一種引水渠組合式鋼圍堰設(shè)備的設(shè)計(jì)開發(fā)

彭旭，黃新磊，盧康，胡海榮，付文楚

（中國船舶重工集團(tuán)應(yīng)急預(yù)警與救援裝備股份有限公司，武漢 430223）

1 引言

組合式鋼圍堰設(shè)備應(yīng)用于引水渠中，在不中斷輸水條件下，解決過水?dāng)嗝媲聡?yán)重變形、襯砌結(jié)構(gòu)嚴(yán)重?fù)p壞、防滲排水體系失效等水下難以修復(fù)的問題，實(shí)現(xiàn)專用圍堰適應(yīng)不同渠道斷面、可快速裝拆施工、循環(huán)使用，在圍堰維護(hù)下渠道具備局部干地修復(fù)作業(yè)條件[1]，從而降低修復(fù)難度，提高修復(fù)質(zhì)量。

2 主要設(shè)計(jì)指標(biāo)及要求

1）設(shè)計(jì)水位：≤6m；

2）襯砌等級：C20；

3）修復(fù)范圍：順?biāo)飨蚩赏ㄟ^增加圍堰單體數(shù)量自由延長，至少4m；

4）設(shè)計(jì)流速：安裝流速≤1m/s，渠道束窄后流速≤2.5m/s；

5）襯砌板地基承載力 ≥150kPa；

6）襯砌板不平整度 3cm/2m，局部凸臺1cm；

7）渠道邊坡坡比為 1∶2.0～1∶3.5；

8）圍堰部件單體規(guī)模：滿足公路運(yùn)輸和現(xiàn)場吊運(yùn)。

3 總體方案設(shè)計(jì)

組合式鋼圍堰設(shè)備主要由縱向圍堰設(shè)備（標(biāo)準(zhǔn)浮箱、標(biāo)準(zhǔn)圍堰板）、橫向圍堰設(shè)備（標(biāo)準(zhǔn)浮箱、坡角浮箱、標(biāo)準(zhǔn)圍堰板、坡角圍堰板）、錨定裝置、支撐桁架、動(dòng)力艇、輔助器材和電氣系統(tǒng)設(shè)備組成。縱向圍堰設(shè)備、橫向圍堰設(shè)備依靠動(dòng)力艇提供動(dòng)力，在不阻斷渠道輸水的前提下，水面快速拼裝、注水下沉定位、錨固、密封以構(gòu)筑形成鋼圍堰系統(tǒng)。

4 系統(tǒng)組成

4.1 標(biāo)準(zhǔn)浮箱單元

標(biāo)準(zhǔn)浮箱是組成圍堰系統(tǒng)的主體部分，每個(gè)單元包含有箱體結(jié)構(gòu)、連接裝置、橡膠止水裝置、通氣管路、注水管路等，主尺度為8.99m×2.86m×2.1m，重約128.5kN(12.8t)。

圍堰箱內(nèi)部布置有潛水泵及管路系統(tǒng)，用于箱體注水輔助圍堰設(shè)備整體下沉和圍堰中間區(qū)域注水形成干地施工環(huán)境。

圍堰箱底側(cè)和圍堰箱之間布置有橡膠止水帶，當(dāng)圍堰箱單元組合沉底后，止水帶壓緊形成水密屏障，防止渠水流入圍堰基坑[2]。

4.2 坡角浮箱

坡角浮箱主要用于渠坡和坡底交接處，其主尺度為8.86m×3m×2.0m，重約128.6kN (12.8t)，內(nèi)部布置有排水、注水系統(tǒng)。箱體甲板呈高低布置，高側(cè)上下布置有與標(biāo)準(zhǔn)浮箱的連接裝置，低側(cè)下部布置有與標(biāo)準(zhǔn)浮箱鉸接接頭。

4.3 圍堰板

上部圍堰板安裝在下部圍堰箱的上面，與其構(gòu)成了整個(gè)圍堰系統(tǒng)。主要由9個(gè)標(biāo)準(zhǔn)圍堰板[單重約17kN(1.7t)]和2個(gè)坡角圍堰板[單重約12kN(1.2t)]組成。圍堰板整體均為板架結(jié)構(gòu)，每個(gè)單元包含圍堰板結(jié)構(gòu)、連接裝置、橡膠止水裝置等。

4.4 支撐桁架

支撐桁架總成主要用于連接橫向連接2個(gè)圍堰箱主體，提升圍堰箱的整體穩(wěn)定性及剛度，由桁架片單元拼組成。

4.5 錨定裝置

為防止整個(gè)圍堰系統(tǒng)在安裝或下沉過程中發(fā)生不可控位移，在上游、下游及對岸均布置有錨定系統(tǒng)，主要包含系泊絞車、帶纜樁、系留索總成等。

