２０１２年第３期 ２０１２ Ｎｕｍｂｅｒ ３ 水电与新能源 总第１０２期 Ｉ＇０ｔａｌ Ｎｏ．１０２ ＨＹＤＲ０Ｐ０ＷＥＲ ＡＮＤ ＮＥＷ ＥＮＥＲＧＹ 文章编号：１６７１—３３５４（２０１２）０３—００１０一ｏ４ 厦门集杏海堤开口改造工程金属结构设计 吴传惠，王业蛟，罗 华，马 骥，丛景春 （湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北武汉４３００６４） 摘要：介绍了集杏海堤开口改造工程中闸门型式的比选、闸门与启闭设备的选型及其金属结构的设计。该工程在设计 思路、设备选型及布置上结合了景观要求，对于类似的河道防洪景观工程具有一定的参考价值。 关键词：方案比较；工作闸门；液压启闭机；导向柱；设计 中图分类号：ＴＶ６６３．１ 文献标志码：Ａ Ｔｈｅ Ｍｅｔａｌ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ Ｄｅｓｉｇｎ ｉｎ ｔｈｅ Ｏｐｅｎｉｎｇ Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｐｒｏｊｅｃｔ ｏｆ Ｘｉａｍｅｎ Ｊｉｘｉｎｇ Ｓｅａｗａｌｌ ＷＵ Ｃｈｕａｎｈｕｉ，ＷＡＮＧ Ｙｅｊｉａｏ，ＬＵ０ Ｈｕａ，ＭＡ ｊｉ，ＣＯＮＧ Ｊｉｎｇｃｈｕｎ （Ｈｕｂｅｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｐｌｎｎｉａｎｇ Ｓｕｒｖｅｙ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｗｕｈａｎ ４３００６４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ａｎｄ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｇａｔｅ ｔｙｐｅ，ｔｈｅ ｔｙｐｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｏｆｆ—ｏｆｆ ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ ｉｔｓ ｍｅｔａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｉｎ ｔｈｅ ｏｐｅｎｉｎｇ ｒｅｃｏｎｓｔｕｃｔｒｉｏｎ ｐｒｏｊｅｃｔ ｏｆ Ｘｉａｍｅｎ Ｊｉｘｉｎｇ Ｓｅａｗａｌｌ ａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｌａｎｄｓｃａｐｅ ａｒｅ ｔａｋｅｎ ｉｎｔｏ ａｃｃｏｕｎｔ ｄｕｒｉｎｇ ｆｏｒｍｕｌａｔｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ ｉｄｅａ，ｓｅｌｅｃｔｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｌａｙｏｕｔ，ｗｈｉｃｈ ｇｉｖｅｓ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｒｅｆｅｒ— ｅｎｃｅ ｖａｌｕｅ ｔｏ ｓｉｍｉｌａｒ ｌａｎｄｓｃａｐｅ ｐｒｏｊｅｃｔ ｏｆ ｉｆｖｅｒ ｃｈａｎｎｅｌ ｌｆｏｏｄ ｃｏｎｔｒｏ１． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｒｏｊｅｃｔ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ；ｐｌａｉｎ ｓｔｅｅｌ ｇａｔｅ；ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｈｏｉｓｔ；ｇｕｉｄｅ ｐｏｓｔ；ｄｅｓｉｇｎ 厦门集杏海堤开口改造工程通过闸门控制湾内水 位一０．