船閘浮式檢修門快速對位問題探討

張發(fā)明 江蘇省交通工程集團(tuán)有限公司

當(dāng)前，結(jié)構(gòu)簡單的鋼制浮式檢修門在國內(nèi)水利閘門等水工建筑物檢修過程中十分常用，浮式檢修門主要通過浮門止水面和門槽緊密貼合密封后攔住外圍水，并將密封艙內(nèi)積水抽干后為施工檢修提供無水環(huán)境。這種操作技術(shù)下浮式檢修門的吊裝需要動用拖曳船舶，甚至是大型起重吊裝設(shè)備，有些船閘因所處環(huán)境受限，起重設(shè)備及拖船無法接近，影響和耽誤船閘正常檢修；此外，浮式檢修門主要在拖船的拖曳下并借助復(fù)雜的抽水、輸水裝置進(jìn)行上浮、下沉和定位，由于浮門質(zhì)量重、受風(fēng)浪及水位影響較大，定位過程十分耗時，且對位精度不高，為此，必須進(jìn)行船閘浮門檢修方式的優(yōu)化設(shè)計并積極探索船閘浮式檢修門快速對位技術(shù)措施。

1.船閘概況

某水閘位于所屬堤防工程上邊界，水閘壩址控制流域面積1870km2，年流速均值52.4m/s，流量均值16.1×108m3。攔河壩共設(shè)置5孔泄水閘，孔口凈寬10.4m，堰頂高程38.3m，泄水閘檢修閘門高13.5m，設(shè)計擋水深8.5m，面板寬10.5m。檢修閘門共劃分為9節(jié)段，各節(jié)段密封腔長9.0m，單節(jié)段重量6315kg，總重量5.6835×104kg。檢修閘門是該水閘工程的重要組成部分，主要在水工建筑物檢修過程中及停航檢修中發(fā)揮擋水作用，其設(shè)計必須嚴(yán)格遵照國家技術(shù)規(guī)范。

2.浮式檢修門作用原理

浮式檢修閘門在閘室需要檢修的過程中通過拖輪將浮門拖曳至閘室下游閘孔前，主要借助上下游水位差及水體浮力，使浮門體對準(zhǔn)閘門孔，待浮門內(nèi)壓載艙進(jìn)水后使其止水面和門槽緊密貼合，并借助浮門側(cè)部及底部橡膠密封條密封擋水。同時關(guān)閉閘室上游閘門，通過浮式檢修閘門內(nèi)水泵抽干閘室內(nèi)積水，并使浮式檢修閘門上下游側(cè)達(dá)到最大水位差。抽干閘室內(nèi)水后維修技術(shù)人員便可進(jìn)入閘室進(jìn)行機(jī)械設(shè)備檢修，結(jié)束后將上游側(cè)閘門開啟，水流進(jìn)入閘室后浮式檢修閘門上下游側(cè)水位達(dá)到一致，壓載艙內(nèi)壓載水也通過浮式檢修閘門排除后門體上浮，最后通過拖輪將其拖回。在以上過程中，通過抽排水控制浮式檢修閘門內(nèi)部水倉水位以達(dá)到改變門體結(jié)構(gòu)自重的目的，結(jié)合電磁流量計對流量情況的監(jiān)控，通過控制電動調(diào)節(jié)閥開度確保閘門平穩(wěn)沉浮。

就當(dāng)前的技術(shù)水平來看，船閘浮式檢修門的定位過程主要受到拖曳船舶船舵效率、常規(guī)手動調(diào)節(jié)方式安全系數(shù)、實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)等方面的影響較大?，F(xiàn)階段所用拖曳船舶功率小、穩(wěn)定性差、船舵效率低，且很難在下游有限寬度內(nèi)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向和調(diào)位；常規(guī)手動調(diào)節(jié)螺旋千斤頂以調(diào)整門體端面和門槽水平位左右間距的做法安全系數(shù)低，精度差；浮式檢修門下沉量實(shí)時監(jiān)測結(jié)果精度低，很容易造成判斷失誤，安全隱患十分突出。

3.浮式檢修門快速對位措施

完成船閘浮式檢修門定位設(shè)計后，下沉條件基本具備，開啟中央水倉沖水孔閥門并向倉內(nèi)注水即可下沉。為確保下沉過程的平穩(wěn)，必須加強(qiáng)門體左右端下沉量累計值的實(shí)時監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果調(diào)節(jié)門體左右水倉電動閥門開度，保證左右水倉及調(diào)節(jié)水倉均勻注水。具體而言，可以采取的浮式檢修門快速對位措施主要包括以下方面。

3.1 門槽系纜裝置設(shè)置

主要借助外力的輔助牽引使浮式檢修門切入門槽基準(zhǔn)點(diǎn)，快速入槽，并通過纜繩和門槽掛鉤為浮式檢修門提供縱向牽引力，協(xié)助浮門順利入槽。參考船舶系纜裝置進(jìn)行浮式檢修門系纜裝置設(shè)置，為降低操作難度、節(jié)省操作時間，應(yīng)采用系纜鉤協(xié)助浮式檢修門系纜，并在順利入槽后快速解纜。拖曳船舶為船隊(duì)提供初始動力進(jìn)行浮式檢修門牽引，初始拖曳速度為0.2m/s，拖船質(zhì)量87t，當(dāng)船首接近門槽時通過鋼絲繩連接浮式檢修門和系纜，系纜便對拖曳船舶造成拉力，使船舶運(yùn)動趨于靜止，這一過程耗時5s，按照相關(guān)規(guī)范，可得出系纜鉤尺寸和系纜力之間的數(shù)值關(guān)系，具體見表1。

