新型直升式城市防洪闸门及应用

张　晴，刘旭辉，谢立华

(浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州　310002)



新型直升式城市防洪闸门及应用

张晴，刘旭辉，谢立华

(浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州310002)

摘要：新型直升式城市防洪闸门主要包括闸门门叶、密封槽、混凝土基础和启闭装置.当闸门门叶到达全闭位置时，闸门门叶和密封槽之间的斜面机构提供一个水平预紧力，从而使闸门门叶和密封槽紧密结合以阻挡洪水.启闭装置提供动力，使闸门门叶在精密配合的密封槽内快速而平稳地升降.

关键词：城市防洪；直升闸门；快速升降；斜面机构；精密导向

1背景

城市大多滨临河流、湖泊或海洋，因此都受到不同类型洪水的威胁.由于城市是经济、社会发展的中心，人口密集，财富集中，一旦遭受洪灾,将造成巨大的经济损失和政治影响，因此，城市防洪闸门一般要求快速可靠，并兼顾景观要求，而且通常需要封闭几百甚至上千米的堤线.

目前，在水利工程中用于城市防洪的闸门主要包括以下形式：

(1)移动式防洪闸门.这种闸门一般由活动式垂直钢柱和铝合金部件组成，洪水来临之前通过人工将垂直钢柱通过螺栓安装在临水堤岸上，铝合金部件一片一片按编号镶嵌在垂直钢柱间，形成一道挡洪屏障(见图1).这种闸门在欧洲应用较广泛，如捷克首都布拉格的城市防洪闸门，就是采用长约2.5～3 m，高20 cm的铝合金部件叠加而成[1]，移动式防洪闸门的高度可根据实际需要自由改变.需要增高时，就在原来基础上多加几块铝合金板，想要降低高度时则拆下几块铝合金板，操作简单.一般长×高为100 m×3 m的防洪移动墙，由10名工作人员在两小时内可安装完毕.活动式垂直钢柱和铝合金部件平日都存放在专门的仓库里，通过车辆进行运输.移动式防洪闸门的装拆需要大量的人力作保障，费时费力，无法在短时间内安装完成，而且还面临漏水、存放、运输和管理的难题.

图1　布拉格移动式防洪闸门实体图

(2)传统平面钢闸门.这种平面钢闸门一般通过固定卷扬式启闭机、螺杆式启闭机或液压式启闭机进行启闭操作，固定卷扬式启闭机需要设置较高的启闭机房，有碍景观；螺杆式启闭机启门速度慢，高高竖起的螺杆同样有碍景观；液压式启闭机管理维护比较麻烦，而且需要较大面积的油压设备泵房.而且传统平面钢闸门的止水使用橡胶材料，老化后容易漏水，需要经常更换.

(3)气动盾形钢闸门.这种闸门是近年来出现的新技术，结合了橡胶坝和钢闸门的特点，通过向橡胶坝坝袋充气，使钢闸门竖立从而实现挡洪的目的，使用方便.但存在造价高、橡胶坝坝袋易破损和老化的缺点，其可靠性及应用价值有待提高，其示意图(见图2).[2-5]

图2　气动盾形钢闸门示意图

2新型直升式城市防洪闸门的工作原理

如图3(a)所示，物体A固定且具有一个斜面I与平面II，物体B可竖直上下移动，且同样具有一个斜面I与平面II.现给物体B施加一向上的作用力F，使得物体B竖直向上运动，直至物体B的斜面I与平面II与物体A对应的两个面完全接触(见图3(b))，此时，物体A会给物体B施加一个反作用力F′，F′与F大小相等、方向相反[6].根据力的“平行四边形定则”，将力F′进行分解，即垂直于斜面I的力N与水平方向的力T，力N就是斜面I上产生的作用力，力T为平面II上产生的作用力，力T反映出物体B有压紧物体A的趋势.原本竖直向上运动的物体B，因为斜面I的存在，使得物体B具有水平压紧物体A的趋势，这就是本文所述新型直升式防洪闸门的工作原理.其中，可以将密封槽看作物体A，其固定在混凝土基础上，闸门门叶看作物体B(B为闸门门叶的局部)，在启闭装置的作用下可竖直向上运动.

图3　新型直升式城市防洪闸门的工作原理图

3新型直升式城市防洪闸门的结构特点

本文所述新型直升式城市防洪闸门主要包括闸门门叶、密封槽、混凝土基础和启闭装置.闸门全开全闭状态的剖视图(见图4).密封槽固定在混凝土基础内，启闭装置与闸门门叶联接，启闭装置提供动力，使闸门门叶在精密配合的密封槽内快速而平稳地升降，当闸门门叶到达全闭位置时，闸门门叶和密封槽之间的斜面机构提供一个水平预紧力，从而使闸门门叶和密封槽紧密结合以阻挡洪水[7].

