廣州市增城區(qū)初溪水利樞紐船閘工程金屬結(jié)構(gòu)設計

鄔顯強 鄭建坤 李強 黃亞棟

摘要：廣州市增城區(qū)初溪水利樞紐船閘工程位于增江畫廊，景觀要求高，船閘使用頻繁，對船閘的金屬結(jié)構(gòu)設計提出了較高要求。結(jié)合該船閘的特點及樞紐布置方案，運用BIM技術(shù)，從景觀效果、可靠性、經(jīng)濟性等方面，對船閘閘門及閘門啟閉設備的布置選型、主要技術(shù)參數(shù)選取、設計思路等方面進行了研究，探討了浮式系船柱的布置選型、結(jié)構(gòu)設計。相關(guān)成果可為同類工程設計提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：金屬結(jié)構(gòu)設計;船閘工程;BIM;初溪水利樞紐;廣州

中圖法分類號：U641

文獻標志碼：A

DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.07.009

1 工程概況

初溪水利樞紐船閘工程位于廣州市增城區(qū)增江下游新開河段，是增江13級開發(fā)的最后一個梯級。工程含攔河壩、發(fā)電廠房、排澇渠、交通橋、船閘等單項工程。攔河壩設水閘2l孔，總長188.4m，電站裝機3臺共6 000 KW機組，船閘工程批復按V級通航標準設計。該樞紐工程已于2003年完成主體工程建設并已驗收結(jié)算，由于多方面原因，船閘工程未能實施。初溪水利樞紐船閘工程鳥瞰效果見圖1。

近年來，為開發(fā)增江生態(tài)旅游經(jīng)濟帶，實現(xiàn)通航功能，啟動了船閘建設。根據(jù)《廣州市增城區(qū)人民政府關(guān)于初溪水利樞紐船閘工程建設規(guī)模的函》及JTJ305-2001《船閘總體設計規(guī)范》[1]，船閘為V級，單線一級船閘，閘首和閘室級別為3級，導航、靠船建筑物級別為4級。閘室有效尺寸120 mx12 mX3.5 m（長×寬×最小檻上水深），上引航道寬57.8 m，下引航道寬44.5 m。船閘總長166 m，其中上下閘首分別長2lm和20 m，閘室長度126 m，船閘凈寬12 m。

增江畫廊是全國第十一批國家水利風景區(qū)之一，也是2011年廣東省唯一獲得該稱號的水利風景區(qū)，該項目位于增江畫廊的起點。初溪船閘作為增城區(qū)1號水利項目，具有較高的旅游和房地產(chǎn)開發(fā)價值。設計中金屬結(jié)構(gòu)選型布置需與增江畫廊的高品質(zhì)定位相協(xié)調(diào)，滿足周邊景觀要求是船閘金屬結(jié)構(gòu)設計的關(guān)鍵所在。

2 工作閘門及啟閉設備

2.1 門型比選

根據(jù)水工樞紐要求，閘首工作閘門要求單向擋水，垂直提升平板門、橫拉門、三角閘門、有軌雙開弧門及人字門等5種門型均能滿足單向擋水要求。從景觀效果、經(jīng)濟合理性、安全可靠性、適用性和運行維護等方面對5種閘門門型進行了比選。

（1）垂直提升平板門采用臺車式啟閉機操作，在閘頂布置啟閉機排架橫跨閘室，當閘門提升至閘頂后，臺車沿垂直船閘軸線方向行走至閘室以外，以滿足船舶過閘通航凈空的要求。該門型閘首短、投資省、方便可靠，適用于小孔口、低水頭輸水船閘。但該閘門需要啟閉力大、啟閉時間長且設高排架，影響美觀。

（2）橫拉門采用液壓啟閉機操作，啟閉力相對較小。當閘室寬度較大時，液壓啟閉機行程也隨之變大，運行穩(wěn)定性差，且橫拉門門底容易淤積，船閘需設置較大的門庫，結(jié)構(gòu)復雜，適用于小孔口、低水頭船閘。

