鋼閘門(mén)在水資源控制中的應(yīng)用范文
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一、雙扉閘門(mén)及其工作原理
水利水運(yùn)工程中的雙扉閘門(mén)，通常是指水工建筑物中，在帶有控制閘門(mén)的單孔閘室里，設(shè)置兩道工作閘門(mén)門(mén)槽，在兩道閘門(mén)門(mén)槽中分別安置一扇工作閘門(mén)，兩扇工作閘門(mén)可以分別在各自的工作門(mén)槽軌道里上、下運(yùn)行，這兩扇工作閘門(mén)一般就簡(jiǎn)稱為雙扉門(mén)。雙扉門(mén)又分為上扉門(mén)和下扉門(mén)，上、下扉門(mén)的尺寸、重量基本相同。區(qū)分上、下扉門(mén)的主要依據(jù)是上、下扉門(mén)各自承擔(dān)的工作內(nèi)容。一般情況下，下扉門(mén)主要放置于閘室口門(mén)底坎上，使用較為頻繁，相當(dāng)于工作門(mén)，主要作用是擋水、充水和泄洪。上扉門(mén)平時(shí)主要放置于閘孔上方擋板上，使用頻率較小，相當(dāng)于檢修門(mén)，只有在所需擋水水位超過(guò)下扉門(mén)門(mén)體高度時(shí)，上扉門(mén)才會(huì)從擋板放下與下扉門(mén)閉合參與擋水任務(wù)，另外在洪水水位過(guò)高需開(kāi)啟閘門(mén)泄洪時(shí)，上扉門(mén)又與下扉門(mén)同時(shí)提起，承擔(dān)部分泄洪任務(wù)。雙扉平面閘門(mén)結(jié)構(gòu)與普通平面閘門(mén)結(jié)構(gòu)基本一致，通常由門(mén)葉、主輪、側(cè)輪、吊耳以及止水橡皮等組成。上、下扉門(mén)結(jié)構(gòu)上的主要區(qū)別是，下扉門(mén)的頂部和上扉門(mén)的底部各自多裝了一道止水橡皮，作用是為了保證上扉門(mén)底部與下扉門(mén)頂部之間的橡皮能夠相互密封閉合，防止水流從上、下扉門(mén)之間穿過(guò)，以起到阻水、擋水作用。
南水北調(diào)工程是解決我國(guó)北方地區(qū)水資源嚴(yán)重短缺問(wèn)題的重大戰(zhàn)略舉措，規(guī)劃確定東、中、西3條調(diào)水線路，其中東線工程從長(zhǎng)江下游干流取水，基本沿京杭大運(yùn)河向北方調(diào)水，主要供水目標(biāo)為解決京滬鐵路沿線和山東半島的城市缺水，并為農(nóng)業(yè)和生態(tài)補(bǔ)水。南四湖位于南水北調(diào)東線工程調(diào)水路線中，承擔(dān)著為江蘇、山東兩省輸水任務(wù)，東線工程實(shí)施后，在維護(hù)當(dāng)?shù)赜盟瓌t不變的情況下，須對(duì)南四湖周邊涉及江蘇和山東兩省有關(guān)引水口門(mén)進(jìn)行有效的控制，以加強(qiáng)對(duì)南四湖的水資源控制管理。第一期工程規(guī)劃在南四湖上級(jí)湖湖西姚樓河、大沙河、楊官屯河和下級(jí)湖湖東潘莊引河的河口上新建控制閘。2004年，國(guó)家發(fā)改委批復(fù)南四湖水資源控制工程可行性研究報(bào)告，同意在南四湖新建姚樓河閘、大沙河閘、楊官屯河閘和潘莊引河閘4座水資源控制閘工程。潘莊引河閘因沒(méi)有通航功能，閘門(mén)采用了單扇平面門(mén)。姚樓河閘、大沙河閘和楊官屯河閘皆位于南四湖上級(jí)湖湖西蘇魯交界處，因湖西河道水運(yùn)十分發(fā)達(dá)，在對(duì)這3座閘的閘門(mén)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)3座閘的通航能力作了分析，設(shè)計(jì)時(shí)均不同程度地采用了雙扉平面鋼閘門(mén)，具體如下：姚樓河閘距姚樓河入南四湖上級(jí)湖西面湖口150m處，主要建筑物級(jí)別為1級(jí)。設(shè)計(jì)20年一遇泄洪流量114m3/s，引水流量4m3/s，閘室為2孔，總凈寬20m，單孔凈寬10.0m，其中南側(cè)閘孔兼做通航孔，2孔閘門(mén)均為雙扉平面鋼閘門(mén)。