苏州河河口水闸工程综述.pdf

第卷增刊第期水 利 水 电科技进展年月苏州河河口水闸工程综述陈文伟,汪云祥,季永兴“,卢永金“中国水电顾间集团华东勘测设计研究院,浙江杭州上海市水利工程设计研究院,上海侧巧摘要根据 苏州河 河口水 闸所处地理位置 的特殊性、水 闸结构的复杂性,以及水闸施工期要 求不断流、不断航、工期短等特点,对该水闸总体 内容工程概况、总体方案、主要构筑物与设备等进行阐述。介绍了该工程设计过程中采用的超常规的设计思路,如 由底轴旋转直接驱动翻板闸门,场外制作、现场拼装的总体结构及施工 方案,格构式形地下连续墙基坑围护措施,水下设备年免维修设计等。本工程解决了百余米重载超 长轴的结构形式、节间连接、支承方式、两岸百余米间启 闭设备的同步控制等技术难题。关键词苏州河 河口水闸翻板闸门液压 启 闭机中图分类号文献标识码文章编号一一的一工程概述苏州河河口水闸位于上海市苏州河人黄浦江的河口,为外滩风貌保护区,水闸周边毗邻外 白渡桥、俄罗斯领事馆、上海大厦、人民英雄纪念塔等历史著名建筑,是上海市苏州河综合整治二期工程 的标志性项目。年上海市在苏州河 河口外 白渡桥与乍浦路桥之间已建有吴淞路闸桥,该闸按当时的年一遇二潮位标准设计,闸上部建有连接苏州河南北两岸的交通大桥。但随着海平面上升、太湖流域及 长 江口工情 水 情变 化以及 上 海城市的发展,闸桥设计时的年一遇高潮位已低于现在的年一 遇高潮位,无法满足黄浦江 现行年一遇高潮位挡潮标准的要求,这将直接威胁到苏州河 两岸数百 万 人 民的生命和财产安全。另外,根据上 海市苏州河景观 总体规划方案及外滩 源建设的需要,苏州河河口段将以恢复世纪年代风貌为主基调进行整治,现有闸桥难以与周边环境相协调。此外,现有 闸桥仅有的单向挡水 功能无法满足进一步 改善苏州河水质和水环境的要求。因此,上海市政府决定拆除吴淞路闸桥,另建苏州河河口水闸,并要求河口水闸具有如下功能防御黄浦江苏州河口千年一遇 的潮位能双 向挡水、灵 活启闭总体布置与周围环境相协调。同时要求施工期苏州河不断流、不断航。总体方案根据上海市对苏州河河口水闸功能和施工的要求,以及闸址周边建筑物的情况工程规模等确定工程总体方案为 闸址中心线距外白渡桥约闸孔净宽,与河口同宽闸底槛高程一闸门顶高程主体挡水结构采用底轴驱动式 翻板闸门,闸门尺度底轴直径必以刃启闭设备为一液压启闭机。水 闸主要水工建筑物有闸墩、基础钢管桩、闸底板、启闭机室、防渗钢板桩、上下游护坦等。除启闭机室、水闸底板支承墩及上 下游护坦需现场施工外,其余均采用预制构件,在船坞内制造完毕后经黄浦江浮运至闸址现场沉放,因此,施工时河道不需要建筑围堰,保证了施工期间苏州河河道不断流、航道不断航,施工对河道 的防汛能力及 闸址周边 环境影响亦较小。翻板 闸 门门叶 由底轴直接驱 动旋转,转角范 围一,全关时门叶呈铅直状,全开时门叶向黄浦江侧卧倒呈水平状。闸门上游设道耐磨损高分子合成硬质材料底水封,闸室底板上设有排冲淤孔,采用高压水泵进行冲淤。闸门底轴在净宽的范围内共设个支点,用以承受 闸门的径 向荷载,侧作者简介 陈文伟一,男,浙江青田人,教授级高级工程师,从事起重运输机械及金属结构研究。水利水电科技进展,一户从拟从“汕 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.水封为插拔式具自动补偿功能的双向止水装置,启闭设备布置在左、右两岸机房内。