永定新河治理一期防潮閘工程金屬結構工程設計淺談

周梁山 易 偉

永定新河位于天津市區北側,是天津市北部的防洪屏障,河道開挖于1971年,西起北辰區的屈家店,東至塘沽區的北塘鎮入渤海。河道全長66km。永定新河治理一期工程的主要項目有河道清淤以滿足洪水下泄;閘下右岸新建碼頭1座,以解決未建閘前停泊在閘址上游的魚船停靠問題;新建防潮閘1座以實現洪水控泄、擋潮及阻擋海潮帶來的泥沙對閘上河道的繼續淤積等。

1 設計方案的選擇

由于是在出海口建閘,根據地形和水工要求,防潮閘采用深淺孔結合的布置方式。在工程設計中對這一布置進行了多種方案的比較。方案有大、小孔口方案之分。小孔口布置又分為24孔的小孔口方案1、28孔的小孔口方案2;大孔口布置則為20孔方案,其中大孔口方案又分為固定卷揚啟閉機方案和液壓啟閉機方案。下面就幾個方案進行說明和論述。

1.1 小孔口方案1

小孔口方案1即比較方案1。其布置為14孔深孔布置在河道中間,底板高程為-6.0m,孔口凈寬為10m,10孔淺孔位于深孔兩側,左邊孔為4孔,右邊孔為6孔,底板高程均為-4.0m,孔口寬與深孔相同。所有閘門最高擋水位3.43 m。淺孔工作閘門采用10m×7.9m-7.43 m(寬×高-設計水頭,下同)的平面定輪鋼閘門。由于是擋潮閘,所以閘門需雙向止水,止水設在閘門下游側,閘門動水啟閉,啟閉設備采用2×400kN的固定卷揚式啟閉機。深孔工作閘門采用10m×9.9m-9.43 m的平面定輪鋼閘門,閘門止水布置與淺孔相同,動水啟閉。啟閉設備采用2×630kN的固定卷揚啟閉機。啟閉機的安裝高程18.5m,并設啟閉機房。

考慮工作閘門及門槽的檢修,在工作閘門的上、下游各布置檢修閘門門槽1道(如圖1所示)。上下游各設檢修閘門3套,每套為疊梁式平板滑動式鋼閘門。為了以后工程管理的方便,所有深孔和淺孔共用相同的檢修閘門,且所有各節疊梁結構尺寸相同以便于互換。下游檢修閘門的檢修水位為2.44m,其閘門參數為10m×9.0m-8.44m。上游檢修水位1.0m,檢修閘門參數為10m×7.5m-7.0m。考慮閘門的啟閉設備采用2×100kN移動式電動葫蘆,并各配1套機械式自動抓梁用于檢修閘門的操作。

圖1 比較方案

工作閘門的運行與控制:既可現地操作、又可遠程控制,遠程控制放在控制室內。檢修閘門使用為現地操作,不用時存放在左、右岸的門庫內。

1.2 小孔口方案2

即比較方案2,是28孔的小孔口方案,其中14個孔深孔布置在中間,底板高程為-6.0m孔口凈寬為10m,14孔淺孔位于深孔兩側,左邊孔為6孔,右邊孔為8孔,底板高程-2.5m,孔口寬度與深孔相同,所有閘門最高擋水位3.43 m。工作閘門類型與啟閉機布置和檢修閘門形式及啟閉設備布置與比較方案1基本相同。這里不再多敘。從這里看出方案1、方案2的金屬結構布置沒有多大本質區別。

不論是24孔方案還是28孔方案,由于每孔采用單扇工作閘門進行控制,其運行方式單一,僅能滿足泄洪要求。對于河道納清潮水進行沖淤等其它的運行功能無法滿足,所以我們又提出了大孔口的方案。

1.3 大孔口方案

大孔口方案中孔口數量為20孔。其中中孔8孔,底坎高程為-6.0m,最高擋水位3.43 m,每孔設15m×9.8m-9.43 m工作閘門1套。除中孔外,另有12個邊孔,在其左、右兩側各6孔對稱布置,底坎高程均為-1.0m,設15m×4.8m-4.43 m平面定輪式工作閘門12套。8套中孔工作閘門采用平面雙扉定輪式閘門(以下簡稱:雙扉門),和一般上扉門僅能向上運行的普通雙扉閘門不同,永定新河防潮閘的雙扉門的上、下扉閘門均可獨立上下運行。閘門雙向止水,上扉門布置在下游側可以沿門槽上、下移動,從而實現了將海潮表層的清水灌入上游河道內用于河道沖淤等用途。邊孔工作閘門亦為雙向止水。閘門運行方式如下:納海潮表層的清水時下扉門關閉,上扉門根據潮位向下移動使潮水進入河道,當河道水位到達沖淤要求時將上扉門恢復原位;沖淤時上扉門不動,開啟下扉門利用較大流速進行沖淤;在泄洪時則上、下扉門同時打開到最高位置,左、右邊孔亦同時打開,使防潮閘所有孔口敞泄;實現最大泄洪量4820m3/s的要求。

