沿海地区通航排水闸金属结构设计.pdf

水利水电技术第 4 2卷2 0 1 1 年第 4期 沿海地区通航排水闸金属结构设计 王芳 ，王根祥 ( 1 浙江省水利水 电勘测设计院，浙江 杭州3 1 0 0 0 2 ；2 浙江省水电建筑机械有限公司，浙江 东阳3 2 2 1 0 0 ) 摘要 ：介绍 了杭嘉湖 南排平湖塘延伸拓浚独 山排涝应急工程通航排水闸工作 闸门满足候潮通航和 7 mi n快速启闭运行要 求的设计特点及 沿海地 区金属结构重防腐措施 。 关键 词 ：沿海地 区 ；通航 排 水 闸；候 潮 通航 ；金 属 结 构 ；设计 中图分类号 ：T V 3 4 文献标识码 ：B 文章编 号 ：1 0 0 0 0 8 6 0 ( 2 0 1 1 ) 0 4 0 0 4 5 04 On de s i g n o f m e t a l s t r uc t ur e of c o a s tal na v i g a t i o n- dr a i n ag e s l ui c e W ANG Fa n g ， W ANG Ge n x i a n g ( 1 Z h i a n g D e s i g n I n s t i t u t e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d H y d r o e l e c t r i c P o w e r ， Ha n g z h o u 3 1 0 0 0 2 ， Z h i a n g ， C h i n a ； 2 Z h e j i a n g H y d r o p o w e r C o n s t r u c t i o n Ma c h i n e r y C o L t d ， D o n g y a n g 3 2 2 1 0 0 ，Z h i a n g ，C h i n a ) A b s t r a c t ：T h e d e s i g n c h a r a c t e ri s t i c s o f t h e w o r k i n g g a t e o f t h e n a v i g a t i o n d r a i n a g e s l u i c e f o r D u s h a n e m e r g e n c y d r a i n a g e p r o j e c t fo r P i n h u t a n g E x t e n s i o n d r e d g i n g o f H a n g z h o u J i a x i n g H u z h o u S o u t h D r a i n a g e P r o j e c t a r e d e s c ri b e d h e r e i n ， w h i c h h a v e s a t i s fi e d t h e o p e r a t i o n r e q u i r e me n t s o f b o t h t h e t i d e n a v i g a t i o n a n d t h e q u i c k o p e n a n d c l o s e( 7 m i n )o f t h e g a t e ， a n d t h e n t h e h e a v y a n t i c o r r o s i o n me a s u r e s f o r t h e me t a l s t r u c t u r e s wi t h i n t h e c o a s t a l r e g i o n a r e brie fly i n t r o du c e d