游闸首。闸门关闭时，闸门轴线与闸首横轴线夹角为22.5。。初溪船闸人字闸门及启闭机布置见图2。船闸上下闸首孔口宽度为12 m，上闸首底槛高程1.50 m，下闸首底槛高程-4.0 m。上闸首兼有挡洪功能，设计水头为8.4 m，门扇计算宽度为6.986 m，门扇高9.625 m，厚0.7 m。下闸首工作闸门设计水头为7.29 m，门扇计算宽度为6.986 m，门扇高13.425 m.厚0.7 m。

人字门门体结构设计依据等荷载原则，采用主横梁方式布置。主横梁与面板、门轴柱、斜接柱等构成门叶挡水支承系统。上、下闸门厚度均为700 mm，门顶设有工作桥，门背设工作爬梯。上下闸首人字门均为多主横梁结构。主横纵次梁均为实腹工字（或“T”型）组合梁，梁格同层布置，门叶门轴柱和斜接柱均采用闭口式截面，具有较大的抗扭刚度。上下闸门支承运转主要部件尽可能采用统一规格，方便制造和安装。

三铰拱人字门采用连续钢支承方式将反力传递于闸首边墩，并兼作侧止水。门扇支承中心位于门龛边墩墙面内646 mm。底枢为固定式，球径110 mm。闸门顶枢采用三角桁架式。上下闸首人字门均采用卧式直推式液压启闭机，启闭方式为静水启闭，且按剩余水头差0.15 m考虑。

门轴柱和斜接柱截面形式为闭口式，门轴柱支承在顶枢和底枢上。门轴柱、斜接柱处支、枕垫块对应主梁端部设置，采用分块式支承、枕垫接触。在闸门与闸墙之间设置侧止水，在两扇闸门之间的接缝处设置中间止水，并与P型橡胶底止水形成封闭的闸门止水线。门背一侧（下游面）布置十字交叉背拉杆[3]。

顶枢是防止门扇倾斜的上部支承，利用顶枢可以调整门扇转动轴，使门扇保持垂直。顶枢为三角形桁架式。闸门的调整装置采用双向螺纹式，前、后拉杆采用45号优质锻钢，并在表面镀铬0.1-0.3 mm。顶枢轴座采用螺栓连接安装于门轴柱顶部，拉杆的调节采用双向螺纹式法兰螺母;顶枢轴以简支方式固定于顶枢轴座中。拉杆的锚定结构为竖向三角形桁架，下部增设预应力锚杆，锚固结构埋设于闸墙混凝土中。

底枢为固定式结构，底枢半圆球轴材料为40Cr钢锻制，承轴巢采用自润滑免维护球面滑动轴承，其材质为Q235B、MGB，摩擦系数0.06～ 0.08。底枢的基座埋设于混凝土中，承轴台嵌入基座上部的弧形槽内，弧形槽的半径与承轴台的半径相同。液压启闭机推拉杆与闸门连接为简支竖轴式。轴座采用螺栓连接安装在顶主横梁腹板上，并增設剪力板。初溪船闸人字闸门BIM模型见图2。

2.2.3 液压启闭机设计

人字门采用QRWY2x320kN/2x320kN卧式液压启闭机操作，启闭机工作行程2 873 mm。

为保证通航效率，缩短船只通航过闸时间，液压启闭机启门时间为4 min，闭门时间为4 min，启门速度为0.5 m/min，液压系统最大压力不大于16 MPa。液压泵站采用比例泵进行控制。启闭机活塞杆选用陶瓷活塞杆，以提高活塞杆的耐腐蚀性，液压缸的行程检测装置采用与陶瓷活塞杆结合使用的绝对型内置式行程检测传感器。

绝对型传感器配套的陶瓷活塞杆上的刻度沟槽采用二维码原理设计，每处沟槽均不相同，传感器放置满足任意位置均可准确读出活塞杆的要求。在液压缸或系统的内部因泄漏而产生沉降时能保证绝对数据信号，主要优点有：①结构紧凑、体积小，直接安装于液压缸的下端盖上，便于安装检修;②实现了行程检测装置的高检测精度和高抗干扰性能，保证了开度检测及控制的精确性和设备运行的可靠性;③活塞杆任意位置输出唯一数据，与运行状态前后数据无关;④采用定制硬件逻辑，抗干扰能力极强，即使存在干扰，也能瞬间恢复数据;⑤上电后即得当前准确位置值，无论活塞杆是否移动，不受断电时间限制;⑥分辨率0.5 mm，防护等级IP68，满足长期泡水要求。液压启闭机可由中控室远程控制，也可在当地操作。