大孔口方案的工作閘門啟閉機布置有2個方案,其中方案1為8套雙扉門的上、下扉門葉均采用固定卷揚式啟閉機操作,上扉門啟閉機容量為2×250kN,下扉門啟閉機容量2×630kN,2套啟閉機安裝在孔口上方的機架橋上,高程為14.2m,揚程均為13 m。其它12個邊孔閘門也采用2×250kN固定卷揚式啟閉機,揚程均為8.5m,安裝高程相同。啟閉機均設有起升高度傳感器和主令開關,啟閉機的控制方式為現地操作和遠程控制2套方式;方案2雙扉門的上、下扉門葉均采用液壓式啟閉機操作,上、下扉門啟閉機的容量與固定卷揚式啟閉機相同,2套液壓啟閉機安裝在閘墩上的排架柱上,高程為14.0m,揚程均為12.5m。為了防止海水對活塞桿的腐蝕,在與閘門相連的活塞桿采用國外先進的表面鍍陶瓷技術。每孔2套液壓啟閉機共用1套液壓泵站系統,每套液壓泵站設2套電機油泵組,互為備用;其它12個邊孔閘門也采用2×250kN液壓啟閉機,揚程均為8.5m,采用普通液壓啟閉機,由于水閘地處海濱,所以啟閉機的活塞桿采用鍍鉻防腐。每2套啟閉機共用1套液壓泵站系統,每套液壓泵站設2套電機油泵組,互為備用,液壓泵站布置在啟閉機房內。啟閉機控制方式與固定卷揚式啟閉機方案相同。

1.4 大孔口方案的比選

大孔口方案1的優點是①布置簡明,啟閉機房建筑高度低;②固定卷揚式啟閉機的造價較低。缺點是①啟閉機安裝平臺高程高;②鋼絲繩及動滑輪組長期浸泡在海水中,影響使用壽命,如有淤積物將影響動滑輪組的正常工作;③不銹鋼鋼絲繩采購難,鋼絲繩如需更換時,其工作量巨大,且非常不便,為日常維護帶來很大困難;④固定卷揚式啟閉機的布置需要機架橋,而該方案機架橋的荷載約1900kN,且跨度在16m之大,土建工程量增加非常大;⑤由于上扉門啟閉機的鋼絲繩長期處在負荷狀態,需設鎖錠鎖住上扉門,這就影響其泄洪和其它功能的使用,降低了閘門操作的靈活性。

方案2的優點是①采用陶瓷活塞桿可以很好解決海水腐蝕的問題;②免去了固定卷揚式啟閉機布置所需的承重機架橋,該方案啟閉機布置在閘墩的排架柱上方,而不是在機架橋的跨中,從而減輕了機架橋的承重結構,節省了土建工程量;③液壓啟閉機日常維護工作量非常小;④由于液壓啟閉機的液壓系統的自鎖功能使上扉門無需專設鎖錠,閘門運行靈活不影響泄洪等其它功能的實現。缺點是①啟閉機造價略高;②啟閉機房建筑高度較高;經綜合比較將方案2做為最終工程方案,如圖2所示。

大孔口的2個方案的檢修閘門布置與其它方案基本相同(如圖2所示)。為此僅作簡單敘述,即每節疊梁高1.8m,所有疊梁可以互換。疊梁采用2×200kN移動式電動葫蘆通過機械自動抓梁進行操作。由于啟閉容量較大機械抓梁不宜采用重錘式,而改用掛脫自如式機械抓梁。雙吊點電動葫蘆采用電氣同步。防潮閘的左、右岸的控制樓內設有檢修閘門門庫,疊梁檢修閘門不用時存放在門庫內。電動葫蘆和抓梁亦可放在操作樓的一樓內,以便于保管維護。

圖2 工程方案

2 雙扉門的幾個設計特點

2.1 水封

雙扉門孔口寬15m,根據納潮最低水位0m的要求,雙扉門的下扉門門高5.53 m,上扉門門高4.63 m。其支撐跨度為15.4m,閘門總重79.97 t。由于閘門是雙向擋水,且又是雙扉閘門,閘門的水封布置尤為重要,考慮到閘門只有在全關時才要求上、下游不漏水,在其它工況時不要求閘門水封全部工作,所以水封設計的關鍵在于上扉門的底、側水封與下扉門頂部及側水封的銜接。設計中采用胸墻式連接方式,即下扉門頂部設鋼結構胸墻作為上扉門底水封的水封座,具體連接方式如圖3所示。

