摩阻型攔船設施在三河閘工程中的應用

李 欣，王 豹，溫少林，龍 俊

(1.江蘇省洪澤湖水利工程管理處，江蘇 洪澤 223100；2.南京市三汊河河口閘管理處，江蘇 南京 210000)

三河閘位于江蘇省洪澤縣境內，為大(1)型水閘，設計流量12 000 m3/s，是淮河入江水道的控制性工程。三河船閘是洪澤湖大堤的穿堤建筑物，是三河閘水利樞紐的組成部分，距離三河閘工程不足3 km，是洪澤湖至高郵湖、寶應湖以及大運河的主要航道之一，通航繁忙。為防止船舶在三河閘大流量行洪時撞擊工程，在上游(洪澤湖側)已安裝攔船設施，該攔船設施在水面呈直線布置，由鋼絲繩、浮桶、拖錨、錨墩等組成，攔截能力較弱。因此，在三河閘上游安裝攔截能力強的攔船設施十分必要和急迫。

目前，水利工程中的攔船設施種類繁多。折線型攔船設施雖然具有較大的攔截能力，但每個浮桶下方均需配置拖錨，造價必然較高，且遭受船舶撞擊后恢復困難；而液壓系統的攔船設施，雖攔截能力強，但造價較高。摩阻型攔船設施攔截能力強，攔截船舶時漸進加力，無劇烈沖擊，造價不高，遭受撞擊后無損傷，恢復方便，適用于三河閘工程。

1 摩阻型攔船設施概述

1.1 摩阻型攔船設施的組成

摩阻型攔船設施由錨墩(兼摩阻機基礎)、摩阻機、鋼絲繩和浮桶組成。兩臺摩阻機相對安裝于兩岸錨墩，鋼絲繩兩端固定并預繞設計長度在摩阻機繩鼓上，架設在浮桶上，在水面呈線型布置，如圖1所示。

圖1 平面布置圖

摩阻機由機架、繩鼓、傳動系統、摩擦系統和滑輪組等組成，如圖2所示。

1.2 裝置原理

摩阻型攔船設施的工作原理是當船舶撞擊攔船設施時，鋼絲繩張緊，繩內張力逐漸達到設計值時，摩阻機轉動并釋放鋼絲繩。同時摩阻機摩擦系統產生摩阻力，通過傳動系統傳遞給鋼絲繩，從而保持鋼絲繩內張力恒定為設計值。隨著船舶下移，鋼絲繩在逆水流向的合力逐漸增大，逐步消減船舶動能并克服水流力。鋼絲繩釋放完畢前，若船舶動能及船舶受到的水流力綜合作用在設計標準內，那么，船舶將逐漸減速并最終停止，鋼絲繩呈V形攔截船舶[1-2]，如圖3所示。

圖2 摩阻機示意圖

圖3 摩阻型攔船設施呈V形牽定船舶

若船舶較小，甚至撞擊攔船設施時鋼絲繩內力小于設計值，那么摩阻機將不會轉動。

若船舶動能及水流力做功超出了攔船設施設計標準，摩阻機將轉動直至鋼絲繩釋放完畢，船舶以一定速度沖擊攔船設施。此時，如果鋼絲繩沒有破斷，且船舶禁止時受到的水流力在設計標準內，那么鋼絲繩承受沖擊時僅僅瞬時超載，但其內力將很快下降到設計值以內，船舶被攔截；若鋼絲繩破斷，則表明船舶動能與水流力綜合作用已經超出了該攔船設施極限承載能力。

無論船舶初始動能大小，只要船舶停止在水面時受到的水流力大于設計值，攔船設施將持續超載甚至破壞。

1.3 摩阻機原理

船舶撞擊攔船設施后，鋼絲繩受力， 繩鼓在切線方向受到拉力，該力通過齒輪組傳遞到摩擦系統，摩擦系統產生摩擦力。若撞擊力較小，鋼絲繩張力未達到設計值，那么，該摩擦力為靜摩擦力，起到阻止摩阻機轉動的作用；若撞擊力較大，鋼絲繩內力達到設計值，那么，摩阻機轉動，該摩擦力為滑動摩擦力，起到消耗船舶動能、抵御水流力的作用[3]。