大沙河閘距大沙河入南四湖上級(jí)湖西面湖口130m處，主要建筑物級(jí)別為1級(jí)。設(shè)計(jì)20年一遇泄洪流量1360m3/s，引水流量12m3/s，由一座14孔節(jié)制閘和一座160m長(zhǎng)船閘組成，節(jié)制閘閘室單孔凈寬10m，船閘凈寬12m，船閘上閘首閘門(mén)采用了雙扉平面鋼閘門(mén)，14孔節(jié)制閘和船閘下閘首閘門(mén)采用了單扇平面鋼閘門(mén)。楊官屯河閘距楊官屯河入南四湖上級(jí)湖西面湖口130m處，主要建筑物級(jí)別為1級(jí)。設(shè)計(jì)20年一遇泄洪流量156m3/s，引水流量30m3/s，由1孔節(jié)制閘和一座160m長(zhǎng)船閘組成，節(jié)制閘和船閘上閘首相連，總凈寬20m，其中北側(cè)節(jié)制閘閘孔凈寬8m，南側(cè)閘孔兼做船閘上閘首，單孔凈寬12m，節(jié)制閘和船閘上閘首閘門(mén)均為雙扉平面鋼閘門(mén)，船閘下閘首為升臥門(mén)。
三、雙扉平面鋼閘門(mén)設(shè)計(jì)要點(diǎn)
姚樓河閘、大沙河閘和楊官屯河閘彼此相距不遠(yuǎn)，3座閘設(shè)計(jì)所采用的擋洪、除澇和通航水位全部一致。但因3座閘所在位置地勢(shì)不同引起3座閘的閘室底板高程也各不相同，因此3座閘的雙扉平面鋼閘門(mén)結(jié)構(gòu)、尺寸也有所不同。具體如下:
1.姚樓河閘
姚樓河閘閘室為2孔，2孔閘門(mén)均為雙扉工作門(mén)，共4扇，結(jié)構(gòu)形式為露頂式平面滾動(dòng)鋼閘門(mén)。閘孔單孔凈寬10m，底板高程31.3m，按擋水37.0m和最高通航水位34.3m設(shè)計(jì)，相應(yīng)上、下扉閘門(mén)尺設(shè)計(jì)均為10.0m×3.2m（寬×高）。閘門(mén)結(jié)構(gòu)形式為雙主梁實(shí)腹式焊接結(jié)構(gòu)，上扉門(mén)主梁高1000mm，下扉門(mén)主梁高1250mm，主梁變截面端、頂梁及底梁高600mm，主要結(jié)構(gòu)材料Q235B，主支承采用φ700懸臂式滾輪支承，滾輪材料為ZG270-500，軸材料為45號(hào)鋼鍍鉻，軸套材料為高強(qiáng)度鋼基銅塑自潤(rùn)滑軸承FZB08B170×200×190-2RS。閘門(mén)止水采用橡皮雙向止水，側(cè)止水采用方頭P型橡皮，上、下扉門(mén)節(jié)間止水采用Ω型橡皮，底止水及所有橡皮墊塊采用條形橡皮，側(cè)止水及節(jié)間止水材料采用橡塑復(fù)合止水，其余止水橡皮材料選用防Ⅱ橡膠。
2.大沙河閘
大沙河閘由節(jié)制閘和船閘兩部分組成。節(jié)制閘共14孔，單孔凈寬10m，配工作閘門(mén)和檢修閘門(mén)，船閘分上、下閘首，上閘首設(shè)雙扉工作閘門(mén)一道，下閘首設(shè)工作閘門(mén)和檢修閘門(mén)各一道。另外，上閘首還配置充水廊道控制閘門(mén)兩扇及相應(yīng)的啟閉設(shè)備。船閘上閘首閘孔凈寬12m，底板高程30.8m，按擋水37.0m和最高通航水位34.3m設(shè)計(jì)，相應(yīng)上、下扉閘門(mén)尺設(shè)計(jì)均為12.0m×3.6m（寬×高）。雙扉門(mén)采用平面定輪鋼閘門(mén)，雙主橫梁變截面結(jié)構(gòu)。支承采用懸臂式滾輪支承，滾輪材料ZG310-570，輪軸材料45號(hào)鋼鍍鉻，軸套材料采用高強(qiáng)度鋼基銅塑自潤(rùn)滑軸承FZB08。閘門(mén)止水布置為雙向止水，側(cè)止水采用雙P型和方頭橡皮，上、下扉門(mén)節(jié)間止水采用Ω型橡皮，底止水采用I型切角橡皮。閘門(mén)和埋件主要材料選用Q235B。
3.楊官屯河閘