（3）三角閘門、有軌雙開弧門可雙向擋水，不設置排架，閘門門型美觀、景觀效果好。有雙向擋水要求的船閘主要采用三角閘門，例如，黃田港船閘、高港樞紐二線船閘等。但該門型兩側(cè)需要閘墩較厚，工程量較大，造價較高，常用于雙向擋水的船閘、景觀要求較高的船閘。

（4）人字門單向擋水，受力明確，結(jié)構(gòu)剛度大，制造安裝方便，工程量小，運行可靠，應用廣泛。國內(nèi)三峽工程5級船閘、葛洲壩船閘等大型船閘大多采用人字門。根據(jù)船閘水工樞紐要求，船閘單向擋水，具備靜水啟閉的條件。JTJ 308-2003《船閘閘閥門設計規(guī)范》[2]規(guī)定“承受單向水頭在靜水條件下啟閉的工作閘門宜采用人字閘門”。

該水工樞紐船閘要求單向擋水，船閘工作閘門孑L口寬度為12 m，下閘首孑L口尺寸達12 mx12.5 m，規(guī)模較大，且景觀要求高，綜合以上各工作閘門的優(yōu)缺點及適用條件，選用人字門門型，液壓啟閉機布置簡單，操作靈活，便于實現(xiàn)自動化控制，啟閉設備采用液壓啟閉機。

2.2閘門及啟閉設備設計

2.2.1 船閘設計特征水位

樞紐正常擋水位為6.50 m，上游校核洪水位（P=1%）9.90 m，上游最高通航水位7.09 m（P=20%）。

2.2.2 人字門設計

工作閘門采用人字門，臥式直推式液壓啟閉機操作，分別設置在上、下游閘首。閘門關(guān)閉時，閘門軸線與閘首橫軸線夾角為22.5。。初溪船閘人字閘門及啟閉機布置見圖2。船閘上下閘首孔口寬度為12 m，上閘首底檻高程1.50 m，下閘首底檻高程-4.0 m。上閘首兼有擋洪功能，設計水頭為8.4 m，門扇計算寬度為6.986 m，門扇高9.625 m，厚0.7 m。下閘首工作閘門設計水頭為7.29 m，門扇計算寬度為6.986 m，門扇高13.425 m.厚0.7 m。

人字門門體結(jié)構(gòu)設計依據(jù)等荷載原則，采用主橫梁方式布置。主橫梁與面板、門軸柱、斜接柱等構(gòu)成門葉擋水支承系統(tǒng)。上、下閘門厚度均為700 mm，門頂設有工作橋，門背設工作爬梯。上下閘首人字門均為多主橫梁結(jié)構(gòu)。主橫縱次梁均為實腹工字（或“T”型）組合梁，梁格同層布置，門葉門軸柱和斜接柱均采用閉口式截面，具有較大的抗扭剛度。上下閘門支承運轉(zhuǎn)主要部件盡可能采用統(tǒng)一規(guī)格，方便制造和安裝。

三鉸拱人字門采用連續(xù)鋼支承方式將反力傳遞于閘首邊墩，并兼作側(cè)止水。門扇支承中心位于門龕邊墩墻面內(nèi)646 mm。底樞為固定式，球徑110 mm。閘門頂樞采用三角桁架式。上下閘首人字門均采用臥式直推式液壓啟閉機，啟閉方式為靜水啟閉，且按剩余水頭差0.15 m考慮。

門軸柱和斜接柱截面形式為閉口式，門軸柱支承在頂樞和底樞上。門軸柱、斜接柱處支、枕墊塊對應主梁端部設置，采用分塊式支承、枕墊接觸。在閘門與閘墻之間設置側(cè)止水，在兩扇閘門之間的接縫處設置中間止水，并與P型橡膠底止水形成封閉的閘門止水線。門背一側(cè)（下游面）布置十字交叉背拉桿[3]。