2 攔船設施選址

三河閘上游引河平順段較短，約200 m，通過上游約650 m處喇叭口與湖面連接，如圖4所示。攔船設施可供備選的位置有三個，一是近閘位置方案一，二是湖口位置方案二，三是介于閘前和湖口之間的方案三。方案一距閘身約300 m，水面寬度約780 m；方案二距閘身約1000 m，水面寬度約1300 m；方案三水面寬度約1000 m。

圖4 三河閘上游引河地形圖

方案三雖然比方案二水面寬度窄300 m，但相對閘身方向傾斜，感觀不佳，加之節省經費不多，技術上沒有優勢，所以不予考慮。方案一攔船設施較短，投資較少，但距閘身較近，安全性較低，且由于河床斷面較小，水流速度必然較大，對攔船設施攔截能力要求較高。方案二距閘身遠，水流速度平緩，安全性高，但攔船設施較長，投資多。方案一與方案二孰優孰劣，需進行技術比較。

2.1 水流速度計算

2.1.1 方案一水流速度計算

該位置距離閘身約300 m，河床斷面如圖5所示。

圖5 方案一位置河床斷面圖

考察三河閘上游水位分別為12.5 m、13.0 m、13.5 m、14.0 m、14.5 m五種情況下閘門全開泄流時水流速度，和水位為16.0 m時泄放設計流量12 000 m3/s時的水流速度，見表1。

表1 方案一典型水位時泄放最大流量上游平均流速

方案一斷面位置流速較大，最大平均流速為1.78 m/s。

2.1.2 方案二水流速度計算

該位置處于上游湖口，專門進行了河床斷面測量，河床斷面如圖6所示。

圖6 方案二位置河床斷面圖

同樣考察上游水位分別為12.5 m、13.0 m、13.5 m、14.0 m、14.5 m五種情況下閘門全開泄流時水流速度，和水位為16.0 m時泄放設計流量12 000 m3/s時的水流速度見表2。

表2 方案二典型水位時泄放最大流量上游平均流速

方案二斷面最大平均流速為1.26 m/s，低于方案一斷面處最大平均流速。

2.2 位置比較

方案一斷面處最大流速為1.78 m/s，對攔船設施要求較高，需裝置較大摩阻機，采用較粗鋼絲繩，且距閘身過近，安全性較低。

方案二斷面處最大平均流速為1.26 m/s，在平原地區河道屬正常流速，適宜裝置常規摩阻型攔船設施。

決定選用方案二。

3 船舶狀況與設計標準

雖然三河閘工程不具有通航功能，但是三河船閘工程緊鄰三河閘工程，極有可能在三河閘工程大流量行洪時，上游船只順水流進入三河閘行洪區域，發生撞擊水閘事故。根據三河船閘的通航能力，攔船設施設計標準確定為2000 t。

4 攔船設施技術方案

4.1 摩阻機選型

攔船設施設置在湖口，流速為1.26 m3/s，選用MZJ-75系列摩阻機，兩岸各裝配一臺，配置鋼絲繩為6×37-φ21.5鍍鋅鋼絲繩。由于三河閘閘身長，攔船設施設置在河口，長度超過1300 m，要發揮摩阻型攔船設施的優勢，需要摩阻機繩鼓上裝置足夠長度的鋼絲繩。按船舶撞擊攔船設施后下滑650 m時被攔截計算，每個摩阻機上需裝置270 m鋼絲繩。繩鼓直徑50 cm，裝置3層鋼絲繩，摩阻機有效繩鼓長為117 cm。主要技術指標見表3，型號設為MZJ-75-117。

