浅析苏州市古城区“自流活水”溢流堰设计

王振红，管义兵，孙登峰

(江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司，江苏 苏州 215128)

1 概述

苏州作为江南特色水乡，素有“东方威尼斯”的美誉。随着经济社会的发展及城市化进程加快，苏州古城区水环境遭受了巨大的破坏，虽经多种措施综合整治，但成效并不显著。总结以往经验发现，传统的河道整治多以河道清淤为主，未从根本上解决黑臭河道污染源多、水体流动性差、水体自净能力丧失等问题。针对苏州城区河道上述特点，苏州市通过建设“自流活水”工程，加大古城区内河道南北水头差，营造自流水势，促使城区河网水体有序流动，做到“流水不腐”[1]。苏州古城区被矩形护城河环绕，工程总体布局为通过城市防洪大包围南北泵站进行引排，同时在东西环城河分别设闸，加大古城区河道南北水头差，调控内城河与外城河分流流量比，从而为古城各片区的水系提供适宜需水量。

2 闸门型式选择

工程地处苏州古城区，分别位于东西环城河上，结合苏州城市规划，以及城市景观需求，本工程节制闸结构型式选择主要考虑：满足通航及壅水要求、满足城市景观要求、满足安全经济合理性要求[2]。

节制闸结构型式由所选用门型决定，常规闸门型式有直升式平面钢闸门、升卧式平面钢闸门、弧形门等，上述门型均能满足使用功能要求，但均需在水面上设置排架及启闭机房，这样与苏州市古城区护城河河道景观协调性差。为满足河道上方通透的景观要求，亦可选用横拉式门型，但横拉门启闭运行需要较大的门库，本工程场地受限，因此不宜选用横拉式门型[3]。

随着新技术新材料不断发展与突破，新型闸门不断涌现，诸如橡胶坝、气盾门、底轴驱动翻板门等。上述闸门均可以满足卧倒状态放水、直立状态挡水，河道上方通透，不破坏现有景观等要求，且闸门卧倒后均隐藏于水底，不会影响游船航行安全，低水位时通过小开度溢流形成人工瀑布，亦可营造出特别的景观效果。苏州市古城区护城河中游船较多，橡胶坝及气盾门均需要对坝袋或气囊充排一定数量的介质才能实现闸门的直立挡水及门顶溢流，启闭时间较长，达不到迅速放行游船的要求，而底轴驱动翻板门正好可以弥补这一缺点，启闭灵活且结构布置紧凑，搭配适当的装饰景观效果，使之与周围环境融为一体[4- 5]。据此，苏州古城区“自流活水”节制闸选用底轴驱动翻板门溢流堰型式。

3 溢流堰闸门结构设计

溢流堰底轴驱动翻板闸主要由带固定底轴的钢闸门、驱动装置等组成，钢闸门部分包括门叶、底轴、固定底轴的支铰座、穿墙止水座、拐臂及组成一个完整系统的所有零部件，驱动装置采用液压启闭机。通过两侧液压启闭机驱动进行无级启闭控制，旋转底轴带动着门叶可由0°到90°角度旋转，从而实现闸门在全关与全开之间可实现任意角度的位置进行壅水，全关时，可实现断流控制。翻板门门体及旋转主轴的总长度均大于9m，为便于运输及安装，门体及旋转主轴均进行分段设计，门体最大分节长度7400mm，旋转主轴最大分节长度6630mm，分段底轴间采用现场对焊连接，门叶与底轴现场采用螺栓联接。为了防止长期运行后门叶底部有泥沙淤积，影响闸门正常运行，在紧贴闸门下游侧布置了冲於系统，通过在门轴和支枕块间布置冲於水管，水管上装设高压喷嘴，采用离心泵对抽取的河道水进行加压，从而实现对闸门底部的有效清淤。溢流堰闸室剖面结构如图1所示。

图1 溢流堰闸室剖面结构图

根据“自流活水”工程整体控制要求，活动溢流堰的金属结构计算水位组合如下：

设计水位(吴淞高程，下同)：上游3.10m，下游2.90m；校核水位：上游3.30m，下游2.80m。

娄门堰闸门孔口设计净宽24m，闸门顶高程3.50m，底轴旋转中心高程0.50m。与常规平面钢闸门不同的是，常规平面钢闸门采用主横梁设计，底轴驱动翻板门依据其特点采用主纵梁设计，即门叶部分主要受力构件为纵梁，按悬臂梁考虑设计[6]。经计算分析，闸门纵梁采用型钢结构型式，梁系的最大截面高度 400mm，算得梁系最大拉应力约为 58N/mm2，最大压应力约为58N/mm2，满足规范[7]要求。底轴直径采用588mm，厚度取40mm，底轴最大扭切应力为69.6N/mm2，满足规范[7]要求。闸门门体自重约150kN，拐臂长1.64m，校核水位挡水时拐臂与启闭机夹角为135°，经计算启闭机所承受的最大持住力为620 kN，设计采用2×400kN/100 kN分体集成式液压启闭机。

