天津市薊運河閘除險加固工程金屬結構設計

劉國軍 吳繼彬

1 原閘情況簡介

薊運河防潮閘位于天津市北塘薊運河入永定新河的河口處,是宣泄薊運河洪澇水的控制性工程。該閘建于1974年,是一座排澇、泄洪、擋潮、蓄淡、為上游兩岸提供農業用水、具有綜合效益的大型水閘。

薊運河防潮閘上游側為薊運河側,下游側為永定新河入海口。沿河側向海側,金屬結構布置依次為工作閘門和檢修閘門。

工作閘門共12孔,要求雙向擋水。根據工作閘門底檻高程的不同,將工作閘門分為邊孔工作閘門、內邊孔工作閘門和中孔工作閘門3種。其中邊孔2孔,內邊孔2孔,中孔8孔。內邊孔和中孔為雙扉閘門。3種工作閘門的孔口寬度均為8m,閘門型式均為定輪閘門。邊孔工作閘門的啟閉設備為2×150kN臺車式啟閉機。中孔和內邊孔上閘門均用2×150kN臺車式啟閉機啟閉,下閘門均用2×250kN固定卷揚式啟閉機啟閉。

工作閘門下游側設1道檢修閘門門槽,共12孔,設2套疊梁檢修閘門,孔口寬度為8m。檢修閘門的啟閉采用1套2×100kN電動葫蘆,并通過2×100kN機械自動抓梁進行操作。

2 原閘金屬結構存在的問題

薊運河閘金屬結構在管理運行中存在以下問題:

(1)雙扉閘門漏水情況嚴重。(2)上閘門銹蝕嚴重,已無法滿足工程運行要求。(3)上閘門采用移動臺車操作不方便。(4)由于閘門淤積較嚴重,下閘門啟閉設備的啟閉容量不足。(5)閘門控制方式較為陳舊,運行管理不方便。(6)下閘門啟閉機的零部件型號陳舊,采購維修困難。

3 除險加固設計

金屬結構改造方案為對中孔和內邊孔下閘門、下游檢修閘門進行大修,中孔和內邊孔上閘門、邊孔閘門及所有閘門啟閉設備全部更新并增設上游疊梁檢修閘門的方案。

內邊孔布置除底檻高程和下閘門高度與中孔布置不同外,其余布置均相同。內邊孔閘門底檻高程為-4.0m,下閘門高度為2.75m。邊孔閘門底檻高程為-1.25m,閘門高度為4.45m。

3.1 檢修閘門

為了檢修雙扉閘門,在雙扉閘門的上游側和下游側均設置檢修閘門。閘門型式為平面疊梁鋼閘門。上游側和下游側均設置2套檢修閘門,12孔閘共用。上游側檢修閘門由4節完全相同的門葉組成,每節的高度為1.83 m,可相互替換。上游側檢修閘門的設計參數為:8.0m×7.32m-7.0m(寬×高-設計水頭,下同)。下游側檢修閘門由5節門葉組成,單節門葉和上游側閘門的單節門葉完全相同。下游檢修閘門的設計參數為8.0m×9.15m-7.0m。閘門主支承為HTN復合材料滑塊。上游側檢修閘門止水設置在上游側,下游側檢修閘門止水設置在下游側。檢修閘門平時利用抽拉式鎖錠裝置鎖定在門槽頂部高程處。

上游側和下游側檢修閘門均由2×100kN移動式電動葫蘆通過2×100kN機械如意式自動抓梁操作。門葉在靜水中放下,啟門時先提升上節門葉200mm進行節間充水,待門葉前后水位相同后,再依次提起各節門葉。

3.2 工作閘門

工作閘門共12孔,均應滿足雙向擋水要求,其中,中孔8孔、內邊孔2孔、邊孔2孔。中孔和內邊孔均為雙扉閘門。雙扉閘門分為上閘門和下閘門,中孔和內邊孔上閘門的設計參數相同,均為:8.0m×4.45m-4.14m;中孔下閘門的設計參數為:8.0m×4.75m-4.89m;內邊孔下閘門的設計參數為:8.0m×2.75m-4.89m。邊孔閘門的設計參數為:8.0m×4.45m-4.14m。

上閘門處于工作狀態時通過自動式鎖錠鎖住,保證上閘門的止水不銹鋼復合鋼板和下閘門頂止水接觸良好。雙扉閘門的設計關鍵在于節間止水,節間止水效果直接關系到閘門的封水效果。原閘門漏水非常嚴重,不僅是由于水封老化嚴重,主要是上下閘門結合處不嚴密所造成的;并且原閘門的水封設計不夠完善,理論上也存在漏水可能。此次改造著重于上下閘門結合處的設計。上閘門底部與下閘門頂部水封接觸的鋼板為不銹鋼復合鋼板。考慮到普通橡皮和不銹鋼的摩擦系數較大,如果上閘門在下門的過程中,由于橡皮摩擦力較大而無法下門,上下閘門就無法嚴密接合,因此下閘門頂水封采用山型聚四氟乙烯塑料復合水封,這種水封與不銹鋼的摩擦系數較小,可以滿足上閘門的下門要求。這種水封也可以滿足上下閘門經常啟動的要求。

由于上下閘門沿水流方向有一定的距離,為了保證封水嚴密,上下閘門的側水封在相互接合處需要做拐角,保證水封能夠接觸上并有一定的壓縮,使上下閘門水封能夠接合嚴密。如圖1所示,拐角處水封為雙P45型水封。由于拐角部分的水封為水平布置,在閘門上下運行的過程中非常容易翻轉,因此水封壓板采用防翻轉壓板(見圖1,件2),并且在上閘門雙P45型水封中間設置了2塊工程塑料合金(見圖1,件1),工程塑料合金的高度可以保證水封壓縮量不大于6mm。工程塑料合金的作用是防止閘門往一側偏斜過大,如果閘門偏斜過大側水封受壓力較大,在閘門上下運行的過程中,水封很容易翻轉。經工程實際檢驗,在雙P45型水封中間安裝工程塑料合金可有效防止水平布置的拐角水封翻轉。工程塑料合金的數量依實際情況而定,最好不少于2塊。

圖1 工作閘門水封

為了保證上閘門和下閘門之間的止水效果,上閘門和下閘門的距離不宜太遠。由于雙扉閘門的上閘門和下閘門距離比較近,考慮到上閘門的下游側埋件和下閘門的上游側埋件受空間限制,因此將上閘門的下游側埋件和下閘門的上游側埋件做成一體。在上下閘門止水與埋件接觸部位焊接4mm厚的不銹鋼板,保證止水橡皮與不銹鋼板接觸。薊運河中的河水水質較差,因此所有閘門埋件外露表面均采用不銹鋼復合鋼板。

中孔及內邊孔下閘門的啟閉機為2×400kN固定卷揚啟閉機,中孔、內邊孔上閘門及邊孔閘門的啟閉機為2×160kN固定卷揚啟閉機。啟閉機的減速機采用三環式減速機。

4 結 語

上下閘門止水接合的嚴密性是雙扉閘門的設計關鍵,需要考慮諸多細節,才能保證所有止水部位均能結合緊密。目前,該工程已投入運行,閘門封水效果良好。