水闸导航门设计创新

　　黄旭东

　　摘要：现实生活中水闸门在使用和日常维护过程中面临很多复杂性问题。为增强系统，结构和操作的可靠性，减少水闸门定导航周期的时间，减少水运动，引起船舶排水和系泊力，避免水资源问题(尽量减少用水量)，降低生命周期成本，最大限度地减少能源消耗，最大限度地减少对导航和周边社区的影响，本文对水闸水闸门进行了创新性设计。

　　关键词：水闸水闸门;操作结构;导航周期

　　1设计与优化

　　设计水闸门的第一步是根据目标列表(客观方法)或可实现功能(功能方法)列表，编写具有明确规格和要求的参考文件(职权范围)。对于高水闸门(升高高度为20至30米)，目前的设计现在非常接近填充时间，流速，允许电流/波浪，空化以及混凝土侧壁结构能力的可行物理限制作为下游门。这就是为什么确定相关性能值(极值和容许公差)很重要的原因。各种目标可能相互冲突，太过分雄心勃勃的选择可能导致成本过高。

　　第二步是根据以前的经验或新的创新研究来评估替代技术设计概念。这些概念主要关注：结构的类型(墙壁和地板)，简单或多重水闸门定之间的选择，节水池的使用和配置，灌装系统的类型(通过门，短或长的涵洞，通过地板)，门的类型，取决于水闸门的尺寸，船的类型和数量，水位等。

　　第三步是优化设计。可以考虑两种方法：(1)系列本地优化：分别优化水闸门的各个部件和组件，以在这些不同组件集成后获得改进的设计/解决方案;(2)全球比较：比较几个全球解决方案(例如具有分离式储水池的U型水闸门定室，地板中的灌装系统)。

　　2设计要求

　　2.1设计原则

　　本节介绍主要设计原则，特别关注过去25年发生的变化，一个重要的项目，如一个水闸门，必须通过各种研究来证明。技术研究(设计方面)甚至成本不过是可行性研究的要点。还需要一系列其他研究，包括对河流，空气，噪音，地下水等环境的影响和植被，鱼类，鸟类等动植物。

　　风险分析：在基于风险的分析中，风险被认为是可能导致损害的事件发生概率的故障成本的乘积。必须考虑和评估每个重要的意外事件。任何缓解措施的水平将基于这样的研究。例如：需要一个紧急门，需要冗余电源，闸口加固以避免洪水，与当地社区和公民进行磋商。

　　经济分析：成本当然仍然很重要，投资必须合理。应考虑利益与成本比率 的项目进一步研究。

　　2.2设计方法

　　用于灌装和排空水闸门的液压系统可分为两种主要类型。一个是通过头部填充和排空;另一个是通过“纵向涵洞”。

　　“纵向涵洞”系统有几种典型的布局：涵洞侧端口系统;涵洞底部横向系统;室内纵向涵洞系统(ILCS);在水闸门地板下的纵向涵洞;动态平衡水闸门定灌装系统(图1);压力室(图2)。

　　选择液压系统有几种方法，这里将讨论两个。传统的是基于升降高度(H)，水闸门可以根据升降高度进行分类如下：

　　(1)“低升程水闸门”,低升高高度<10m,可以使用通过系统或简单的纵向涵洞系统;

　　(2)“中间升降机水闸门”,中间升降机10m

　　(3)“高升降水闸门”,高升高高度H>15m,需要更复杂的纵向涵洞系统。

　　第二种选择方法是根据中国提出的关于船舶水闸门定系统(JTJ306)的填补和排空的m系数,如公式(1)：

　　其中，H(米)是水闸门的升高高度，T(min)填充舱的时间。

　　图1 “两节动态平衡”水闸门定灌装系统(in盘水闸门-尺寸120 * 12 * 3.0米，电梯36.46米，填充时间10分钟，m = 1.66)

　　图2 压力室与WSBs盆(上)和主室(下)连接

　　系数m的值可用于选择液压系统的相关类型如表1：

　　表1 系统选择标准

　　这些值已经被定义为一套最大的系泊力。实际上，仅当系数m<3.5时才需要复杂的能量耗散室。水闸门定升降高度是选择灌装和排空系统的主要因素(第一选择方法)。但是使用m系数可以同时考虑水闸门定提升高度和水闸门定时间。

　　2.3水闸门结构

　　节水盆地。有两种主要的节水盆地(WSBs)：图4是具有分离的WSB(位于水闸门的一侧或两侧，一系列步骤);集成系统(图3)，将WSB集成在两个侧壁中，使水闸门定结构更加坚固，紧凑，占地面积少。

图3 具有集成WSB的水闸门侧壁的横截面

　　图4 带有5个标准横向定位的WSB的水闸门的横截面(通过水闸门定地板中的压力室填充)

　　由于缺乏空间或某些技术原因(特定于站点)，具有集成WSB的构造可能是有利的。根据这一原则建造了德国的两个水闸门(Minden和Anderten，1930年)，仍然在使用中没有重大问题。最近这种类型的第三个水闸门完成了(Uelzen II，2006)。水合时混凝土加热问题避免了在具有较大横截面的区域中混凝土混合设计的不同。这样一个水闸门的概念是相当复杂的，因为它包括很多涵洞，画廊，溢出设备等。

　　3设计局限

　　水闸门是复杂的结构，需要处理与水闸门的设计和构造相关的技术难题的能力，特别是水闸门的液压填充和排空系统。

　　最近水闸门定系统液压设计的发展可以更好地了解所发生的液压现象，从而提高设计人员优化液压系统的能力。

　　在液压系统设计阶段必须考虑的主要制约因素如下：

　　(1)水闸门室的灌装/排空时间必须足够短以适应预期的流量。一般来说，对于内陆导航水闸门，应该是10分钟左右(电梯高达10米)。

　　(2)作用于舵手和航泊系统的力量与船舶排水量，灌装时间和选定的液压系统有关。这些力的计算是设计的基础，但是相当困难。

　　(3)水入口(上游)的设计必须排除碎屑和沉积物进入液压系统。此外，入口系统的设计必须避免液压系统中的空气滞留.

　　(4)入口和出口(到达上游和下游)必须设计为减少可能的波浪和潮流，这会扰乱船只的操纵并给乘客造成不适。

　　(5)过廊和涵洞内流动的速度必须受到限制，以避免重大的头部损失和气蚀，特别是在弯曲半径小的地方。一般来说，应避免平均流速高于7-10m/s。

　　显然，上述不同的元素是相互独立的并且彼此相互作用。例如，如果我们加快阀的开启，水闸门定时间将会更短，但是我们会遇到其他参数(更高的系泊力，水闸门室中较高的波浪和水闸门的下游侧，更多的泥石流在液压系统的入口处，气蚀的风险更高。

　　4 结论

　　水闸门对于整个水闸系统来讲至关重要，无论是公营还是私营公司，新水闸门的建设都是一个重大挑战。投资，占用土地，改变社会，物质或经济“现状”是规划或开始工作之前要考虑的问题。除了技术和结构方面，还有必须考虑的基础设施管理和规划方面。

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