4.6 動(dòng)力艇

動(dòng)力艇主要用于輔助圍堰浮箱之間的水上拼裝作業(yè)，提供人員操作平臺。

4.7 電氣系統(tǒng)設(shè)備

電氣系統(tǒng)設(shè)備包括控制柜、電纜、接地線等，主要為抽注水、錨定、動(dòng)力艇、照明設(shè)備提供電力。

4.8 輔助器材

輔助器材包含有注排水泵、柴油發(fā)電機(jī)組、緊纜器、手板葫蘆、圍堰箱注水管、圍堰箱聯(lián)通水管、圍堰箱聯(lián)通氣管、投索、拼舟具等。

5 設(shè)計(jì)計(jì)算分析

圍堰箱箱體內(nèi)部縱、橫梁采用Q355碳素結(jié)構(gòu)鋼材質(zhì)，外板和接頭采用DB685高強(qiáng)度合金鋼，圍堰結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核采用許用應(yīng)力設(shè)計(jì)方法，構(gòu)件的內(nèi)力按彈性受力階段確定，變形按構(gòu)件的橫截面進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算[3]。

圍堰的工作水位為6m，在工作水位下分別由位于斜坡上垂直水流方向的橫向圍堰箱，和位于坡底順?biāo)鞣较虻目v向圍堰箱圍合成1個(gè)渠道干地修復(fù)作業(yè)環(huán)境。選取圍堰直接承受水壓力的一側(cè)作為校核對象，重點(diǎn)分析圍堰箱體側(cè)板，校核上述結(jié)構(gòu)在工作水位下的強(qiáng)度。

5.1 建立側(cè)板結(jié)構(gòu)的三維模型

采用Creo軟件建立起側(cè)板的三維實(shí)體部件模型，各零件之間以剛性連接。同時(shí)為了減少運(yùn)算時(shí)間，刪除肘板等輔助型的零部件，這對分析結(jié)果無太大影響。

由于側(cè)板結(jié)構(gòu)型式關(guān)于中橫剖面對稱，并且受到的水壓力也關(guān)于中橫剖面對稱。因此，可以只建立起側(cè)板結(jié)構(gòu)的一半模型，以提高軟件計(jì)算效率。

5.2 網(wǎng)格劃分

側(cè)板結(jié)構(gòu)是1個(gè)較規(guī)則的部件，在對其網(wǎng)格劃分之前，首先對不規(guī)則的零件進(jìn)行適當(dāng)?shù)那蟹郑瑥亩鴮?個(gè)不規(guī)則的零件切分成多個(gè)規(guī)則的體，然后再進(jìn)行合并。由此，采用映射網(wǎng)格和六面體主導(dǎo)網(wǎng)格相結(jié)合的方法，同時(shí)控制局部零部件的尺寸大小，可以得到較為理想的網(wǎng)格。

5.3 邊界條件

圍堰箱的側(cè)板結(jié)構(gòu)四周通過角鋼與其他結(jié)構(gòu)相連。即圍堰箱的頂面、底面和端面作為側(cè)板結(jié)構(gòu)的剛性支撐，從而約束側(cè)板結(jié)構(gòu)四周的位移。同時(shí)，側(cè)板縱向間隔1 000mm布置有1根橫向立柱，在布置有立柱的結(jié)構(gòu)將其視為剛性固定約束。

5.4 仿真結(jié)果分析

根據(jù)側(cè)板結(jié)構(gòu)變形情況和結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)可得，側(cè)板結(jié)構(gòu)在6m工作水位下，其結(jié)構(gòu)最大變形為1.94mm，最大應(yīng)力位于中間立柱，其值為：252.8MPa＜[σ]=0.85[σs]=302MPa。

同時(shí)，側(cè)板結(jié)構(gòu)上立柱的受力模式為壓桿，各壓桿的受力大小如表1所示。

表1 橫向立柱的受力情況

橫向立柱尺寸為φ80×40mm，長度L=1 240mm。則兩端固定壓桿的臨界壓力為：

式中，E為彈性模量；I為截面慣性矩。

臨界壓力遠(yuǎn)大于各立柱的受力，故橫向立柱安全。

綜上，側(cè)板結(jié)構(gòu)在6m工作水位下，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

6 系統(tǒng)工作模式

縱向圍堰沿流向布置，由多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)圍浮箱單元、標(biāo)準(zhǔn)浮箱上的標(biāo)準(zhǔn)圍堰單元和2個(gè)邊浮箱橫向并排拼接組成單列縱向圍堰結(jié)構(gòu)。浮箱單元與圍堰單元為模塊化結(jié)構(gòu)，浮箱單元之間通過箱體上的連接接頭實(shí)現(xiàn)橫向拼接，并利用抽、注水系統(tǒng)進(jìn)行注水、抽水實(shí)現(xiàn)箱體下沉、上浮，沉底后縱向圍堰靠自身重力對渠底壓力產(chǎn)生的摩擦力以及錨鏈拉力抵抗外部荷載。各浮箱單元之間、圍堰單元之間、浮箱單元與渠底襯砌板之間通過水密橡膠條壓緊的方式實(shí)現(xiàn)止水。

