黄浦江挡潮闸自动固定装置的探索与研究

江志涛

(上海宏波工程咨询管理有限公司,上海 201707)

1 引 言

黄浦江属太湖流域,上接太湖,下通长江,穿越上海中心城区,是区域抗洪除涝的重要排水河道。由于季风、潮汐和地势平坦的影响,导致上海容易受风暴潮的影响[1]。近半个世纪以来黄浦江防汛墙经历了5次加高加固,即使再度加高加固防汛墙,市区防汛仍存在风险,所以黄浦江河口建闸势在必行[2]。黄浦江干流至吴淞口,下游水深达12m,河宽为400～500m[3]。分别对双铰浮体卧倒门、浮箱门、浮动扇形门和有轨浮箱直升门4种门型工程布置方案做了比对,推荐有轨浮箱直升门方案[2]。在常规水闸建设中,闸门通常插入闸墩的闸门槽中用来挡水,而闸门的挡水力传递给闸墩,闸墩固定在位于河床的基座底板上;闸门的启闭一般可以采用位于其上方排架塔顶的电动卷扬机。这种固定式闸门需要在河道中设置闸墩和上部排架,对河道的通航和景观有一定的影响。而靠漂浮移动就位的浮箱闸门可以不用设置闸墩和排架,需要挡水时漂浮移动就位,不需要时浮箱闸门移开靠岸停泊待用,为了保持浮箱闸门在防汛工作时的稳定可靠性,在浮箱闸门底部增加自动固定装置;河床底板上方预留钢板,通过底部自动固定装置工作时产生的电磁力,结合重力的作用力,保持浮箱闸门的稳定性及可靠性[4]。

2 磁力吸盘概述

吸盘主要有电磁式、永磁式和电永磁式三种。虽然电永磁吸盘发展历史不是很久,但凭借其优良的性能,逐渐被广泛运用在机械加工、汽车和轮船制造,以及水务海洋等领域。电永磁吸盘运用电磁原理和磁场叠加原理,通过使内部线圈通电产生磁力,影响吸盘内部磁场分布,从而夹紧或卸载工件。电永磁吸盘以其操作简单、吸力强劲且安全可靠,将会得到更加广泛的应用[5]。同时电永磁吸盘具有以下优点:吸力大,夹紧力恒定不变,安全性高,磁力穿透浅不会将磁力导到被加工表面,装夹和卸载操作方便,工作中无须通电,不发热,保持常温;不影响加工精度,无须长时间供电,通电时间短,运营成本低,寿命长等[6]。因此,本次浮箱闸门水下自动固定装置以电永磁吸盘作为探索与研究方向。

3 自动固定装置主要参数

3.1 自动固定装置吸盘吸力大小确定

为了保持浮箱闸门在防汛工作时的稳定可靠性,在浮箱闸门底部增加自动固定装置;河床底板上方预留钢板,通过底部电磁固定装置工作时产生的电磁力,加上浮箱本身和注水重力等垂直作用力,共同提供浮箱闸门的抗倾覆及抗滑动力。

当浮箱闸门通过注水后,依靠重力作用到达预定位置,稳定后启动电磁固定装置。此时对浮箱闸门进行受力分析,水平方向有静水压力Fw、波浪力Fb和摩擦力。垂直方向有浮箱闸门重力G、浮托力Ff、电磁固定装置产生的电磁力Fc。

根据力矩计算公式:M=FL=力×力臂和力矩平衡公式,即M1+M2+M3+…=0得到

(1)

同时为防止浮箱闸门水平移动。对浮箱闸门进行受力分析:

(Fc+G-Ff)μ=Fw+Fb

(2)

自动固定装置使水下浮箱闸门固定,所以自动固定装置需同时满足浮箱闸门抗倾和抗滑的要求;故自动固定装置的电磁吸力Fc采用式(1)和式(2)中的最大值[4]。

3.2 自动固定装置磁感应强度的确定

由麦克斯韦电磁吸力公式

(3)

可以得出线圈电压为下限值时的工作气隙磁感应强度Bδ:

(4)

式中:Fc为电磁吸力;Bδ为线圈电压为下限值时的工作气隙磁感应强度;μ0为导磁率,μ0=4π×10-7;rc为磁极半径,根据工程实际情况确定[7]。

3.3 自动固定装置的结构

考虑到浮箱闸门内空间有限,为了方便施工安装和后期维护,自动固定装置不宜体积过大,具体大小根据浮箱闸门尺寸确定。自动固定装置结构见图1。

4 对防水的要求

由图1可以看出,浮箱闸门底板与自动固定装置的高程相同,止水垫片工作时与水直接接触,为了止水垫片的防水效果,图1中止水垫片7应具有防腐蚀、防水、防尘功能,同时浮箱闸门在闸板底部会受到水的压强,止水材料还需要具有防压功能;图1中止水垫片5属于第二道止水保护,有可能会直接接触到水,为保证河道的水不从止水垫片处渗透到浮箱闸门内部,图1中止水垫片5也需具备防腐蚀、防水、防尘、防压功能。