闸门门叶为主纵梁结构，以适应宽高比较大的孔口，有利于节省钢材.闸门位于城区侧的四周设置具有斜面的支承装置，支承装置为铸件，设有燕尾槽，燕尾槽内镶嵌止水元件.止水元件材料为聚四氟乙烯，聚四氟乙烯被称为“塑料王”[8]，具有优异的抗老化性、耐腐蚀性和耐磨性，而且摩擦系数低、软硬适中，结合了橡胶止水和金属硬止水的优点，在工程运行中可以免维护.

密封槽具有与支承装置相对应的斜面，闸门门叶在密封槽中沿竖直方向运行，密封槽固定在混凝土基础内.

启闭装置固定在混凝土基础上，启闭装置设有丝杆，闸门门叶通过传动副固定件与丝杆连接，丝杆转动带动闸门门叶沿竖直方向快速升降.传动副固定件通过关节轴承与支撑座联接，关节轴承的作用是消除闸门门叶的安装误差，避免丝杆受到侧向力.为保证丝杆与传动副固定件之间联接的精密性和可靠性，特设置可伸缩的保护套，以防止沙石撞击和污水侵蚀.

闸门平时不工作时位于孔口下方的混凝土基础底部，而保护套位于孔口两侧，从城区侧均无法看见，故不影响景观.

该闸门具有以下特点：(1)平时闸门下沉于孔口下方，不影响城区侧视觉景观；(2)单扇闸门可在4 min内关闭.多孔联动时，可以在较短时间内将所有闸门全部关闭以形成防洪闭合圈；(3)闸门斜面机构精密配合，漏水量仅为规范规定漏水量(0.1 L/m·min)的1/10；(4)该闸门采用塑料硬止水元件，不易老化，免维护.

图4　闸门剖视图

4结论

本文所述新型直升式城市防洪闸门已应用到兰溪市城东片防洪堤应急工程中，57扇该类型闸门构成约650 m长的防洪堤线，将兰溪市老城区原来不足5年一遇的防洪标准提高到了20年一遇，围保面积约为2.71 km2，已累计经受了两年汛期的洪水考验，力保兰溪老城区10万人的生命财产安全，得到了有关各方的高度肯定.该新型直升式城市防洪闸门对于饱受洪灾困扰的城市防洪提供了良好的解决思路，具有广阔的应用前景和推广价值.

参考文献：

[1]今日早报.城市防洪布拉格用上可移动墙[EB/OL].[2010-05-18].http://jrzb.zjol.com.cn/html/2010-05/18/content_375889.htm?div=-1.

[2]罗伟争.气动盾形橡胶坝在城市河道中的应用[J].中国农村水利水电，2015(2)：173-174.

[3]胡强，徐升，虞慧.气动盾形坝在江西会昌水利工程中的设计与应用[J].江西水利科技，2015,41(4)：295-297.

[4]冀振亚，高国柱，孙云峰.气动盾形闸门系统力学模型的建立与分析[J].水利规划与设计，2013(11)：50-53.

[5]陈东清.气动盾形闸门系统在南明河水景观工程中的应用[J].水利建设与管理，2013(12)：59-61.

[6]牛顿.自然哲学的数学原理[M].赵振江，译.北京：商务印书馆，2006.

[7]刘旭辉，张晴，谢丽华，等.一种快速精密导向和密封防洪闸门：ZL 201410168255.9[P].2016-01-06.

[8]百度百科.聚四氟乙烯[EB/OL].[2008-04-21].http://baike.baidu.com/link?url=cTGrIjGpfsGj5_jTluF_H0Q9WCW0YHSnC7QoSoaPcQ1hEMD-GWnEWBaJ5VwLTd4nz7hcLJ-C2QbRAev2WHds9K.

Research and Application of New Type Vertical-lift Flood Gate in City

ZHANG Qing, LIU Xu-hui, XIE Li-hua

(Zhejiang Design Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power, Hangzhou 310002, China)

Abstract:New type vertical-lift flood gate in the city includes gate leaf, seal groove, concrete foundation and hoist. When the gate leaf is completely closed, the oblique mechanism between gate leaf and seal groove will offer horizontal pretightening force which can ensure good sealing effect. The hoist will provide power to make gate leaf lift quickly and smoothly in seal groove.

Key words:urban flood control; vertical-lift gate; quick lift; oblique mechanism; precision orientation

收稿日期：2015-09-20

作者简介：张晴(1982-)，男，工程师，湖北建始人，从事水利水电金属结构设计工作.

中图分类号：TV663

文献标志码：A

文章编号：1008-536X(2016)04-0035-03