a s we l 1 Ke y wo r d s ：c o a s t a l r e gi o n ； n a v i g a t i o n d r a i n a g e s l u i c e ；t i d e n a v i g a t i o n ；m e t a l s t ruc t u r e ；d e s i g n 1 工程概况 杭嘉湖南排平湖塘延伸 拓浚独 山排涝应 急工程 位 于浙 江省嘉 兴市 ，建 设 任务是 防洪 、排水 为 主 ， 结合改善水环境 和航运条件 等综合利用 。工程 由独 山排涝 闸及其上 游排涝干河组 成 ，其排涝干河 贯穿 于嘉兴 秀洲 区、南 湖 区及平 湖市 ，与京杭 古 运河 、 杭 申线 、乍 嘉 苏 线 、湖 嘉 申线 等 航 道 均 能 联 系 沟 通 ，出海 口位 于杭州湾北 岸海塘独 山处 ，可直通 钱 塘 江 。 目前 ，嘉兴市沿海码头的大部分货物是通过后方 内河港 口的转运或直接通过公路运输 ，包括装卸费用 在内的运输成本较高 ，若部分适合货种在经济运输距 离之 内能够通过海河直达运输 ，将有利于减少港 口设 施的建设和运行费用 ，更有利于降低社会运输成本 。 为配合实施独山排涝枢纽海河联运方案构想 ，对独山 排涝闸闸室结构进行调整 ，增加其通航 的功能 ，将原 设计的 5孔 8 m钢筋混凝土变更为 2边孔 1 4 m露 顶平面钢闸门 +1中孔 1 2 m潜孔平面钢闸门，其中 W a t e r Re s o u r c e s a n dHy d r o p o we rEn g i n e e r i n g Vo 1 4 2 No 4 2边孔兼通航功能 ，以满足外海与内河之间直达通航 的要求 ，在功能定位上由原设计的排水挡潮变更为排 水挡潮兼顾航运。 独山排涝闸位于独山东面 ，距平湖市约为 1 2 k m， 距黄姑镇约 3 0 k m，排涝 口门布置在 白沙湾围涂 工 程和独山之间 ，西面紧邻独 山山脚 ，东侧距 白沙湾围 垦工程西端堤头约 5 0 0 m，闸 中心线几乎垂直于现独 山东侧钱塘江北岸海塘 ，闸轴线位于现杭州湾海塘塘 轴线 以内约 1 0 5 m。 2 通航排水闸金属结构设计 通航排水 闸设工作闸门、外海侧检修 闸门及内河 侧检修 闸门各 1 道 。 ( 1 ) 通航排水闸工作 闸门。 闸门平 时处 于挡水状态 ，当嘉兴水位 在 1 1 0 1 4 0 m之 间时 ，并高于外海侧水位时 ，进行引水调 收稿 日期 ：2 0 1 1 0 2 2 2 作者简介 ：王芳 ( 1 9 7 4 一 )，女 ，工程师。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 王芳， 等沿海地区通航排水闸金属结构设计 图 1 独 山内闸通航排水 闸工作闸门布置 ( 单位 ：m) 度 ，开启工作闸门以嘉兴水位不低于 1 1 m控制 ；当 嘉兴水位大于 1 4 0 m时 ，进行洪水调度 ，开启工作闸 门进行排水 ，当嘉兴水位小于 1 3 0 I T I 时，关 闭工作 闸门挡潮 ；平潮有过船要求时通航 。 门顶高程与 防浪墙 等高，门顶高程 9 8 5 m，门 高 1 2 6 5 m，闸门分 2节 ，单节门高分别为 9 0 m( 下 节) 及 3 6 5 13 1 ( 上节 ) ，上节门叶平时存放于门库 ，需 要挡外海 1 0 0年一遇设计高潮位 5 5 m以上潮位时吊 入门槽与下节门叶一起挡潮。 通航 排水 闸共 2孔 ，主要作 用是 挡 潮 、排 水 、 通航 ，需承受双 向水头 ，门型采用露顶式提升横 移 式叠梁 钢 闸 门，排水 、通 航 时 闸 门 提升 并 移 入 门 库 ，见 图 1 。 通航排水闸金属结构有关主要设计参数见表 1 。 