楊官屯河閘由船閘和節(jié)制閘組成，節(jié)制閘1孔，單孔凈寬8m，閘門(mén)采用雙扉鋼閘門(mén)。船閘分上、下閘首，上閘首和節(jié)制閘相連，上閘首采用雙扉工作閘門(mén)，下閘首不參與擋水采用升臥門(mén)，船閘凈寬12m。節(jié)制閘和船閘上閘首底板采用同一高程29.8m，按擋水37.0m和最高通航水位34.3m設(shè)計(jì)，節(jié)制閘和船閘上閘首閘門(mén)尺設(shè)計(jì)分別如下：節(jié)制閘、扉門(mén)閘孔尺寸均為8.0m×4.8m（寬×高），結(jié)構(gòu)形式為露頂式平面滾動(dòng)鋼閘門(mén)，上扉門(mén)主梁按剛度要求的最小梁高為800.7mm，設(shè)計(jì)為變截面結(jié)構(gòu)型式，主梁跨中梁高為850mm，閘門(mén)下扉門(mén)主梁按剛度要求的最小梁高為1000.8mm，設(shè)計(jì)為變截面結(jié)構(gòu)型式，主梁跨中梁高為1050mm。上、下扉門(mén)主梁端部梁高與邊梁等高，設(shè)計(jì)為600mm。船閘上閘首上、下扉門(mén)均為12.0m×4.8m（寬×高）。上扉門(mén)主梁按剛度要求的最小梁高為1188.7mm，主梁跨中梁高為1100mm，閘門(mén)下扉門(mén)主梁按剛度要求的最小梁高為1485.5mm，主梁跨中梁高為1100mm，設(shè)計(jì)為變截面結(jié)構(gòu)型式，上、下扉門(mén)主梁端部梁高與邊梁等高，設(shè)計(jì)為700mm。主要結(jié)構(gòu)材料Q235B，主支承采用φ700懸臂式滾輪支承，滾輪材料為ZG270-500，軸材料為45號(hào)鋼鍍鉻，軸套材料為高強(qiáng)度鋼基銅塑自潤(rùn)滑軸承FZB08B170×200×190-2RS。閘門(mén)止水采用橡皮雙向止水，側(cè)止水采用方頭P型橡皮，上、下扉門(mén)節(jié)間止水采用Ω型橡皮，底止水及所有橡皮墊塊采用條形橡皮，側(cè)止水及節(jié)間止水材料采用橡塑復(fù)合止水，其余止水橡皮材料選用防Ⅱ橡膠。
四、南四湖水資源控制工程選用雙扉平面鋼閘門(mén)應(yīng)用與研究
1.工程選用雙扉平面閘門(mén)的合理性
姚樓河閘、大沙河閘和楊官屯河閘雖按相同擋水高程和最高通航水位設(shè)計(jì)，但因所處位置和口門(mén)大小不同，3座閘的雙扉閘門(mén)大小、尺寸也不盡相同，具體數(shù)據(jù)如表1。根據(jù)表中數(shù)據(jù)計(jì)算得出，在通航時(shí)，姚樓河閘單扉門(mén)擋水高程為34.5m，大沙河閘單扉門(mén)擋水高程為34.4m，楊官屯河閘單扉門(mén)擋水高程為34.6m，均超過(guò)了最高通航水位34.3m，都能滿足最高通航水位擋水要求；當(dāng)南四湖湖中來(lái)洪水需擋水時(shí)，姚樓河閘雙扉門(mén)組合擋水高程為37.7m，大沙河閘門(mén)雙扉門(mén)組合擋水高程為38.0m，楊官屯河閘雙扉門(mén)組合擋水高程為39.4m，均超過(guò)設(shè)計(jì)擋水高程37.0m，亦都能滿足設(shè)計(jì)擋水高程要求。從計(jì)算結(jié)果中可以看出，采用雙扉門(mén)組合擋洪水時(shí)，姚樓河閘閘門(mén)門(mén)頂高程比設(shè)計(jì)水位高出0.7m，大沙河閘上閘首閘門(mén)門(mén)頂高程比設(shè)計(jì)水位高出1.0m，楊官屯河閘閘門(mén)門(mén)頂高程比設(shè)計(jì)水位高出2.4m。因此姚樓河閘最為經(jīng)濟(jì)，大沙河閘次之，楊官屯河閘最后。這并不是因?yàn)榇笊澈娱l與楊官屯河閘選用雙扉閘門(mén)門(mén)型不妥，原因在于大沙河閘的節(jié)制閘單孔凈寬10m，閘門(mén)設(shè)計(jì)為14孔單扇門(mén)配2組檢修門(mén)組合，而船閘凈寬為12m，檢修門(mén)凈寬比船閘凈寬小2m，不匹配，如船閘改用單扇平面門(mén)，則單扇門(mén)高度應(yīng)達(dá)到6.7m才能滿足擋洪要求，同時(shí)還須另配12m寬檢修門(mén)，相比雙扉平面單扉門(mén)3.6m的高度，更不經(jīng)濟(jì)。同理，楊官屯河閘若將雙扉平面門(mén)改為單扇平面門(mén)，則單扇門(mén)高度將達(dá)到7.7m，且節(jié)制閘凈寬8m，船閘凈寬12m，還分別配置寬度不同的檢修門(mén)，相比單扉門(mén)4.8m的高度，造價(jià)更高。因此姚樓河閘、大沙河閘和楊官屯河閘在滿足通航和擋水前提條件下，相關(guān)口門(mén)上的閘門(mén)采用雙扉平面閘門(mén)組合是合理的。