５ ｍ对应水位组合，设计水头差：５．１７ ｍ。 位，并保留后期纳潮功能，人为控制杏林湾水位并改善 水质，达到水与景观环境的协调和谐，并打开了海堤的 生态通道。 为增加西海域的纳潮量，使杏林湾水库的水体能 够交换，并达到５０ ａ一遇的防洪要求，经过调洪演算 并经数模、物模试验验证，水闸运行方式如下： 非汛期，水闸运行水位一１．２４—１．０ ｍ。当外海水 位降到１．０ ｍ（同湾内控制高潮位）时，打开闸门，湾内 水位同湾外水位同步降落，当湾内水位降到一１．２４ ｍ 时，关闭闸门；当外海潮水位开始涨到一１．２４ ｍ时，则 再次打开闸门，湾内水位与外海潮位同步上涨，当涨到 １．０ ｍ水位时，则关闭闸门，湾外水位继续上涨，湾内 开口改造设计要符合市等主管部门拟定的 “满足工程要求；建筑不宜过高；建筑服从城市规划； 建筑与环境协调”的设计要求。因此，闸门、启闭机布 置受到许多条件制约。 １工作闸门型式方案比选 根据南科院与中国海洋局物模试验，满足杏林湾 ５０ ａ一遇的防洪排涝要求，选择开口宽度和闸底高程 水位保持１．０ ｍ控制高水位时，完成一次水体交换。 自湾外向湾内依次布置有：湾外检修闸门、工作闸 门、湾内检修闸门。 的最佳组合，最终选择开口宽度２６４ ｍ，闸底板高 程一３．７４ ｍ。 湾内生态景观水位要求，最低水位一０．５ ｍ，最高 防洪水位１．４ ｍ；湾外极端最高水位４．６７ ｍ。设计水 位组合：按湾外极端最高水位４．６７ ｍ，湾内常水 收稿日期：２０１２—０１—１８ ２工作闸门及启闭设备的选型 综合工程布置与比较，工作闸门采用平面工作 闸门。 作者简介：吴传惠，男，高级工程师，从事水利水电设计工作。 １０ 吴传惠，等：厦门集杏海堤开口改造工程金属结构设计 ２０１２年５月 孔口尺寸为１２．０ ｍ×５．５ ｎｌ（宽×高，下同），２２ 因此选用顶升式液压启闭机顶升式布置，启闭机容量 孔，底槛高程为一３＿７４ ｍ，设计水头差５．１７ ｍ。 为２×６５０ ｋＮ，工作行程６．５ ｍ，检修行程３．３ ｍ，采用 为了景观的需要，水闸所有的设备都布置在水闸 双级油缸结构型式。 平面５．０ ｍ高程以下，将所有金属结构设备“隐藏”， 工作闸门及液压启闭机布置见图１。 图１ 平面闸门及液压启闭机布置横剖面图（单位：ｍｍ） 液压启闭机由液压泵站、管路与油缸组成。液压 当预计闸门开度大于４．６４ ｍ时，首先启动导向柱 泵站设置于水闸一侧管理用房内，管路通过廊道 控制油缸，导向柱开启，达到设计尺寸位置，油缸锁定 与油缸连接，油缸安装高程３．５ ｎｌ。油缸垂直布置，活 导向柱，开启闸门。抵消风压力对闸门产生倾覆力量。 塞杆与闸门顶部的顶耳连接，通过活塞杆的顶升、降 导向柱布置见图２。 落，启闭工作闸门。 —— ＿—— ● ● ＿＿ ］ －＿ 导 ＿＿ ＿＿ 靶 ●＿ ｊ＝ ： ＿ Ｈ、 ０ ０ ｍ 一 ｎ １ 、 ／ ＿＿ ＿－ ＿＿ －● ０ 一．。。 ０－４．６０ ｒ 一ｒ１。 ． ｌ ｔ一 ＂ｑ ● ０ ｉ０ ’ ・ ｌ －Ｌ斗 Ｉ¨ＬＩ■ 惴部支撑牛腿 ，／： 口‘ Ｉ ８１ ｌ ２００ｆ） Ｏ ｌｌ＇ｑ槽 ８ＯＩ） ｌ 一‘ Ｉ ｌ ■ ●－ ， ■ ３．５０ ＿ ｄ ｄ ｝ ｉ 霸 ■ － ４ ｓＩ＝／ Ｉ ２．２６ 一 ，４ ４ 番 一 Ｉ ４ Ｉ ／ ４ｄ ８１６ 。。 ＡＩ＂ ｌｌ７６ ｄ ３ ３５Ｏ ■ 叶 ３ ２ｌ５ 图２液压启闭导向柱布置图（单位：ｍｍ） 水电与新能源 ２０１２年第３期 ３金属结构的设计 ３．