由于翻板闸门具有良好的调节水位特性,正向挡水运行工况时,可以按季节 由 自动控制系统将苏州河水位维持在相对稳定的状态,同时,当上游有多余来水时可利用门顶溢流,使苏州河水呈缓慢的单向动态流 反向挡水运行工况 的操作可根据当日潮讯、潮位预报,在外江水位超过翻板闸门门顶实时高程时根据苏州河是否需要蓄潮以抬高水位的情况确定闸门关闭的时间及是否关闭。全部设备布置在水面或地面以下,故对原有景观、风貌不会产生负面影响。闸门水下部分按年免维修设计,减轻了运行管理的工作量。闸门全开时门叶与河床底面齐平,对航运不产生任何影响。主要建筑物与设备水工建筑物闸墩基础闸墩基础结构为钢壳沉井式承台,下设桩基础,见图。南岸边 闸墩基础采用扣根直径的钢管桩,中闸墩基础为根直径的钢管桩,桩长约,钢管桩壁厚。北岸边墩在施工基坑围护高喷注浆时发生 土体变形,后经多方专家论证改为钢套管加钻孔灌注桩结构,桩径,桩长同钢管桩,约。沉井式承台为预制中空钢壳沉箱,浮运 至现场后充填混凝土。闸边 墩 沉井尺寸为,由隔墙分隔成个仓。中墩沉井长宽高,由隔墙分隔成个仓。钢壳沉井在船坞制造完毕后由黄浦江 浮运至闸址 现场,定位后搁置在砂岛上,然后在钢壳沉箱空腔内充填混凝土,同时在沉井顶部接高临时施工钢围堰。沉井沉放采用不排水方法施工,至设计标高后搁置在钢管桩顶。沉井封底采用水下不分散混凝土,封底混凝土厚。最后进行沉井底板施工,采用分仓排水干施工方法,底板钢筋混凝土厚。闸底板苏州河河口水闸闸底板为单体钢筋混凝土预制沉箱,底板沉箱尺寸为长宽高。闸底板上下游两侧面外包钢板,板厚根据受力条件分别为,和,纵向四角包角钢。安装到位后底板底标高一巧,底板顶标高一上游侧,宽、一下游侧,宽。沉箱由纵隔板与横隔板将闸底板分隔成个独立的隔腔,其 中一以上个隔腔,一以下个 隔仓。纵 隔 板 厚度 为,横隔板厚度除底轴支座位置为,其余均为。闸底板在船坞内制作完成后,安装孔口部分的底轴和闸门,最后再浮运至现场沉放,搁置在闸墩沉井支座上。水下防渗体水下防渗体采用拉森钢板桩加定位钢管桩联合体,既作底板基槽开挖围护又作防渗。底板与钢板桩间用水下不分散混凝土充填,并注浆形成防渗帷幕。防冲护坦为防止闸门启闭对上下游河床基 础 的冲刷,必须对河床进行保护。保护层结构组成为先在河床开挖面铺土工布,然后设厚碎石及 抛石,表面铺层钢筋混凝土链板。电气设备电气主接线河口水闸工程供电负荷属二级负荷,采用二回电源供电方案。配电系统 由高压系统和低压配电系统组成。两 回独立电缆进线引至高压 配电室后,各 自经环网柜分别 引至号 和号配电变压 器。变配电 所设置台配电变压 器,根据用 电负荷统计结果,并考虑台变压器互为备用。低压侧采用单母线分段接线,段母线间设分段 开关。正常运行时图苏州河河口水闸结构纵剖面图水 利水电科技进展,叮,。一刀犯“。人即刀从“1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.分段开关断开,台配电变压器各 自承担本段母线上所带负荷当某回线路变压器组发生故障时,分段开关自动投人,由台配 电变压器 承担整个水闸的全部负荷,以保证供电的可靠性。自动化控制系统河口水 闸按少人值班方式设计,采用 以计算机系统为基础的全站集中监控系统。计算机监控系统对闸站 的主、辅设备进行监视、测 量 和控制,并实现与调度部门通信,完成调度部门对 闸站 的远动功能。系统包括集中控制、计算机 监控、现 地控制、二次接线、图像监视、通信、防雷击和过 电压保护系统、火灾报警系统、观测系统等。金属结构设备结构布置河口水闸的金属结构设备主要由门叶及驱动底轴、操作闸门的液压启闭机、闸底板冲淤系统、翻板闸门锁定系统、启闭机 室 的排水系统等组成。