2.3 检修闸门及启闭设备

2.3.1 检修闸门设计

浮体闸门在船舶工程、水利工程中应用广泛，如葛洲坝枢纽工程船闸浮式检修闸门、富春江水电站溢洪道浮式检修闸门、沙溪口水电站浮式检修闸门、汉江崔家营航电枢纽工程船闸浮式检修闸门、荷兰新沃特伟赫河防浪闸门等。浮体闸门不需要专设启闭设备，可利用自身浮力自由浮动，运输方便[4]。叠梁闸门利用多节单独的梁体叠放形成一个完整的平面挡水结构，各节可互换，通用性较好，且降低了单节的高度和重量，便于制作、安装及运输。设计拟结合浮体闸门和叠梁闸门的特点，采用浮式叠梁闸门，其通用性好.安全可靠，便于使用[5]。浮式叠梁检修闸门设计主要考虑单节闸门的自浮性，单节闸门挡水的强度、刚度要求及止水密封性等问题。

初溪船闸是增江下游船舶的进出通道，船闸运行直接影响增江航运的发展，因此，检修时间不宜过长。根据枢纽运行条件、水文情况、航运检修能力和持续时间等要求，上游检修水位采用枢纽正常蓄水位6.5 m，下游检修水位采用设计发电流量147.90 m3/s，相应下游水位1.2 m。为了保障船闸工作闸门及充泄水阀门的检修，在各工作闸门的外侧各设置一扇浮式叠梁检修闸门，上下闸首检修闸门高度均为6m。闸门封水型式为背水侧封水，侧封水采用P型橡皮，底封水采用条型橡皮。依靠水压力和门体自重形成止水线。检修闸门结构见图3，闸门单节高度为Im，共6节，单节重量G！。约5.5 t，通过计算闸门空箱部分排开水的体积，求得单节闸门的浮力Fo约5.8 t。当Go< Fo时，单节闸门在门槽中可自浮;当总浮力∑F<总重力∑G（∑F=5Fo=29 t，∑G=6Go=33 t）时，闸门可在设计水位下就位并保证闸门密封性。

2.3.2 启闭机设计

闸门在静水中下门，当闸室检修完毕后，闸室进行充水，在水头差小于Im时将闸门完全提起[6]。检修闸门启闭力仅为2x50 kN，采用浮吊启闭，不需要配置台车及其他操作设备，既简单美观又节省造价。

2.4 充泄水阀门及启闭设备

2.4.1 充泄水阀门设计

初溪船闸上、下闸首的输水系统均采用短廊道输水对冲消能的型式。输水廊道工作门采用平板滚动钢闸门，工作阀门需要每5a检修1次，检修主要是更换止水橡皮及滚轮，检修时间较短，不会对通航造成较大影响，因此考虑不设置检修阀门。闸首结构简单美观，优化设计的同时节省了工程投资。

船闸充泄水阀门较多采用“固定卷扬机+平板闸门”的型式，但初溪船闸对景观要求高，不适宜设置较高的启闭机排架。经对比研究，采用“液压启闭机+平板闸门”的型式可避免设置排架，且合理布置，可做到液压启闭机不外露，满足景观要求。

阀门处廊道的断面尺寸为2.00 mx2.00 m（宽×高，下同），廊道进、出口断面均扩大为3.00 mX2.00 m。船闸输水阀门的工作条件为动水开启、静水关闭，事故状态可动水关闭。上、下闸首工作阀门共4扇，阀门高2.3 m，宽2.396 m，厚0.508 m，面板均向下游面布置。

工作阀门的门体结构由面板、纵梁、主横梁、侧挡、行走装置、止水装置、吊耳组成，为实腹式板梁结构。每扇阀门设4个行走主滚轮和4个侧挡，为防止阀门漏水，在门体结构与廊道孔口之间设有止水，底止水采用平板橡皮，顶、侧止水采用P型橡胶复合水封，连接处热胶合，保证其严密性。建立了充泄水阀门BIM模型见图4。