表 1设计 参数 孔 口尺寸( 宽 高 ) m 1 4l 2 6 5 底坎 高程 m 一 2 8 堤顶高程 m 9 8 5 设计最 高通航水位 m 2 0 6 最低通航水位 m 0 3 6 通航净空 m 7 0 闸门操作条件 动水启 闭 门叶从提 门至入库 7 rai n 支承滑块材料 耐海水 工程塑料合金材料 门槽埋设件材料 S T N i 2 C r 合金铸铁 启闭机型式 T Q台车式启闭机 配设 自动液压抓梁 启闭设备主要技术参数与机构工作级别见表 2 。 ( 2 ) 外海侧检修闸门及启闭设备。 表 2技术参数与机构工作级别 额定启门力 k N 2 8 O 0 扬程 m 1 5 起升 机构 额载速度 m rai n 2 O2 5 吊点 中心距 m 8 5 5 轻载速度 m rai n 3 6 4 5 定位销中心距 m 1 1 1 1 运行距离 m 1 8 运行速度 m m i n 1 5 2 O 运行 轨距 m 3 6 轨道长度 m 3 5 机构 最小行走携 载 1 0 0 t 启 闭 机 工 作 级 别 Q 3 一 中 启 闭 机 台 数 台 l 2 机构名称 起 升机构 运行机构 机构工作级别 Q 3一中 Q 3一中 外海侧检修 闸门孔 口尺寸 ( 宽 高一设计水 头) 1 4 m 7 2 m -7 2 m，闸底坎高程 一2 8 1T I ，按挡多 年平均最高潮位 4 0 m设 计 ，门型采用 露顶式平面 滑动叠梁 钢 闸 门，门叶分 3节 ，单 节 门高 2 4 m， 闸门平 时存 放 于 门库备 用 。当工 作 闸 门或 闸室需 检修时 ，采用布置在 高程 2 3 0 m启 闭机房 下梁底 的 1台 22 0 0 k N移 动式 电动葫 芦加 自动机 械抓 梁将检修 闸 门吊放 人槽 ，以满足 工作 闸门 的检修 需求 。 ( 3 ) 内河侧检修闸门及启闭设备。 内河侧检修闸门孔 口尺寸 ( 宽 高一设计水头 ) 1 4 m 4 8 m _ 一 4 8 m，闸底坎高程 一2 8 m，按挡设 计常水位 1 1 6 m设计，门型采用露顶式平面滑动叠梁 钢闸门，门叶分2节，单节门高2 4 m，闸门平时存放 门库以备检修。当工作 闸门或闸室需检修时 ，采用布 置在高程 2 3 0 m启闭机房下梁底的 1台 2 2 0 0 k N移 水利水电技术第4 2卷2 o l 1 年第4期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 动式 电动葫芦加 自动机械抓梁将检修闸 门吊放入槽 ， 以满足工作闸门的检修需求 。 3 闸门运行特点和启闭设备变频调速控制技术 沿海地 区通航排水闸建筑物设计 中，由于外海潮 位每天两涨两落 ，潮位会高于或低 于内河水位 ，围区 内外的船只可乘潮涨潮落之际候潮进出 ，因平潮时间 短约半小时，则给闸门启闭运行时间提出了较高的要 求 ，启闭机的设计特点为采用超工频技术来实现启 闭 机的快速运行 ，以适应此工程要求 。 常规的启 闭机起升机构普遍采用交流异步电动机 拖动 ，当电动机容量较大时选用绕线式 电动机并在其 转子回路上串接 电阻，用以降低启动电流或者调节速 度。按照现行 的设计规范 ，启闭机 的启 门容量是根据 最大启门力或持住力二者中的较大值确定的。从绝大 多数事故 门和工作 门的运 行特性来 看 ，较大启 门力 ( 或持住力 ) 往往 只出现在闸 门位于小开度 时( 0 2 0 ) ，在动水启 闭 门工 况下 ，随 闸门 的开 度增加 ， 启 门力( 或持住力 ) 由于闸 门底所受 的水压形成 的上 托力增加而减小 ，在孔 口上方 的运行过程 中，启闭机 只需克服闸门自重及止水和支承磨 阻力。这时候作用 于事故门和工作门启 闭机起升机构的荷载 ，通常只有 额定容量的 1 21 4 ，见 图2 。 