翻板闸门布置在两闸墩之 间,液压启闭机布置在两岸 闸墩的机房内,液压启闭机通 过固定于底轴端部 的拐臂驱动翻板闸门。考虑到翻板 闸门的运行可靠性,在闸门全关位和闸门挡苏州河常水位两种工况时设置有锁定系统。翻板闸门及底轴翻板闸门在孔口净宽范围内由左、右两扇门叶组成,相对孔口中心线呈对称布置,孔口中心线处的连接结构采用对各 向变位有一定适应能力的形橡皮。每扇门叶沿宽度方向由块单宽的门叶结构和块宽的门叶结构用螺栓拼接而成,相邻的门叶结构之间设有纵 向止水。门叶采用竖向悬臂梁受力结构。门叶与底轴间采用螺栓连接。底轴结构见 图。底轴作为门叶竖向悬臂梁 的固端和闸门启闭驱动轴,是本水 闸最重要 的构件之一,底轴材料选 用,按扭转一弯曲受力条件设计。底轴沿全长共分段,采用钢板分段卷制焊接结构,各段端面间采用铰制孔螺栓连接成整体。底轴在净宽的范 围内共设个支点,用以承受径向荷载,支承轴承采用耐磨自润滑球面轴承。翻板闸门的上游设道底水封,采用耐磨损高分子合成硬质材料,为延长使用寿命,补偿磨损量,压板上设有预压板弹簧。侧水封为插拔式的具有自动补偿功能的双向止水装置,不仅具有止水功能,而且在出现温变的情况下还具有 自动调节功能。翻板 闸门可以灵活运行,允许门顶溢流,门顶设有破水器,以避免局部开启运行时因门顶 溢 流及启闭操作时造成门后负压。闸门所有零部件及构件均在制造厂内制造,闸门闸孔部分的底轴、门叶、轴承总成、底止水需在水闸预制钢筋混凝土底板 的预制场所内进行安装、调试,安装、调试完成后随底板一起浮运至水闸现场沉放就位。其余部分在水闸现场进行安装,采用临时钢围堰法施工。启 闭设备翻板 闸门采用四缸液压启闭机操作,每侧为双缸并联布置,分别布置在左右两岸机房内,各 自设置独立的液压泵站和现地电控设备。液压缸采用中部转铰支承结构,活塞杆 吊头与固定于底轴端部的拐臂直接相连接。泵组、油箱为一体式结构,阀组采用集成式结构,每侧设套油泵电动机组,正常运行工况时为两用一备工作,当套液压 缸 出现故障或检修时,启闭机采用单泵驱动单缸减速运行。启闭运行时设有闭环同步控制系统,以保证闸门同步运行,设计液压缸行程同步精度为。液压启闭设备在布置设计和结构设计时已考虑了维修的条件以及维修条件下的运行问题。冲淤装里由于翻板 闸门开启后平卧在河底,此处高程较低,易淤积,可能影响闸门的启闭,为此,在每边闸室中设置 了冲淤水泵。为减小冲淤水泵的容量,闸底板分二次冲淤,在闸室中设置转换电动闸阀,闸底板上设有冲淤孔,在翻板闸门每次开启之前采用高压水泵进行一次冲淤。专题研究与试验苏州河河口水闸工程采用扇单孔净宽图底轴结构总图水 利 水 电科技进展,一“户“汕瓜切刀渤从“汕 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.的翻板闸门作为挡水结构,防御年一遇高潮位,在国内和 国际尚属首例。翻板 闸门门叶采用 竖向悬臂梁结构,由底轴旋转直接驱动。使闸门孔口的宽度不再受梁高的制约,致使单扇闸门的宽度达百米之巨。该门型的研究成果是对挡水闸门设计的一种突破。目前该门型已获国家实用新型专利专利号。另外,苏州河河口水闸位于上海市苏州河河口、外滩风貌区,毗邻人民英雄纪念碑、外白渡桥、上海大厦和俄罗斯领事馆等重要历史保护建筑物,环境要求高,施工难度高、结构复杂,涉及专业多,而且施工期要求不断航、不断流因此在设计过程中采用诸多开创性、超常规的设计思路,如场外制作、现场拼装的总体结构及施工方案、格构式形地下连续墙基坑围护措施、水下设备年免维修设计、余重载超长轴的结构形式、节间连接、支承方式的设计、两岸余间启闭设备的同步控制等等。