5 对控制器的要求

前面提到自动固定装置的吸盘采用的是电永磁吸盘,电永磁吸盘通过变换吸盘内部可逆磁体的磁极,实现磁路转换,用电脉冲控制充磁和退磁[8-9]。由于浮箱闸门的长度由河道的宽度决定,当达到一定宽度时,自动固定装置不仅需要满足吸力要求,同时体积不宜过大,所以浮箱闸门内自动固定装置往往不止1个。根据受力分析,为使浮箱闸门工作时稳定、平衡,浮箱闸门内固定装置需要均匀布置。控制器的关键功能是确保所有的自动固定装置能同时通电和断电,实现动作的统一性,其操作可以是自动和手动[10]。具体操作如下:

a.当浮箱闸门需要关闭时,浮箱闸门从船坞中被动力船拖到预定位置,控制器可自动开启注水水泵往浮箱闸门内注水,同时通过限位开关确认是否下沉到预定位置,当限位开关返回信号后,浮箱闸门内注水水泵关闭,停止注水,同时为了防止浮箱闸门内水位过高,设定高水位停泵,水位达到高水位后注水水泵自动关闭,此时控制器检测到限位开关和注水水泵停泵信号,控制器启动自动固定装置开始工作,充完磁之后,电永磁自动固定装置将产生持续吸力,此时自动固定装置断电,浮箱闸门关闭工作完成。

b.当需要打开闸门时,首先通过控制器给电永磁固定装置通电,让自动固定装置退磁,退磁完成后控制器开始启动浮箱闸门内排水水泵向外排水,此时浮箱闸门将缓缓上浮,当浮箱闸门内水位到达低水位时水泵自动关闭,然后动力船将浮箱闸门拖回至船坞内维护与检修,浮箱闸门打开完毕。

控制器在浮箱闸门打开和关闭的整个流程的控制中起着不可替代的作用,目前PLC已经广泛用于自动控制中,而且在恶劣环境中也有很好的稳定性。自动固定装置的控制器推荐采用可编程控制器PLC。

6 对河床上预留板的要求

从图2可以看出,自动固定装置需要通过河床上预留的钢板共同作用来产生吸力,预留的钢板首先须满足自动固定装置所需的最大吸力,在工程设计初期,需要把吸力的大小提供给水工专业,确保预留钢板的可靠性;预留钢板直接与水接触,钢板需具有防腐蚀性;钢板处于河床底部,容易堆积一些淤泥和其他杂物,所以在工程设计之初预留钢板处要考虑冲洗装置,建议钢板处的结构底板整体高于浮箱闸门结构底板,减少淤泥和其他杂物的堆积,确保自动固定装置与预留钢板的接触可靠。

图2 浮箱闸门内电磁固定装置安装示意图

7 应用范围分析

一般来讲,自动固定装置适用于所有浮箱闸门的固定,特别是大中型河道、有景观要求和通航要求的河道。小型河道闸门选型范围较大,往往会选择结构简单的卷扬式直升门和液压升卧门等,但大中型河道往往要考虑通航以及景观的要求,可选择性低。比如黄浦江河口建闸的布置方案中工程布置就推荐了有轨浮箱直升门方案,当遇到台风天气时,水的波浪力对浮箱闸门的冲击很大,所以自动固定装置正好解决了浮箱闸门水下固定这一难题;在其他河道建闸时如采用浮箱闸门就可适当考虑自动固定装置。

8 结论与建议

总之,浮箱闸门自动固定装置作为一种新型技术,本身不仅结构简单、造价低廉、操作方便、运行成本低,同时浮箱闸门不需要采用结构闸墩,对通航和景观无影响,平时浮箱闸门在船坞中待命,在防汛期间或其他恶劣天气时才使用,值得在大中型河道浮箱闸门中推广使用。进一步开展浮箱闸门水下固定装置配套设施的研究工作,是浮箱闸门水下固定装置产品化不可或缺的一环。关于浮箱闸门水下自动固定装置配套设施的继续研究有如下建议:

a.闸门底板水下冲洗技术的研究。冲洗首先想到的是通过高压水泵冲洗,目前国内水泵技术比较成熟,只要能提供安装环境、扬程、流量基本上国内都可以生产,其次就是水泵冲洗管的布置,这里需要考虑布置方案的可操作性和后期维护;重点是什么时候冲洗,需要有相应的仪器探测到预留钢板位置是否有淤泥;如果一些金属类垃圾不容易冲走,需要考虑利用移动式的水下吸盘打捞金属垃圾。最后是冲洗的频率问题。

b.研究防水阻水技术。自动固定装置通过和水下预留钢板共同作用才产生吸力,装置有部分区域是与水直接接触的。一方面是防止自身的腐蚀,另一方是要阻止水进入浮箱闸门内。需要研究提高防水和阻水材料的问题,此外还要继续研究防水和阻水设施更换的便捷性。

c.制定相应标准。目前针对浮箱闸门自动固定装置尚未颁布相关标准,仅可参考机械行业标准《电永磁吸盘》(JB/T 11135—2011)。但在浮箱闸门内安装的要求不同于其他场景,在实践应用过程中面临着许多挑战。对电永磁自动固定装置的安装和维护要明确要求,同时还须保障电永磁自动固定装置在浮箱闸门中的工作可靠性,此外建议相关企事业单位一起参与进来,制定相应标准,确保电永磁自动固定装置能更好地服务于浮箱闸门,为防汛事业贡献力量。