2.4.2 液压启闭机设计

单侧设充泄水阀门及启闭设备1套，充泄水阀门采用QPPY-250kN-2.7 m液压启闭机，与同侧人字门共用1套液压控制系统。液压启闭机与工作阀门之间设置吊杆。液压启闭机最大启门力为250kN，最大行程2.7 m，启门速度为0.5 m/min，系统工作压力不大于16 MPa。为了提高液压启闭机操作运行的精确性，传感器的精度要求不大于1 mm。由于船闸人字门和充泄水阀门不同时工作，上、下闸首单侧人字门和充泄水阀门共用1套液压泵站系统，每个系统均设有2套油泵电机组，“一用一备”提高了液压启闭机运行的可靠性。由于左、右侧充泄水闸门距离较远，难以通过液压系统实现同步操作，因此在电气设计中采用了先进的PLC同步控制系统，可依据船闸及充泄水闸门的工作流程编制控制程序，完成充泄水闸门当地、远程的自动化操作，满足同步性要求[7]。

2.5 浮式系船柱

为了保证船舶过闸安全，国内已建或在建的类似船闸的闸室均采用浮式系船柱，如葛洲坝一号船闸、清远北江水利枢纽工程等。初溪船闸上下游水位变幅大，浮式系船柱可随水位变化与船舶同步浮动[8]，可在闸室充泄水过程中保护船舶安全（见图5）。

浮式系船柱设计的关键在于结构自浮性、浮动平稳性、结构强度等因素。浮式系船柱设计共2层，每层系船架与下部浮筒、系船柱均采用可拆卸连接，承载力和性能得到进一步提高。系船柱造型简洁美观，滑道结构简单，便于维护。

浮式系船柱由浮筒、支撑架、导向滚轮及系船柱组成，支撑架设置在浮筒上。系船柱分两组，分别布置在浮筒和支撑架的顶部。导向滚轮共6组，分别布置在于浮筒上部、底部和支撑架顶部的两侧;每组导向滚轮包括横向的主滚轮和纵向的侧滚轮，横向主滚轮和纵向侧滚轮上下为层叠设置，且滚动轴相互垂直。浮式系船柱的結构见图5，系船柱包括浮筒和滑槽。浮筒为圆柱形，筒外径φ900mm，高4.0 m，主要由筒体和运行滚轮组成;每只浮筒有4个运行滚轮，滑槽结构由角钢、钢板和锚筋焊接而成。系船柱运行时浮筒吃水深度3.2 m，缆帽露水面0.8 m。船只进入闸室，缆绳套在系船柱上，浮筒随水位上升，可起到升降船只和保证安全的作用。

3 结论

（1）增城区初溪水利枢纽船闸工程于2017年4月13日开始施工，目前其金属结构已安装完成并投入使用，能够满足船闸使用要求。

（2）针对初溪船闸景观要求高、船闸使用频繁的特点，金属结构设计中应特别注意闸门、启闭机布置选型比较，金属结构布置简洁美观、节省了工程投资，提高了运行的可靠性。

（3）船闸工作闸门液压启闭机活塞杆采用陶瓷活塞杆，大大提高了活塞杆的耐腐蚀性。行程检测装置采用与陶瓷活塞杆结合使用的绝对型内置式绝对型行程检测传感器，保证了设备控制的精确性和设备运行的可靠性，具有一定创新性。

（4）船闸充泄水闸门布置采用“液压启闭机+平板闸门”的型式，液压启闭机不外露，闸顶简洁美观，液压启闭机操作灵活、可靠性好。

（5）采用BIM进行设计，准确计算了浮箱检修闸门的浮力、浮式系船柱的吃水线，能够精确统计工程量。

参考文献：

[1]JTJ 305-2001船闸总体设计规范[S].

[2]JTJ 308-2003船闸闸阀门设计规范[S].

[3]薛桂荣.春天湖船闸枢纽金属结构设计[J].山西水利科技，2007（3）：47-48.

[4] 张晴，谢立华，周军.金清老港通航排水闸检修浮动闸门设计[J].水利规划与设计，2013（6）：80-82.

[5] 王秀珍.浮箱式叠梁门设计与计算[J].港口科技，2017（6）：22-28.