摘 要： 随着广州城市的扩张, 南沙新区的建立, 新区的堤防建设、路桥建设、景观建设及水环境整治等的需要, 无上部排架结构的钢闸门逐渐得到广泛的运用。顶升式平板钢闸门是一种无跨河上部结构的闸门形式, 由液压启闭机、土建结构、平板钢闸门门体等组成。通过广州市南沙区竹湖南水闸工程中的水闸工作闸门为实例, 探讨顶升式平板钢闸门在城市水务工程中的推广应用。
关键词： 液压顶升式闸门; 景观; 水闸;
Abstract： With expansion of Guangzhou city and establishment of Nansha new district, in the need of dike establishment, road and bridge establishment, landscape establishment, and water environment treatment, the non upper shelf structure sluice gate has been widely application. Hydraulic jacking sluice gate is a non upper shelf structure gate style. It contains hydraulic hoist, relative civil structure, and flat vertical gate. This paper used Zhuhunan sluice of Guangzhou Nansha district as an example, discussed how the Hydraulic jacking sluice gate popularization and application in urban water project.
Keyword： hydraulic jacking sluice gate; Landscape; sluice gate;
1、 概况
本工程建设范围西起广州南沙灵山岛尖南岸京珠高速路, 东至上横沥大桥与灵山岛尖南段海岸及滨海景观带建设工程相连接, 总长596 m。工程建设内容主要包括按200年一遇洪水标准对现状堤防进行达标加固, 新建竹湖南节制闸1座。水闸主要任务为平时关闭闸门维持堤内景观水位并抵挡外江潮水;当内河水位发生内涝时, 开启闸门。水闸闸室净宽12 m, 闸内最高常水位5.3 m, 底坎高程为2.5 m, 闸外挡潮水位7.93 m。
闸门平时关闭挡水, 保持涌内4.7～5.3 m的景观水位, 当内涌水位高于5.3 m并高于外江水位时, 开闸排水。当外江发生洪潮时, 闸门关闭挡水, 最高挡水水位为7.93 m。水闸平面布置图见图1。
图1 水闸平面布置图
2 、方案比选
作为广州市南沙区堤防工程的一部分, 竹湖南水闸应具有排涝、引水改善水环境、挡潮等综合功能。除此之外, 还需根据景观方案的布置, 保证景观方案的顺利实施, 避免水闸结构布置对景观效果产生不利影响。本工程的闸门与启闭机型式均遵循景观的要求, 避免传统闸门布置中闸墩上屹立的启闭机排架, 同时满足防潮排内涝的要求。因为平板闸门具有结构简单、易于制造和安装、工程造价相对较低、建筑物顺水流方向的尺寸较小等特点, 所以本次设计推荐选用平面钢闸门为水闸的工作闸门。根据闸门移动方式的不同, 对顶升式平板门、翻板闸门和横拉式平板闸门进行比较分析, 最后选出符合本工程要求的闸门与启闭机。
2.1、 翻板闸门
翻板闸门比较常见的包括水力自控翻板闸和液压翻板闸。水力自控翻板闸门是利用水力和闸门重量力矩及转动摩阻力距之间平衡的原理, 随上下游水位变化自动启闭的自控闸门[1]。闸门布置上具有不需要人为控制, 不需要启闭设备及相应排架, 完全由水力大小自动控制启闭的特点。但是结构制造复杂, 需要增加闸墩长度和高度;存在频繁摆动、“拍打”等不稳定现象, 且不能按景观要求精确控制水位, 操控不灵活。
液压翻板闸是在水力自动翻板闸门基础上, 增设了液压启闭机系统来控制闸门的启闭。结构与水力自动翻板闸类似, 启闭形式较灵活, 可根据需要控制闸门的开度。但是闸门液压缸容易受到水流冲击及垃圾缠绕, 不利于启闭的安全。
2.2、 横拉闸门
横拉闸门是沿水平轨道左右移动门叶来启闭闸孔的闸门。当闸门开启时, 门叶将全部移入门库;当闸门关闭时, 与埋件的支座相连, 以承受水压力。该门型地面无建筑物, 与周边环境易于协调。横拉式平板闸门需要预留门库, 占地面积大;门库和门坑易受泥沙淤积的影响;只能静水中操作运行, 不适用于本工程动水启门的工况。
2.3、 顶升式闸[2]