圖3 節間封水示意圖

2.2 滾輪

雙扉門的行走支撐為懸臂輪,由于雙向擋水所有懸臂輪也是雙向支撐,輪徑Φ950mm,材質ZG270-500,單個最大輪壓為550kN,由于閘門跨度大,主梁變形會影響懸臂輪正常工作,為此滾輪軸承采用;雙金屬自潤滑關節軸承,尺寸為Φ320/Φ220,該軸承傾斜角為2°足以抵消由于荷載引起的主梁變形對滾輪行走的影響,從而保證閘門平穩運行。為減小下扉門鋼結構胸墻的尺寸,上下扉門之間的門槽埋件采用一套鋼結構箱型軌道,并在一期混凝土中按照二期精度埋設。

2.3 閘門與啟閉機的連接

雙扉門的啟閉分別采用兩套液壓啟閉機操作上、下扉門,液壓啟閉機通常采用活塞桿通過關節軸承與閘門上的吊耳軸直接相連的方式連接。而在本工程中液壓啟閉機工作行程12.3 m,最大行程12.5m,安裝在啟閉機排架柱上(參見圖1)。為了防止因制造、安裝等因素造成閘門可能發生側向位移時引起活塞桿承受彎矩,在設計中采取了下列措施:①所有液壓啟閉機油缸上部與法蘭連接,法蘭底面為一球面并與機架頂部球面接觸,使油缸能在最大行程范圍內向任何方向擺動,以補償啟閉機及門槽安裝的誤差;②在閘門吊耳和活塞桿吊頭之間加一節短拉桿,由于短拉桿兩端均是鉸接,所以活塞桿不再承受由于閘門可能發生側向位移時所引起的彎矩。通過以上兩個措施以保證液壓啟閉機正常運行。

3 液壓啟閉機主要技術特點

永定新河防潮閘工程采用的液壓啟閉機為QPPY-Ⅱ型單作用活塞式液壓啟閉機,僅從活塞桿表面防腐技術上分,本工程有兩類液壓啟閉機。第1類型是常規活塞桿表面鍍鉻技術液壓啟閉機;第2類型是先進的活塞桿表面鍍陶瓷技術液壓啟閉機。前者用于左、右邊孔和中孔上扉門的啟閉機;后者用于長期處于海水浸泡的中孔下扉門液壓啟閉機。活塞桿表面鍍陶瓷技術較常規技術有兩個優點,其一正如前面所提到的耐腐蝕性;其二是該技術還復合了增量式無觸點行程測量裝置CIPS技術,使液壓啟閉機設計中無需在液壓缸內另置傳感設備從而減短了液壓啟閉機的長度尺寸。此外該技術精度高,傳感器測量在精度1mm以內。可以保證傳感器雙路信號同步輸出,并由自動控制的液壓系統完成其糾偏動作,從而使液壓啟閉機雙缸工作時盡量同步。常規液壓啟閉機的行程傳感器采用內置鋼絲繩卷筒式,增大了液壓啟閉機的長度尺寸且有鋼絲繩疲癆松弛后降低測量精度的缺點。

4 金屬結構防腐設計

永定新河防潮閘工程位于渤海灣永定新河出口處,閘的上、下游均是海水,工作閘門及所有埋件長期浸泡在海水中,采用普通防腐方案很難保證閘門長期正常工作而不受海水的侵蝕。為此采用了熱噴涂金屬保護加環氧類封閉涂料+陰極保護犧牲陽極法的聯合防腐方案。由于陰極保護犧牲陽極法的閘門防腐應用的較少,所以僅就這方面進行簡要的介紹和說明。

防潮閘金屬結構采用的是犧牲陽極法。陰極保護范圍是防潮閘的所有工作閘門、工作閘門埋件及所有檢修閘門埋件。設計保護年限15年,陽極采用鋁合金塊。布置方式閘門按上、下游水位分別布置陽極塊;埋件則分別布置在正、反軌及底坎上。陽極總用量約14.856 t。

5 結 語

永定新河一期工程金屬結構大孔口方案為防潮閘提供了新的運行方式,工作閘門采用的超大型雙扉閘門,在國內亦為罕見;鍍陶瓷活塞桿液壓啟閉機在國內也是先進的液壓啟閉機機型;閘門及埋件采用熱噴涂金屬保護加環氧類封閉涂料+陰極保護犧牲陽極法的聯合防腐方案亦為工程實際所需;永定新河防潮閘共有工作閘門20套、檢修閘門4套、各類閘門埋件60套、液壓啟閉機28套、移動式電動葫蘆2套等設備,總計金屬結構工程量約1879 t。