2.工程選用雙扉平面門(mén)的優(yōu)勢(shì)
從上面對(duì)比分析可以看出，姚樓河閘的2孔閘、大沙河閘的上閘首、楊官屯河的節(jié)制閘和船閘上室首，在滿足通航和擋水功能條件下，采用雙扉平面門(mén)組合，比采用單扇平面門(mén)配檢修門(mén)組合更有優(yōu)勢(shì)，采用雙扉門(mén)組合后，可大大減少制造閘門(mén)所用的鋼材，從而有效地節(jié)省了工程投資，降低了工程造價(jià)。上、下扉門(mén)尺寸一樣的優(yōu)勢(shì)還在于可以通用，通航時(shí)，下扉門(mén)若出現(xiàn)故障需提出檢修時(shí)，就可將上扉門(mén)放下，代替下扉門(mén)工作，保證了過(guò)閘船只的正常通航。姚樓河閘、大沙河閘和楊官屯河閘均位于南四湖湖西航道入口處，航運(yùn)十分發(fā)達(dá)，入湖支流姚樓河、大沙河和楊官屯河沿岸均設(shè)有不同等級(jí)的貨運(yùn)碼頭，往來(lái)船只較多，這就要求3座閘能夠具有較強(qiáng)的過(guò)閘能力。利用雙扉閘門(mén)過(guò)船的優(yōu)勢(shì)在于船舶過(guò)閘時(shí)僅下扉門(mén)參與通航作業(yè)，上扉門(mén)并不參與。與單扇門(mén)相比，閘門(mén)的重量大大減輕，閘門(mén)啟閉也變得更加輕巧、方便，可有效縮短閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)間，減少過(guò)閘船只等候時(shí)間，提高船閘過(guò)船效率。與單扇平面門(mén)相比，雙扉平面門(mén)因其兩扇單扉門(mén)高度較小，設(shè)計(jì)時(shí)就可以將閘室排架柱高度、啟閉機(jī)房工作橋高度和與之銜接的橋頭堡高度降低，從而減輕土建工程施工難度。
3、雙扉平面門(mén)的劣勢(shì)
雙扉平面門(mén)在啟閉時(shí)，與單扇平面門(mén)相比，在最高通航水位以下的下扉門(mén)的啟閉，與單扇平面門(mén)啟閉無(wú)異。在需啟用上扉門(mén)擋水時(shí)，要求上扉門(mén)必須放置到上扉門(mén)的底止水橡皮和下扉門(mén)的頂止水橡皮閉合處，既不能過(guò)放，也不能欠放，否則雙扉門(mén)組合就起不到擋水作用。同理，雙扉門(mén)組合在泄洪時(shí)，為防止水流從上、下扉門(mén)間流過(guò)時(shí)對(duì)下扉門(mén)造成破壞，上、下扉門(mén)提出水面時(shí)需同步開(kāi)啟。因此雙扉門(mén)在啟用上扉門(mén)參與擋水和泄洪時(shí)，雙扉門(mén)的操作控制難度比操作單扇門(mén)難度要大。同一閘孔里，單扇門(mén)啟閉只需一臺(tái)啟閉機(jī)即可，雙扉門(mén)比單扇門(mén)多一扇門(mén)，雙扉門(mén)啟閉需兩臺(tái)啟閉機(jī)，因此雙扉門(mén)的啟閉機(jī)數(shù)量比單扇門(mén)啟閉機(jī)數(shù)量要多，所占用啟閉機(jī)房的面積和空間也就多，啟閉機(jī)房?jī)?nèi)工作人員的工作面積和活動(dòng)空間也就要小。同時(shí)由于啟閉機(jī)數(shù)量的增加，引起安置啟閉機(jī)重量的次梁增加，承擔(dān)啟閉機(jī)荷載的工作橋結(jié)構(gòu)型式也就相對(duì)復(fù)雜。南四湖水資源控制工程的姚樓河閘、大沙河閘船閘上閘首和楊官屯河閘不僅要具備擋洪和泄洪要求，還要滿足通航要求。現(xiàn)階段選擇雙扉平面鋼閘門(mén)來(lái)同時(shí)承擔(dān)工程通航和擋洪任務(wù)，無(wú)疑是一種最優(yōu)選擇.