頂樞是防止門扇傾斜的上部支承，利用頂樞可以調(diào)整門扇轉(zhuǎn)動軸，使門扇保持垂直。頂樞為三角形桁架式。閘門的調(diào)整裝置采用雙向螺紋式，前、后拉桿采用45號優(yōu)質(zhì)鍛鋼，并在表面鍍鉻0.1-0.3 mm。頂樞軸座采用螺栓連接安裝于門軸柱頂部，拉桿的調(diào)節(jié)采用雙向螺紋式法蘭螺母;頂樞軸以簡支方式固定于頂樞軸座中。拉桿的錨定結(jié)構(gòu)為豎向三角形桁架，下部增設預應力錨桿，錨固結(jié)構(gòu)埋設于閘墻混凝土中。

底樞為固定式結(jié)構(gòu)，底樞半圓球軸材料為40Cr鋼鍛制，承軸巢采用自潤滑免維護球面滑動軸承，其材質(zhì)為Q235B、MGB，摩擦系數(shù)0.06～ 0.08。底樞的基座埋設于混凝土中，承軸臺嵌入基座上部的弧形槽內(nèi)，弧形槽的半徑與承軸臺的半徑相同。液壓啟閉機推拉桿與閘門連接為簡支豎軸式。軸座采用螺栓連接安裝在頂主橫梁腹板上，并增設剪力板。初溪船閘人字閘門BIM模型見圖2。

2.2.3 液壓啟閉機設計

人字門采用QRWY2x320kN/2x320kN臥式液壓啟閉機操作，啟閉機工作行程2 873 mm。

為保證通航效率，縮短船只通航過閘時間，液壓啟閉機啟門時間為4 min，閉門時間為4 min，啟門速度為0.5 m/min，液壓系統(tǒng)最大壓力不大于16 MPa。液壓泵站采用比例泵進行控制。啟閉機活塞桿選用陶瓷活塞桿，以提高活塞桿的耐腐蝕性，液壓缸的行程檢測裝置采用與陶瓷活塞桿結(jié)合使用的絕對型內(nèi)置式行程檢測傳感器。

絕對型傳感器配套的陶瓷活塞桿上的刻度溝槽采用二維碼原理設計，每處溝槽均不相同，傳感器放置滿足任意位置均可準確讀出活塞桿的要求。在液壓缸或系統(tǒng)的內(nèi)部因泄漏而產(chǎn)生沉降時能保證絕對數(shù)據(jù)信號，主要優(yōu)點有：①結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，直接安裝于液壓缸的下端蓋上，便于安裝檢修;②實現(xiàn)了行程檢測裝置的高檢測精度和高抗干擾性能，保證了開度檢測及控制的精確性和設備運行的可靠性;③活塞桿任意位置輸出唯一數(shù)據(jù)，與運行狀態(tài)前后數(shù)據(jù)無關(guān);④采用定制硬件邏輯，抗干擾能力極強，即使存在干擾，也能瞬間恢復數(shù)據(jù);⑤上電后即得當前準確位置值，無論活塞桿是否移動，不受斷電時間限制;⑥分辨率0.5 mm，防護等級IP68，滿足長期泡水要求。液壓啟閉機可由中控室遠程控制，也可在當?shù)夭僮鳌?/p>

2.3 檢修閘門及啟閉設備

2.3.1 檢修閘門設計

浮體閘門在船舶工程、水利工程中應用廣泛，如葛洲壩樞紐工程船閘浮式檢修閘門、富春江水電站溢洪道浮式檢修閘門、沙溪口水電站浮式檢修閘門、漢江崔家營航電樞紐工程船閘浮式檢修閘門、荷蘭新沃特偉赫河防浪閘門等。浮體閘門不需要專設啟閉設備，可利用自身浮力自由浮動，運輸方便[4]。疊梁閘門利用多節(jié)單獨的梁體疊放形成一個完整的平面擋水結(jié)構(gòu)，各節(jié)可互換，通用性較好，且降低了單節(jié)的高度和重量，便于制作、安裝及運輸。設計擬結(jié)合浮體閘門和疊梁閘門的特點，采用浮式疊梁閘門，其通用性好.安全可靠，便于使用[5]。浮式疊梁檢修閘門設計主要考慮單節(jié)閘門的自浮性，單節(jié)閘門擋水的強度、剛度要求及止水密封性等問題。