表3 三河閘攔船設施摩阻機主要技術指標表

4.2 摩阻機安裝高程

三河閘上游最高水位15.23 m，最低水位9.66 m，汛期正常高水位13.5 m，鑒于摩阻機不宜浸水但滑輪組可以浸水，同時考慮改善低水位時鋼絲繩受力，將摩阻機基礎底板頂高程定為12.8 m，這樣攔船設施鋼絲繩兩端高程約為13.0 m。

4.3 繩網布置與浮桶設計

一根鋼絲繩(主索)兩端固定并預繞設計長度于摩阻機繩鼓上，架設在浮桶上。在主索上方和下方各增設一根鋼絲繩(副索)，間距40 cm，下面一根鋼絲繩距水面約35 cm，以防止小船由鋼絲繩下方穿過或大噸位空船從鋼絲繩上方掠過。副索兩端連中間鋼絲繩，河道中連浮桶，如圖7所示。

圖7 浮筒示意圖(單位：mm)

浮桶主要為了架設鋼絲繩，應能夠達到遭受船舶撞擊后不解體、不下沉，因此，不可用航標代替浮桶。浮桶的要點如下：

(1)宜為圓桶狀，選用聚乙烯浮桶，價格較低，維護方便。

(2)為增強浮桶的整體性，設置鋼管上下貫穿浮桶。鋼管上部設3根鋼筋(與鋼絲繩匹配)，用繩扣將鋼絲繩固定在該鋼筋上(不應穿環或穿孔連接，因浮桶在風浪作用下不斷搖晃，鋼絲繩易磨損)。鋼管下部配重，保持浮桶在鋼絲繩作用下不傾覆。

(3)浮桶在自重和鋼絲繩的重力作用下桶體應浮出水面25～30 cm[4-5]。

安裝攔船設施處水面寬度1300 m，按13 m一個計，需浮桶100個。

4.4 鋼絲繩配置

選配6×37-φ21.5鍍鋅鋼絲繩，主索與兩岸摩阻機相連，約需1600 m，副索兩端與主索相連，約需1400 m，計3000 m。

4.5 錨墩設計

選用如圖8所示結構形式的錨墩。該形式錨墩適用于安裝摩阻機，一定程度上利用了土重抗滑。

圖8 攔船設施錨墩示意圖(單位:高程m，其他mm)

5 攔船設施安裝與維護

5.1 攔船設施安裝步驟

安裝摩阻機→安裝主索→安裝浮桶→安裝副索→張緊鋼絲繩，將摩擦裝置彈簧調整到設計位置。

5.2 攔船設施安裝注意要點

(1)主索應穿過垂直定滑輪并與水平定滑輪相切，為防止鋼絲繩脫槽，可在水平定滑輪支架上焊裝卡環限制鋼絲繩。

(2)鋼絲繩與摩阻機連接應緊固，并分層有序繞裝在繩鼓上。

(3)浮桶通過卸扣與鋼絲繩扣緊。

(4)副索兩端連接在水平定滑輪外側的主索上。

(5)最后張緊鋼絲繩，將摩擦系統彈簧調整到設計位置。

5.3 攔船設施維護要點

(1)封閉保護摩擦系統彈簧調節裝置，防止人為破壞或誤操作。

(2)每年調試保養一次。

(3)每月至少巡視一次，防止發生人為破壞導致系統失效，務必保持摩擦系統彈簧壓縮量維持為設計值。

6 結 語

摩阻機運轉時鋼絲繩內力恒定，但鋼絲繩在逆水流向的合力初始較小，隨著船舶位移增大而逐漸增強，對船舶無劇烈沖擊，有利于船舶自救，防止沉沒。攔船設施攔截船舶歷時數分鐘之久，有利于安全救援。攔船設施遭受撞擊后無損傷，恢復方便。

三河閘工程應用摩阻型攔船設施，按照攔截2000 t船舶設計，選用6×37-φ21.5鍍鋅鋼絲繩即能滿足要求，攔船設施結構簡單，相應摩阻機、錨墩均較小，造價較低，可在大中型水利工程中推廣應用。