１工作闸门的设计 ３．２导向柱及液压启闭机的设计 ３．２．１导向柱的设计 根据临海风速高的特点，在闸墩平面上５．０ ｍ位 工作闸门设计取报告成果最大波面高程：工作闸 门５．０７ ｍ。即：工作闸门按波面最高高程５．０７ ｍ（湾 置设置导向柱。导向柱的作用类似于活动门槽结构。 因为景观要求，不允许设置固定立柱，因此设计成由液 压油缸控制的可以隐藏的结构型式。不需要导向柱工 作时，油缸缩回，导向柱回转横倒至闸墩平面５．０ ｍ高 程以下。 外按１００ ａ一遇４．６７ ｍ＋波浪超高０．４ ｍ）计算水压 力，计算闸门强度、刚度及稳定性。 湾外检修闸门设计取报告成果工况二最大波面高 程５．１９ ｍ，即：湾外检修闸门按波面最高高程５．１９ ｍ （湾外按设计高水位４．５４ ｍ＋波浪超高０．６５ ｍ）水位 组合计算水压力，计算闸门强度、刚度及稳定性。当水 工作闸门全开或检修时，开启闸门导向、防风柱。 闸门底缘低于０．９ ｍ时，不须开启导向柱。 导向柱由导向柱结构与控制油缸组成，油缸由设 置在东西管理房内的液压泵站控制，与闸门呈对应状 位超过４．５４ ｍ时，不进行闸门检修。 孔口尺寸１２ ｍ×５．３４ ｍ，底槛高程一３．７４ ｍ，按 湾外极端最高水位４．６７ ｍ（湾外按１００ ａ一遇 ４．６７ ｍ＋波浪超高０．４ ｍ）、相对湾内常水位一０．５ ｍ 水位组合，设计水头差５．１７ ｍ，总水压力３ ８３０．９ ｋＮ。 行走支承型式的选择。综合比较，选用滑道支承。 根据工作环境为海水的特性，选用工程塑料合金材料 作为行走支承。 态：即液压启闭机与导向柱控制油缸由同一液压泵站 控制。 导向柱与支承油缸荷载，按１１级２８．５ ｍ／ｓ风速 计算风压力。 当闸门开度＜４．６４ ｍ（即闸门底缘高程＜０．５ ｍ） 时，导向柱控制油缸不需启动，闸门可以直接开启。预 计闸门开度＞４．６４ ｍ（即闸门底缘高程＞０．５ ＩＴＩ）时， 首先启动导向柱控制油缸，当导向柱达到设计位置时， 油缸锁定导向柱，开启闸门。 每孔闸门设置４套导向柱，平面位置对应闸门行 走滑块。控制油缸设计为双行程油缸，全行程 ２ １６１ ｍｍ。 闸门采用组合梁结构，双向止水设计，闸门主材 Ｑ２３５Ｂ，埋件主材Ｑ２３５、双相复合钢板。埋件表面采 用复合钢板，复合层厚度４ ｍｍ，基板厚度１６ ｍｍ，材质 分别为ｌＣｒｌ８Ｎｉ９Ｔｉ、Ｑ２３５。 按检修工况（闸门底缘高程５．２ ｍ）风压力计算导 向柱油缸容量。 风压力按式（１）计算： ∞ｋ＝届。× 。× ×∞０ （１） 总水压力计算： 顶止水到底槛的距离：Ｈｄｚ＝５．５８０ ｍ 总水压力：Ｐ＝０．５［（２Ｈｓ—Ｈｄｚ）・Ｈｄｚ—Ｈｘ・ Ｈｘ］・Ｌ０＝３ ４３５．１×１．２＝４ １２２．１ ｋＮ 启闭力计算： 启闭时，上游最高水头：Ｈｓ＝５．１４０ ｍ 下游相应水头：Ｈｘ＝０．０００ ｍ 式中： 为风荷载标准值；卢 为高度ｚ处风振系数； 。 为风荷载体型系数； 为风压高度变化系数； 。为基 本风压。 计算结果：Ｐ＝ ｋ×Ａ＝１４３．７ ｋＮ 按１４３．７ ｋＮ荷载设计导向柱强度、刚度及稳定 性。计算油缸容量１５０ ｋＮ。 ３．２．２液压启闭机的设计 闸门运行方式为动水启闭。 闸门运行时总水压力：Ｐ＝０．５（Ｈｓ・Ｈｓ—Ｈｘ・ Ｈｘ、・Ｌｓ＝１ ６０１．０×１．２＝１ ９２１．２ ｋＮ 由于安装空间，工作闸门顶升油缸、导向柱控 制油缸分别采用双级柱塞油缸、活塞油缸结构型式。 计算结果： 闭ｆ＿］力：Ｆｗ＝１．２×（Ｔｚｓ＋Ｚ『ｚｄ）一０．９× Ｇ＝一６４．０ ｋＮ （１）工作闸门液压启闭机。工作闸门共安装２２ 台２×６５０ ｋＮ液压启闭机，为双吊点（吊距ｌ３．５６ ｍ） 控制，主油缸采用双级柱塞油缸结构，第一级用于工作 闸门正常启闭，在额定启闭工况下，将闸门到孔口（胸 启ｆ＿］力：Ｆｑ＝１．