初溪船閘是增江下游船舶的進出通道，船閘運行直接影響增江航運的發(fā)展，因此，檢修時間不宜過長。根據(jù)樞紐運行條件、水文情況、航運檢修能力和持續(xù)時間等要求，上游檢修水位采用樞紐正常蓄水位6.5 m，下游檢修水位采用設計發(fā)電流量147.90 m3/s，相應下游水位1.2 m。為了保障船閘工作閘門及充泄水閥門的檢修，在各工作閘門的外側(cè)各設置一扇浮式疊梁檢修閘門，上下閘首檢修閘門高度均為6m。閘門封水型式為背水側(cè)封水，側(cè)封水采用P型橡皮，底封水采用條型橡皮。依靠水壓力和門體自重形成止水線。檢修閘門結(jié)構(gòu)見圖3，閘門單節(jié)高度為Im，共6節(jié)，單節(jié)重量G！。約5.5 t，通過計算閘門空箱部分排開水的體積，求得單節(jié)閘門的浮力Fo約5.8 t。當Go< Fo時，單節(jié)閘門在門槽中可自浮;當總浮力∑F<總重力∑G（∑F=5Fo=29 t，∑G=6Go=33 t）時，閘門可在設計水位下就位并保證閘門密封性。

2.3.2 啟閉機設計

閘門在靜水中下門，當閘室檢修完畢后，閘室進行充水，在水頭差小于Im時將閘門完全提起[6]。檢修閘門啟閉力僅為2x50 kN，采用浮吊啟閉，不需要配置臺車及其他操作設備，既簡單美觀又節(jié)省造價。

2.4 充泄水閥門及啟閉設備

2.4.1 充泄水閥門設計

初溪船閘上、下閘首的輸水系統(tǒng)均采用短廊道輸水對沖消能的型式。輸水廊道工作門采用平板滾動鋼閘門，工作閥門需要每5a檢修1次，檢修主要是更換止水橡皮及滾輪，檢修時間較短，不會對通航造成較大影響，因此考慮不設置檢修閥門。閘首結(jié)構(gòu)簡單美觀，優(yōu)化設計的同時節(jié)省了工程投資。

船閘充泄水閥門較多采用“固定卷揚機+平板閘門”的型式，但初溪船閘對景觀要求高，不適宜設置較高的啟閉機排架。經(jīng)對比研究，采用“液壓啟閉機+平板閘門”的型式可避免設置排架，且合理布置，可做到液壓啟閉機不外露，滿足景觀要求。

閥門處廊道的斷面尺寸為2.00 mx2.00 m（寬×高，下同），廊道進、出口斷面均擴大為3.00 mX2.00 m。船閘輸水閥門的工作條件為動水開啟、靜水關(guān)閉，事故狀態(tài)可動水關(guān)閉。上、下閘首工作閥門共4扇，閥門高2.3 m，寬2.396 m，厚0.508 m，面板均向下游面布置。

工作閥門的門體結(jié)構(gòu)由面板、縱梁、主橫梁、側(cè)擋、行走裝置、止水裝置、吊耳組成，為實腹式板梁結(jié)構(gòu)。每扇閥門設4個行走主滾輪和4個側(cè)擋，為防止閥門漏水，在門體結(jié)構(gòu)與廊道孔口之間設有止水，底止水采用平板橡皮，頂、側(cè)止水采用P型橡膠復合水封，連接處熱膠合，保證其嚴密性。建立了充泄水閥門BIM模型見圖4。