橫向圍堰垂直流向布置，結(jié)構(gòu)形式與縱向圍堰一致，由多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)浮箱單元、標(biāo)準(zhǔn)浮箱上的標(biāo)準(zhǔn)圍堰單元與1個(gè)坡角浮箱、坡角浮箱上的坡角圍堰橫向并排拼接組成單列橫向圍堰結(jié)構(gòu)。坡角浮箱為異形斷面箱體結(jié)構(gòu)，可通過更換坡角浮箱斜面上的楔塊來適應(yīng)不同的渠道邊坡比。橫向圍堰一端通過安裝支座鉸接連接在縱向圍堰上，鉸接點(diǎn)布置在底部，橫向圍堰可繞鉸接點(diǎn)旋轉(zhuǎn)直至與縱向圍堰邊箱壓緊貼死，完成固定坡比的縱橫圍堰結(jié)合。

標(biāo)準(zhǔn)圍堰板和坡角圍堰板分別安裝固定于標(biāo)準(zhǔn)浮箱和坡角浮箱甲板面上，采用折疊及翻板形式升降。標(biāo)準(zhǔn)圍堰、坡角圍堰借助起吊設(shè)備完成展開和收攏，當(dāng)展開到位后，圍堰板與浮箱間依靠拉桿連接固定，圍堰板之間依靠連接裝置固定形成整體。圍堰設(shè)備通過圍堰板的翻轉(zhuǎn)適應(yīng)不同渠道水深要求[4]。

動(dòng)力艇主要用途為輔助各浮箱單元的水上拼裝作業(yè)，并附帶拖拽功能，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)箱體在水上整體移動(dòng)。

錨定裝置由錨鏈及錨機(jī)構(gòu)成，渠邊馬道預(yù)先設(shè)置錨機(jī)基礎(chǔ)，錨機(jī)與此基礎(chǔ)固定。錨鏈一端連接錨機(jī)，另一端連接浮箱上固纜樁，防止圍堰設(shè)備安裝、下沉過程受水流影響發(fā)生不可控位移，亦可通過收緊、松開錨鏈來調(diào)節(jié)圍堰系統(tǒng)的位置，完成設(shè)備的定位。

支撐桁架用于連接2排橫向圍堰設(shè)備，使圍堰設(shè)備形成閉口結(jié)構(gòu)形式，提高設(shè)備整體穩(wěn)定性。

輔助器材主要包括柴油發(fā)電機(jī)、壓載泵等。柴油發(fā)電機(jī)放置于渠邊馬道，為錨機(jī)、壓載泵等設(shè)備提供電力。壓載泵采用移動(dòng)式，可置于渠邊馬道或動(dòng)力艇甲板上，完成浮箱及圍堰區(qū)域的抽水和注水。

電氣系統(tǒng)設(shè)備主要為抽、注水系統(tǒng)裝置和錨定系統(tǒng)裝置提供電力，并為動(dòng)力艇充電。

干地修復(fù)專用圍堰設(shè)備縱向圍堰沿渠道流向布置，橫向圍堰連接縱向圍堰與岸堤，可組裝拼接成“┗┛”形，束窄渠道，在不中斷輸水條件下構(gòu)筑圍堰系統(tǒng)，為渠道襯砌板修復(fù)處理提供干地施工條件。縱向圍堰與橫向圍堰的浮箱單元結(jié)構(gòu)外形統(tǒng)一，制造、拼裝方便，組裝成單列單層圍堰系統(tǒng)可滿足最大6m水深、不同修復(fù)區(qū)域范圍（圍堰長度、邊坡比）要求。圍堰采用翻轉(zhuǎn)式圍堰板，結(jié)構(gòu)可靠，展收時(shí)間短，經(jīng)濟(jì)安全環(huán)保。專用圍堰設(shè)備主要是依靠浮箱注、抽水，實(shí)現(xiàn)圍堰主體結(jié)構(gòu)下沉、上浮，通過圍堰自身重力對渠底壓力產(chǎn)生的摩擦力以及錨鏈拉力抵抗外部荷載，基本上不對襯砌式渠道造成破壞。圍堰設(shè)備的組裝、下沉、定位以及拆除可以實(shí)現(xiàn)零排放，不會對渠道供水水質(zhì)產(chǎn)生污染。

7 結(jié)語

本文通過對組合式鋼圍堰總體方案、系統(tǒng)組成和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的研究，設(shè)計(jì)出一種能夠滿足引水渠施工條件的圍堰設(shè)備，有效地解決了圍堰設(shè)備運(yùn)輸、下水、安裝、下沉、定位、止水等關(guān)鍵難題，為引水渠工程應(yīng)急搶險(xiǎn)措施提供了一個(gè)新的途徑。