２×（Ｔｚｓ＋Ｔｚｄ）＋１．１×Ｇ＝ ８０８．０ ｋＮ 计算结论：闸门可以依靠自重关闭。 １２ 墙）以上；第二级用于工作闸门检修工况，在检修时， 吴传惠，等：厦门集杏海堤开口改造工程金属结构设计 ２０１２年５月 表２闸门副油缸柱塞杆稳定性校核情况表 在主柱塞杆内伸出副柱塞杆，闸门至闸顶检修。第一 级行程６．５ ｎｌ，第二级行程３．３ ｉｎ，共计行程９．８ ｉｎ。 工作闸门主油缸柱塞杆稳定性校核见表１，工作 闸门副油缸柱塞杆稳定性校核见表２。 表１ 闸门至油缸柱塞杆稳定性校核情况表 项目 内 容 校核结果 末端条件系数（此处为一端固定一端 ．半自由）ｎ 活塞杆材料的弹性模数Ｅｌ（Ｎ・ｎｌ ） 计算输入油缸全伸时导向套中心到上顶面的距 离Ｌ／ｍｍ Ｏ ） 姒 ∞ 姗 杆径ｄ／ｍｍ 注：计算公式ＮＫ＝，ｌ叮ｒ ＥＪ／ＰＫＬ ；．，＝￣ｄ４／６４。 １．５倍额定载荷Ｐ ／ｋＮ 活塞杆截面的转动惯性矩ｙｍｍ ２．２４×１０。 ４结语 计算结果稳定性安全系数ⅣＫ １２．８ 通过方案比较，选择平面钢闸门通过柱塞式液压 注：计算公式ＮＫ＝ｎ ＥＪ／ＰＫＬ ；．，＝叮ｒ ／６４。 启闭机操作的方案，柱塞式液压启闭机采用双级伸缩； （２）导向柱液压启闭机。导向柱液压启闭机共安 根据临海风速高的特点，为保证闸门达到最大启闭高 装２２台４ ｘ １５０ ｋＮ液压启闭机。当闸门开度到 度时的稳定，在门槽顶部设置活动导向柱，平时导向柱 ４．８４ ＩＴＩ时，导向柱控制油缸不需启动，闸门可直接开 卧倒与桥面平齐，从而将所有金属结构设备“隐藏”在 启。预计闸门开度大于４．８４ ｍ时，首先启动导向柱控 闸顶高程以下，使闸顶桥面无影响观瞻的突出设备。 制油缸，当导向柱达到设计位置时，油缸锁定导向柱， 本工程在设计思路、设备选型及布置上结合了景观要 开启闸门。由于水工结构的不对称性，湾外副油缸行 求，对于类似的河道防洪景观工程具有一定的参考 程２．３ １１１，湾内副油缸行程２．２ ｍ。 价值。 带 铆； 绵 尔 乔 不 乖 希 乖 纫 尔 缔 乖 乖 乖 乖 （上接第９页） 行管理的要求，对门型的选择进行了全面的比选和研 闸门采用平面滑动钢闸门，２个滑动支承布置在 究，借鉴荷兰鹿特丹马斯兰特阻浪闸的优点，采用了一 闸门两端的底部，孔口底槛相应设导向支承轨道；面 板、底止水均布置在河道侧，侧止水布置在门库侧，沿 种介于三角闸门和横拉门之间的一种新门型——超大 水压方向采用滑块支承。闸门的稳定依靠闸门两侧的 型平面弧形双开闸门。迄今为止，该门型在国内国际 导向支承滑轮。滑轮、滑块的材质均为具有自润滑性 水利水电工程中仅有类似的一例（已运用在常州钟楼 能的工程塑料合金材料，运行条件为静水启闭。 防洪控制工程上）。在确定工程基本门型的基础上， 初步确定选用ＱＰＰＹ—Ｄ一１５０ ｋＮ液压启闭机操 对闸门的结构型式、启闭装置等进行了设计研究和优 作闸门，每扇闸门各设１台，共２台。液压启闭机平卧 布置在闸门的顶部，安装高程为３１．４４ ｍ。因液压油 化布置，采用了浮箱式门体结构、管系空间桁架式支臂 缸在高水位的时候浸没在水下，故启闭机活塞杆表面 结构、自润滑球铰、闸门对底槛压力值的测定传感装置 采用镀陶瓷工艺防腐。启闭机通过推、拉控制检修闸 等一系列技术和方法，使闸门具有更好的可靠性和实 门，完成检修闸门启闭，启闭机工作行程为５．５ ｉｎ。 用性。本工程超大型平面弧形双开闸门在设计思路、 工作闸门 检修闸门采用喷ＲｍＡ１／锌防腐。 结构动力稳定性、抗振、冲淤措施等关键技术方面均有 ４结语 所创新和突破，对于大跨度低水头的河道防洪景观工 在广泛收集国内现有资料的基础上，根据工程运 程具有一定的参考价值。 １３