表1 系纜鉤尺寸和系纜力之間的數(shù)值關(guān)系

根據(jù)能量守恒定理，可得到以下公式：

式中：M—浮式檢修門自重（kg）；v1—拖曳船舶初始速度（m/s）；m—拖曳船凈重（t）；v2—拖曳船行進(jìn)速度（m/s）；F—系纜鉤對拖曳船舶拉力（kN）；t—拖曳過程耗時（s）。通過整理可以得出F=Mv1/t，則F為35kN，考慮到浮式檢修門負(fù)荷后最終選用50kN系纜鉤。

本船閘工程檢修工作通常安排在流域枯水期，浮式檢修門快速定位過程中只用考慮下游水位，根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，近年來船閘處下游水位最大值為41.57m，出現(xiàn)在1月，最小值為39.76m，出現(xiàn)在3月。浮式檢修門設(shè)計高度13.5m，自由吃水3.5m，凈高10.0m，考慮枯水期下游水位因素后浮式檢修門系纜鉤應(yīng)當(dāng)設(shè)置在49.76～51.57m高度處，并在門槽底高程52m處開設(shè)正方形槽口后內(nèi)嵌式安裝，形成橫向梯形柱，并在柱底面橫向植入鋼筋、環(huán)氧澆筑，在鋼筋尾部焊接筋板，連接系纜鉤。

通過合理設(shè)置門槽系纜裝置輔助牽引設(shè)置，通過鋼絲繩連接入槽浮式檢修門和墻體系纜，可為浮式檢修門提供縱向牽引力并快速確定出入槽定位基準(zhǔn)點(diǎn)，還能增大拖曳船舶穩(wěn)定性，比浮式檢修門常規(guī)入槽操作方式更節(jié)省時間。

3.2 門槽間距調(diào)節(jié)

通過拖曳船舶及上絞盤配合拉動使浮式檢修門到達(dá)門槽位，端面會與門槽位存在一定寬度的水平間隙，為確保浮式檢修門穩(wěn)定沉浮，必須重點(diǎn)調(diào)整以上間隙，將其均勻控制在50cm左右，并確保間隙兩端尺寸一致，避免門槽沉浮時出現(xiàn)卡組現(xiàn)象。在常規(guī)操作下，通常在浮式檢修門和閘墻門槽間隙間鋪設(shè)枕木，架設(shè)螺旋千斤頂，以手動方式調(diào)節(jié)千斤頂，達(dá)到調(diào)節(jié)門槽間隙的目的。

為達(dá)到浮式檢修門快速精準(zhǔn)對位的目的，必須進(jìn)行以上常規(guī)操作流程的優(yōu)化與改進(jìn)，具體如下：按φ25cm＊70cm尺寸在浮式檢修門頂部裝枕木端面加強(qiáng)筋中心處開孔，焊裝φ20cm＊70cm螺母套，并配套采用長140cm的螺桿，構(gòu)成自鎖式螺旋副結(jié)構(gòu)，將尺寸5cm＊10cm的搖柄焊接在螺桿端面。自鎖螺旋副行程主要通過搖柄進(jìn)行調(diào)節(jié)，并結(jié)合浮式檢修門兩端面所固定的螺旋副進(jìn)行左右間隙同步調(diào)節(jié)，以達(dá)到控制間隙的目的。

與常規(guī)的手動操作千斤頂調(diào)整間隙的做法相比，此設(shè)計無需架設(shè)枕木和千斤頂，施工效率高，施工安全有保證。在浮式檢修門整體結(jié)構(gòu)及應(yīng)力情況不變的情況下，通過在浮式檢修門兩側(cè)安裝螺旋副結(jié)構(gòu)，并采用同步操作方式保證精準(zhǔn)定位。

3.3 浮式檢修門沉浮控制

借助實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行浮式檢修門電動調(diào)節(jié)閥開度的精準(zhǔn)控制，以控制浮門平穩(wěn)沉浮，根據(jù)所在流域枯水期下游水位統(tǒng)計結(jié)果，將三腳架式固定支架安裝在閘室左右導(dǎo)航墻浮式檢修門門槽內(nèi)側(cè)高程52m位置，并在支架上安裝電流型位移傳感器。三腳架式固定支架結(jié)構(gòu)詳見圖1，通過角鋼焊接+膨脹螺絲的方式將三腳架式固定支架固定于門槽上游側(cè)，并采用螺栓連接方式將拉線式垂直位移傳感器安裝在固定支架上以進(jìn)行測量數(shù)據(jù)采集。相關(guān)數(shù)據(jù)通過線纜實(shí)時傳送至浮式檢修門控制系統(tǒng)，并經(jīng)過邏輯控制單元進(jìn)行編譯后由系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)左右端電動調(diào)節(jié)閥開度，確保浮式檢修門快速、平穩(wěn)沉浮。

圖1 三腳架式固定支架示意圖（單位：cm）

4.結(jié)論

綜上所述，常規(guī)浮式檢修閘門在水工建筑物及機(jī)械設(shè)備檢修過程中發(fā)揮著重要作用，其在停航檢修期間主要通過下游擋水，為下游人字門、閘室廊道等提供無水檢修環(huán)境，為此，浮式檢修門的設(shè)計與運(yùn)行必須穩(wěn)定可靠。本文提出的三種浮式檢修門快速精準(zhǔn)對位措施，分別為設(shè)置門槽系纜裝置、調(diào)節(jié)門槽間距及控制浮式檢修門沉浮，對于船閘工程水工建筑物檢修過程中浮門快速定位及檢修效率的提升十分適用。