靛 罂 窖 厘 动水启闭门时 、 静水启闭门时 0 1 0 2 O 3 O 4 O 5 O 6 O 7 O 8 O 9 O 1 O O 相对负荷启闭门阻力 启闭机容量 1 0 0 图 2启 闭门阻力与闸 门开度关 系示意 则让启闭机在不同的负荷下以不同的速度来运行 调速 ，可有效提 高 电动 机在整个 过程 中的负载 率 。机械的传动比变换 以及用电机变极方法都存在提 升力的短时消失 ，这在重力负荷的提升机构中是不允 许的。变频技术在启闭机电力拖动上的应用 ，尤其是 变频电动机在超工频状态下 的恒功率特性 ( 见图 3 ) ， 就较好的符合这种要求。 在水利水 电工程 中，对闸门的启 闭门速度要求一 般基于水力 计算来确定 闸门启 闭门时 间要求 。很 明 显 ，在满足同样的启闭门时间要求前提下 ，采用调速 方式运行可以降低启闭机额定容量时的额定速度 ，从 水利水电技术第4 2卷2 0 l 1年第4期 王芳， 等沿海地区通航排水闸金属结构设计 一 II I 一l J 1 _JJ- ： ： O 3 l O 2 O 3 0 4 O 5 O 6 0 7 O 8 O 9 0 l 0 O 输出频率 H z 图 3 变频 电动机的输 出特性 而减小 电动机的功率。变频器在启闭机起升机构中的 应用 ，可以实现启闭机 的调速运行 ，闸门在小开度或 孔 口段 ，启闭机 以额定 的速度运行 ，在孑 L 口上方变频 器输出超工频电流 ，电动机以超过额定的速度旋转 ， 实行启闭机的快速运行。快速与额定速度的比值 ，一 般受制于传动系统的高速部分如电动机和减速器的允 许最高转速 ，采用国内变频 电机 的其值大多在 2 ，如 果 闸门在非孑 L 口段其启 门力大于启 闭机额定容量 的 1 2，则其值应按此控制。 如上所述，由于启闭机可以实行超额定速度运行， 在启 闭机选择和设计 中可以降低额定速度 ，因此 ，选 用电动机的功率亦相应减小 ，用于事故 门工作 门的大 部分卷扬启闭机 ，其 电机功率仅为常规方案的 1 2 。 变频调速系统具有较大的调速比，在速度变换时 可以调节加减速 时间 ，以减小 机构 冲击 ，与 P L C相 结合能方便实现启闭机 的多段速度调节 ，P L C采集的 启闭机运行即时载荷及位置值 ，可以方便实行启闭机 的自动调速及远程控制运行。变频器可 自设过流过载 保护及故 障 自我诊断功能 ，可以提高启闭机运行的安 全 性 能 。 4金属结构防腐 由于本工程地处海边 ，受盐雾及潮水影响 ，对金 属结构件的防腐措施要求较高 ，设计采用 喷涂 C e A L 加面漆加牺牲 阳极 阴极保护的联合 防腐措施。确保闸 门在正常的使用期限内安全 、可靠地运行 。根据闸门 运行的特点 ，海水 中小面积的钢结构 ，阴极保护法采 用铝合金牺牲阳极进行 阴极保护 ，铝合金牺牲阳极电 容量高 、重量轻 、寿命 长、便于安装 ，保护效果好 ， 管理方便 。 5 结语 对候潮通航 ，满足快速运行要求 的变频调速控制 技术在启闭机中的应用 ，不仅可 以很好的解决限流启 ( 下转 第 5 4页) 4 7 加 埭辱 毒 丑谭留 N I 。 莨 删迥 1 f 口 鲫 加 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 兰文改， 等水工弧形工作闸门结构动特性研究 z ha Me | 1 3 3 8 E- 0 8 37 9E 一 。 j 7 0 3 。 。f i 3 6 00 1 sl 40 0f 8 9 3 0 0 2 27 1 00 2 6 5 。 。 7 ( a ) 第一阶 。 。 s， e -。 3 。 。 。 。 。 t s s 。 。 0 0 s 1 1 00 3 6 3 州 o 0 肌 2 31 E - 0 。 s 。 3 删川。 。，s t 船 。 