顶升式钢闸门选用的门型为平板闸门, 垂直启闭, 结构布置简洁。运行上具有平板闸门的优点, 闸门启闭不易受淤泥的影响, 检修维护方便;平时液压杆在闸门关闭时隐匿闸墩中, 只有在起门时才伸出闸墩, 无跨河建筑物, 视觉通透性较好, 满足景观要求。
综合比较上述各种闸型及其启闭机的布置特点, 选用顶升式平板钢闸门为水闸的工作闸门。其布置结构型式见图2。
图2 闸门布置图
3、 闸门的运行特点
闸门处于关闭状态时, 门叶直立在门槽中, 实现抵御外江洪潮和维持景观水位功能;闸门打开时, 由液压缸把门叶顶升至闸孔以上, 实现排内涝的功能。工作闸门在全开位置时门底高程5.5 m, 门顶高程8.5 m, 不超出闸顶程9.0 m。该布置方式巧妙实现闸门启闭隐匿于路桥之下, 排水位之上, 不容易受水流冲击, 不需要设置启闭机室, 不影响周边景观观海效果。除此之外, 闸门可小开度冲淤, 运行管理方便。见图3。
图3 闸门全开全关示意图
4、 闸门设计
4.1、 闸门门叶布置
闸门门叶结构按挡设潮水位7.93 m设计, 底槛高程为2.5 m, 潜孔式布置, 胸墙底高程为5.50 m, 则闸门门叶尺寸为12 m×3.0 m (宽×高) 。
闸门为潜孔式平面滑动钢闸门, 门体结构类型参照平面闸门的门叶结构, 面板布置在内江侧, 在面板后设置三主横梁、次横梁、纵梁以及边梁的结构型式。主横梁梁格按等荷载布置, 采用实腹式工字钢截面焊接结构;次横梁布置在闸门顶部和底部, 型式采用槽钢;纵梁截面采用T型焊接结构;边梁同样采用实腹式焊接工字钢结构。所有的主横梁、次横梁以及边梁采用同层布置。闸门两侧设启闭机连接装置, 截面型式为焊接双腹板工字钢截面, 由面板、边梁后翼缘及之间的连接板、加强板组成。闸门的吊点中心距为13.46 m。
为保证满足工程有挡潮及维持景观水位的要求, 在闸门的内外江两侧均布单p头截面型的橡胶水封, 以实现双向挡水要求。当需要挡外江洪潮时, 闸门内江侧水封压向止水座板, 实现挡水;当需要维持景观水位时, 闸门外江侧水封压向止水座板实现挡水。底水封采用常规的刀型橡胶水封。止水螺栓均采用不锈钢螺栓, 便于更换。正反向支撑采用自润滑滑块。闸门支承中心距为12.6 m, 侧止水中心距为12.18 m。闸门检修吊耳结构布置在闸门门顶上主横梁腹板上, 吊点中心距为12.19 m。门叶结构采用Q235B。门叶结构布置见图4。
图4 门叶结构图
4.2、 闸门结构设计
该闸门主要用于维持景观水位并抵御外江潮水, 考虑到检修期间遭遇潮水, 底槛高度为2.5 m, 外江挡潮水位7.93 m。设计挡水水位差5.43 m (外江挡洪水位7.93-底槛高程2.5 m) 。面板厚度按下式计算:
根据计算结果并考虑锈蚀厚度, 选定面板厚度为12 (mm) 。采用近似取相邻间距和之半法分别计算梁的荷载, 最底部的3#主梁受力最大, 考虑动荷载系数, 为74.55 kN/m。荷载作用下最大弯矩为1 477.8 kN/m, 最大剪力为454.01 kN。因此, 选取主梁截面高度为1.2 m、前后翼缘为0.3 m、板厚16 mm的焊接工字钢结构。计算得出, 前后翼缘正应力、主梁剪应力均在材料许用应力的标准范围内, 且主梁腹板高度与厚度之比h0/δ=1 200/16=75小于80, 满足稳定性要求, 可以不配置肋板。
4.3、 闸门启闭力设计
设计启闭水位:岛内水位 (岛内最高水位6.30 m) 高于外江水位, 且内外水头差不大于6.3-4.7=1.6 m时。顶止水承受的水柱Ws=4.95 k N, 闸门重量G=159 k N, 滑动支撑摩阻力Tzd=106 kN, 止水摩阻力Tzs=34.5 k N, 根据启闭力计算公式:
闭门力:Fw=1.2× (TZd+TZS) -G-Ws=4.65 k N
启门力:Fq=1.2× (TZd+TZS) +G+Ws=332.55 k N
需加重15 k N混凝土加重块使闸门能自重下闸, 选用混凝土加重块尺寸1 m×1 m×0.1 m (长×宽×高) , 一共6块, 布置在主梁腹板上。
5、 结语
本文综合分析了较为常见的无上部排架结构的平面闸的型式和特点, 结合工程防洪、防潮、排内涝及景观等要求, 根据景观方案的布置, 保证景观方案的顺利实施, 避免水闸结构布置对景观效果产生不利影响。水闸的门型选择闸门采用顶升式潜孔钢板闸。该门型成熟可靠, 检修维护简单, 闭门可以实现挡潮及维持内涌景观水位功能;闸门全开状态时, 可以实现排内涝功能。在水闸运行过程中, 闸门不露出地面。这种布置方式能有效满足水利功能、景观及美学等要求, 做到“无痕有为”。
参考文献
[1]李珍祥.车陂涌水闸闸门选型及设计[J].广西水利水电, 2016 (3) :35-38.
[2]张毅.液压式顶升水闸在城市水务中的应用[J].中国农村水利水电, 2015 (2) :166-167.