闸门主要材质包括门叶、底轴、拐臂等受力构件均选用Q235B，本工程工作闸门工作环境为淡水区域且水质无强酸或强碱性，对钢结构有弱腐蚀性，根据SL 105—2007《水工金属结构防腐蚀设计规范》[8]，采用了喷锌+封闭漆+面漆的方式进行防腐处理。另增加了镁基合金牺牲阳极阴极保护系统，以增加闸门的耐腐蚀能力。闸门轴承的型式与性能直接影响闸门的安装、运行、检修与维护，为便于闸门的安装，保证其良好的运行工况，减少闸门检修与维护工作量，设计采用自润滑球面关节轴承，同时在轴承座设置密封圈，防止河底泥沙进入。为防止闸门在开启过程门叶顶部出现门后负压，门顶均布置设计了门顶破水器结构，实现了闸门顶部水流溢流经过破水器时会涌现出水花景象，为适应周围景观，对破水器结构进行了匹配苏州当地人文景观环境的造型设计。

4 设计创新及改进

4.1 集成式液压启闭机的创新改进

阊门堰、娄门堰工程地处苏州古城区环城河内，土建布置结构局促，传统液压工作站布置方案已不能满足紧凑布置的要求，且由于液压管路过长，会产生过沿程压力损失，造成两液压缸内工作压力压差的存在，因此设计之初考虑采用集成式液压启闭机布置方案。集成式液压启闭机具有以下优点：结构布置紧凑、液压动力站小型化、价格低廉等[9]。但集成式液压启闭机由于结构紧凑而带来保护功能相对减弱，同步精度也相对降低；设备维修保养工作也相对较繁琐的缺点。最终对集成式液压启闭机采用了分体布置，即小液压站与液压缸采用液压软管连接分开布置，每个小液压站单独驱动对应的液压油缸，既做到了液压站小型化空间布置紧凑，同时这种分体集成式液压启闭机也便于今后设备维修、保养。同时在液压油缸上设置了高精度行程检测装置，检修精度为1mm，当闸门行程检测系统输出偏差信号时，配套的PLC控制系统分别对两侧液压控制阀组进行调节，使两侧液压缸达到同步。

4.2 无线遥控启闭技术

本工程液压启闭机控制柜中配备了无线遥控接收装置模块，同时配备的手持无线遥控器可与液压启闭机控制系统进行连动，通过操作手持无线遥控器即可实现闸门的开启与关闭，因古城区环城河游船较多，配置的手持遥控器在河岸地就可实现一边观察上下游的游船通行情况，一边实现对闸门的启闭操控，真正地做到了运行管理方便可靠。

4.3 底轴穿墙止水研究

在娄门堰及阊门堰底轴驱动翻板门旋转底轴穿过两侧空箱启闭机室过程中，设置了底轴穿墙止水装置，该止水装置的严密性直接影响到启闭机空箱是否积水及设备运行是否安全，穿墙止水装置由穿墙止水底座、O型止水橡皮、遇水膨胀胶条、止水压盖等零部件组成[10]。为达到更佳的止水效果，止水橡皮形式采用两道O型止水橡皮密封圈+两道遇水膨胀胶条密封圈+一道异型槽型止水密封圈的组合止水设计，止水座两端止水压盖采用埋头螺钉连接方式与止水座相连，通过O型止水橡皮的压缩变形实现了止水橡皮密封圈与底轴间的预压，预压缩量在2mm左右。通水后，启闭机控制室在穿墙止水座处有微微渗水现象，但在通水24小时之后，渗水现象消失，经分析，应是止水膨胀胶条在一定时间的泡水之后，其体积的膨胀使其包括被挤压的O型止水橡皮密封圈愈压愈紧，达到了良好的止水效果。

5 结语

本文针对苏州市古城区河道娄门堰、阊门堰采用底轴驱动翻板门布置、底轴驱动翻板门的设计计算方法及设计计算成果作简要论述，对一些细节特点及创新改进设计经验作简要探讨。同时通过分体集成式液压启闭机的研究改进及无线遥控启闭技术的创新引用，为以后液压启闭机液压系统布置设计及闸门启闭操控技术提供了一个新的思路。