叮 。 ：， oo ” 。 。 g 。 。 s ( b ) 第二阶 ( c ) 第三阶 图5 有限元计算自振振型 较，用有限元计算模态振型和参数也取前三阶。 闸门结构前 3阶自振特性计算结果见表 2 ，振型 见 图 5 。 表 2闸门结构 自振特性计算 结果 阶次 频率 H z 振 型描述 第一 阶 2 6 6 0 闸门结构绕径 向扭转振动 第二 阶 1 5 9 6 3 支臂结 构沿侧 向弯 曲振动 第三阶 2 0 3 8 6 支臂结构 沿径 向弯 曲振动 3 结语 弧门模态试验和有限元方法第一 阶模态频率分别 为 3 2 1 H z 和 2 6 6 H z ，反映 的是结 构的整体径向振 动，但在闸门实际运行工况下 ，在止水及悬吊构件的 约束下，该振型通常表现不出来 。 二 、三阶模态频率 两种 方法分别求得 1 1 2 3 H z 和 1 5 9 5 H z ； 1 7 1 0 Hz 和 2 0 3 8 H z 。反映的支臂侧 向 及径向振动 ，已基本脱离水 流激励 的主频 区域 ( 0 3 H z ) 。弧门结构设计基本合理。 通过对比试验模态分析方法和有限元计算方法所 得出的两组数据可以看 出有限元方法计算出的模态参 数与试验模态分析方法多得出的数据误差不大 ，分别 为 1 7 ，2 9 和 1 6 。 有限元计算在研究弧形闸门动特性领域 目前虽然 无法取代试验模态分析方法 ，但是依靠其强大的计算 能力和直观的图形显示能力 ，可以作为常规试验方法 的一种强有力的辅助工具 。 参考文献： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 D L T 5 0 l 3 9 5，水利水电工程钢 闸门设计规范 s 严根华 水工弧形 闸门三维水弹耦合共 振频 率的数值研究 J 水利水运科学研 究 ， 1 9 9 3 ( 1 ) 周建方 ，等 弧 门结构 自振 特性的计算 和评估 J 水利 电力 机械 电子技术 ，1 9 9 2 ( 3 ) 潘锦江 ，陈小涛 浅 谈 闸门的振 动问题 J 广 东水 利水 电， 2 0 0 1 ( 2 ) 赵兰浩 ，李同春 ，汪凌 水工闸门流激振动 响应 的一种计算方 法 J 河海大学学报 ， 2 0 0 5 ( 4 ) 吴杰芳 ，曹晓丽 ，张晓平 ，等 闸门流激振 动水弹性模型材料 研制及其应用 J 长江科学 院院报 ， 2 0 0 2 ( 2 ) 倪汉根 弧形 闸门流激振动的物 模 一数模 预报 J 水动力学 研究与进展 ， 2 0 0 5 ( 1 ) 周建方，等弧门主框架 自振频率计算 J 水利学报，1 9 9 5 ( 4 ) 左东启 模 型试 验的理 论和 方法 M 北京 ：水 利 电力 出版 社 ，1 9 8 4 张胜民 基于有 限元软 件 A N S Y S 7 0的结构 分析 M 北京 ： 清华大学 出版社 ，2 0 0 3 ( 责任编辑陈小敏) ( 上接 第 4 7页 ) 动 、减小启制动冲击等问题 ，而且摒弃 了绕线电动机 启动调速系统 的主接线 电路复杂 、接触器触头多 、回 路故障率高等缺点。重要 的是 ，由于启闭机可以实现 轻载情况下的超额定速度运行 ，可以显著降低同容量 启闭机的电动机 功率，具有十分 明显 的降低建设投 资、节省运行成本的效果 ，较符合低碳经济要求 ，有 很好的应用和推广价值。 参考文献 ： 1 水 电水利工程启 闭机设计规范 ，D L 5 1 6 7 -2 0 0 2 S 2 王建华，吴道 电工学实验 ( 第 3版 ) M 北京 ：高 等教育 出版社 ，2 0 0 3 ( 责任编辑聂建平) 水利水电技术第4 2卷2 O 1 1 年第4期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m