为此在设计过程中进行了多项技术专题研究和物理、数学模型试验。专题技术研究包括苏州河河口水闸门型及主体结构方案研究苏州河河口水 闸变形控制技术研究苏州河河口水闸水动力学问题研究苏州河河口水闸狭小空间开敞式基坑围护方案研究苏州河河口水闸关键施工技术问题研究苏州河河口水闸翻板 闸门及底轴结构形式研究苏州河河口水闸闸门结构振动及补排气措施研究苏州河河口水闸金属结构制造、安装问题研究苏州河河口水闸液压启闭机同步方案研究水下金属结构长效防腐问题研究苏州河河口水闸翻板闸门底轴支承结构及材料研究苏州河河口水闸工程施工质量验收标准应用研究。物理、数学模型试验包括黄浦江与苏州河整体水流数学模型计算上海交通大学苏州河河口水闸整体物理模型试验河海大学苏州河河口水闸水工建筑物整体三维有限元结构分析同济大学地下建筑与工程系隧道 及 地 下工程研究所苏州河河口水闸金属结构整体数学模型有限元计算南京水利科学研究院 苏州河 河口水 闸整体三维有限元结构分析河海大学上海苏州河水闸翻板门结构模型试验研究浙江大学。了联门后 的带载调试试验,液压系统的闸门关闭、闸门开启、同步控制及纠偏、同步超差停机保护、单侧静态纠偏等各项功能以及运行过程 的压力、速度等实测数据基本达到和满足设计要求,通过此 次带载调试试验,使人们对苏州河河口水闸这样一座集挡潮、防汛、调水、调节水位、通航等多种功能于一体的超大型挡潮 闸的运行水位组合、工况条件设定、运行操作方案有了更新、更全面的认识,而这些也正是设计、管理以及运行单位所面临的一项 全 新 的课题。最终确定一个合理 的运行水位组合、设定切实可行的运行工况条件和完善的运行操作方案,将是本工程下一阶段需要摸索和深人研究的重要问题。随着近年来全球气候变暖,海平面不断上升以及各类灾难性气候的频发,给沿海城市和一些河口城市特别是那些重要 的、特大型城市的城市防御体系带来了新的研究课题,如何使用有限的工程手段来保障城市的安全已成为当务之急。根据世界发达 国家 荷兰、英国、德国等的研究结果和已建工程的经验,在河口处设闸是一个行之有效的工程措施。目前我 国已有多个城市和地区正在或即将开展这方面的工作。希望本工程的建设实践能够为同类工程 的建设,尤其是对那些经济发达、人口稠密、景观要求较高的城市和地区,提供一个良好的工程参考实例。结语苏州河 河口水闸目前已完成工 程初步验收,其中,闸底板于碎年月沉放到位闸门于年月安装完毕启闭机及附属 设备于年月完成安装和单机调试液压启闭机于年月进行参考文献【陈文伟,季永兴,等苏州河河口水闸工程技施设计报告杭州中国水电顾 问集团华东勘测 设计研 究院,【陈文伟,季永兴,等 苏州河河口水闸工程初步设计报告杭州 中国水电顾 问集团华东 勘测 设计 研究 院,苏州河河口水闸工程初步设计评审报告【上海上海市建设和管理委员会科学技术委员会,苏州河河口水闸工程初步设计工程技术部分的批复沪建建规【号【上海上海市建设和管理委员会科学技术委员会,国家电力公司华东勘测设计研究院,上海市水利工程设计研究院苏州河河口水闸工程工 程 可行性 研究报告【杭 州中国水电顾 问集团华东勘测设计研究 院,叉仁 关于苏州河河口水闸工程可行性研究报告的批复沪计城【号 上海上海市建设和管理 委员会科学技术委员会,【季永兴,卢永金,陈文伟,等 苏州 河河口水闸工程设计特色上海水务,一收稿日期印一一巧编辑高建群水 利水电科技进展,一子。1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.