2.4.2 液壓啟閉機設計

單側(cè)設充泄水閥門及啟閉設備1套，充泄水閥門采用QPPY-250kN-2.7 m液壓啟閉機，與同側(cè)人字門共用1套液壓控制系統(tǒng)。液壓啟閉機與工作閥門之間設置吊桿。液壓啟閉機最大啟門力為250kN，最大行程2.7 m，啟門速度為0.5 m/min，系統(tǒng)工作壓力不大于16 MPa。為了提高液壓啟閉機操作運行的精確性，傳感器的精度要求不大于1 mm。由于船閘人字門和充泄水閥門不同時工作，上、下閘首單側(cè)人字門和充泄水閥門共用1套液壓泵站系統(tǒng)，每個系統(tǒng)均設有2套油泵電機組，“一用一備”提高了液壓啟閉機運行的可靠性。由于左、右側(cè)充泄水閘門距離較遠，難以通過液壓系統(tǒng)實現(xiàn)同步操作，因此在電氣設計中采用了先進的PLC同步控制系統(tǒng)，可依據(jù)船閘及充泄水閘門的工作流程編制控制程序，完成充泄水閘門當?shù)?、遠程的自動化操作，滿足同步性要求[7]。

2.5 浮式系船柱

為了保證船舶過閘安全，國內(nèi)已建或在建的類似船閘的閘室均采用浮式系船柱，如葛洲壩一號船閘、清遠北江水利樞紐工程等。初溪船閘上下游水位變幅大，浮式系船柱可隨水位變化與船舶同步浮動[8]，可在閘室充泄水過程中保護船舶安全（見圖5）。

浮式系船柱設計的關(guān)鍵在于結(jié)構(gòu)自浮性、浮動平穩(wěn)性、結(jié)構(gòu)強度等因素。浮式系船柱設計共2層，每層系船架與下部浮筒、系船柱均采用可拆卸連接，承載力和性能得到進一步提高。系船柱造型簡潔美觀，滑道結(jié)構(gòu)簡單，便于維護。

浮式系船柱由浮筒、支撐架、導向滾輪及系船柱組成，支撐架設置在浮筒上。系船柱分兩組，分別布置在浮筒和支撐架的頂部。導向滾輪共6組，分別布置在于浮筒上部、底部和支撐架頂部的兩側(cè);每組導向滾輪包括橫向的主滾輪和縱向的側(cè)滾輪，橫向主滾輪和縱向側(cè)滾輪上下為層疊設置，且滾動軸相互垂直。浮式系船柱的結(jié)構(gòu)見圖5，系船柱包括浮筒和滑槽。浮筒為圓柱形，筒外徑φ900mm，高4.0 m，主要由筒體和運行滾輪組成;每只浮筒有4個運行滾輪，滑槽結(jié)構(gòu)由角鋼、鋼板和錨筋焊接而成。系船柱運行時浮筒吃水深度3.2 m，纜帽露水面0.8 m。船只進入閘室，纜繩套在系船柱上，浮筒隨水位上升，可起到升降船只和保證安全的作用。

3 結(jié)論

（1）增城區(qū)初溪水利樞紐船閘工程于2017年4月13日開始施工，目前其金屬結(jié)構(gòu)已安裝完成并投入使用，能夠滿足船閘使用要求。

（2）針對初溪船閘景觀要求高、船閘使用頻繁的特點，金屬結(jié)構(gòu)設計中應特別注意閘門、啟閉機布置選型比較，金屬結(jié)構(gòu)布置簡潔美觀、節(jié)省了工程投資，提高了運行的可靠性。

（3）船閘工作閘門液壓啟閉機活塞桿采用陶瓷活塞桿，大大提高了活塞桿的耐腐蝕性。行程檢測裝置采用與陶瓷活塞桿結(jié)合使用的絕對型內(nèi)置式絕對型行程檢測傳感器，保證了設備控制的精確性和設備運行的可靠性，具有一定創(chuàng)新性。

（4）船閘充泄水閘門布置采用“液壓啟閉機+平板閘門”的型式，液壓啟閉機不外露，閘頂簡潔美觀，液壓啟閉機操作靈活、可靠性好。

（5）采用BIM進行設計，準確計算了浮箱檢修閘門的浮力、浮式系船柱的吃水線，能夠精確統(tǒng)計工程量。

參考文獻：

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