水閘導(dǎo)航門(mén)設(shè)計(jì)創(chuàng)新
黃旭東
摘要：現(xiàn)實(shí)生活中水閘門(mén)在使用和日常維護(hù)過(guò)程中面臨很多復(fù)雜性問(wèn)題。為增強(qiáng)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)和操作的可靠性，減少水閘門(mén)定導(dǎo)航周期的時(shí)間，減少水運(yùn)動(dòng)，引起船舶排水和系泊力，避免水資源問(wèn)題(盡量減少用水量)，降低生命周期成本，最大限度地減少能源消耗，最大限度地減少對(duì)導(dǎo)航和周邊社區(qū)的影響，本文對(duì)水閘水閘門(mén)進(jìn)行了創(chuàng)新性設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：水閘水閘門(mén);操作結(jié)構(gòu);導(dǎo)航周期
1設(shè)計(jì)與優(yōu)化
設(shè)計(jì)水閘門(mén)的第一步是根據(jù)目標(biāo)列表(客觀方法)或可實(shí)現(xiàn)功能(功能方法)列表，編寫(xiě)具有明確規(guī)格和要求的參考文件(職權(quán)范圍)。對(duì)于高水閘門(mén)(升高高度為20至30米)，目前的設(shè)計(jì)現(xiàn)在非常接近填充時(shí)間，流速，允許電流/波浪，空化以及混凝土側(cè)壁結(jié)構(gòu)能力的可行物理限制作為下游門(mén)。這就是為什么確定相關(guān)性能值(極值和容許公差)很重要的原因。各種目標(biāo)可能相互沖突，太過(guò)分雄心勃勃的選擇可能導(dǎo)致成本過(guò)高。
第二步是根據(jù)以前的經(jīng)驗(yàn)或新的創(chuàng)新研究來(lái)評(píng)估替代技術(shù)設(shè)計(jì)概念。這些概念主要關(guān)注：結(jié)構(gòu)的類(lèi)型(墻壁和地板)，簡(jiǎn)單或多重水閘門(mén)定之間的選擇，節(jié)水池的使用和配置，灌裝系統(tǒng)的類(lèi)型(通過(guò)門(mén)，短或長(zhǎng)的涵洞，通過(guò)地板)，門(mén)的類(lèi)型，取決于水閘門(mén)的尺寸，船的類(lèi)型和數(shù)量，水位等。
第三步是優(yōu)化設(shè)計(jì)。可以考慮兩種方法：(1)系列本地優(yōu)化：分別優(yōu)化水閘門(mén)的各個(gè)部件和組件，以在這些不同組件集成后獲得改進(jìn)的設(shè)計(jì)/解決方案;(2)全球比較：比較幾個(gè)全球解決方案(例如具有分離式儲(chǔ)水池的U型水閘門(mén)定室，地板中的灌裝系統(tǒng))。
2設(shè)計(jì)要求
2.1設(shè)計(jì)原則
本節(jié)介紹主要設(shè)計(jì)原則，特別關(guān)注過(guò)去25年發(fā)生的變化，一個(gè)重要的項(xiàng)目，如一個(gè)水閘門(mén)，必須通過(guò)各種研究來(lái)證明。技術(shù)研究(設(shè)計(jì)方面)甚至成本不過(guò)是可行性研究的要點(diǎn)。還需要一系列其他研究，包括對(duì)河流，空氣，噪音，地下水等環(huán)境的影響和植被，魚(yú)類(lèi)，鳥(niǎo)類(lèi)等動(dòng)植物。
風(fēng)險(xiǎn)分析：在基于風(fēng)險(xiǎn)的分析中，風(fēng)險(xiǎn)被認(rèn)為是可能導(dǎo)致?lián)p害的事件發(fā)生概率的故障成本的乘積。必須考慮和評(píng)估每個(gè)重要的意外事件。任何緩解措施的水平將基于這樣的研究。例如：需要一個(gè)緊急門(mén)，需要冗余電源，閘口加固以避免洪水，與當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)和公民進(jìn)行磋商。
經(jīng)濟(jì)分析：成本當(dāng)然仍然很重要，投資必須合理。應(yīng)考慮利益與成本比率 的項(xiàng)目進(jìn)一步研究。
2.2設(shè)計(jì)方法
用于灌裝和排空水閘門(mén)的液壓系統(tǒng)可分為兩種主要類(lèi)型。一個(gè)是通過(guò)頭部填充和排空;另一個(gè)是通過(guò)“縱向涵洞”。
“縱向涵洞”系統(tǒng)有幾種典型的布局：涵洞側(cè)端口系統(tǒng);涵洞底部橫向系統(tǒng);室內(nèi)縱向涵洞系統(tǒng)(ILCS);在水閘門(mén)地板下的縱向涵洞;動(dòng)態(tài)平衡水閘門(mén)定灌裝系統(tǒng)(圖1);壓力室(圖2)。
選擇液壓系統(tǒng)有幾種方法，這里將討論兩個(gè)。傳統(tǒng)的是基于升降高度(H)，水閘門(mén)可以根據(jù)升降高度進(jìn)行分類(lèi)如下：
(1)“低升程水閘門(mén)”,低升高高度<10m,可以使用通過(guò)系統(tǒng)或簡(jiǎn)單的縱向涵洞系統(tǒng);
(2)“中間升降機(jī)水閘門(mén)”,中間升降機(jī)10m
(3)“高升降水閘門(mén)”,高升高高度H>15m,需要更復(fù)雜的縱向涵洞系統(tǒng)。
第二種選擇方法是根據(jù)中國(guó)提出的關(guān)于船舶水閘門(mén)定系統(tǒng)(JTJ306)的填補(bǔ)和排空的m系數(shù),如公式(1)：
其中，H(米)是水閘門(mén)的升高高度，T(min)填充艙的時(shí)間。
圖1 “兩節(jié)動(dòng)態(tài)平衡”水閘門(mén)定灌裝系統(tǒng)(in盤(pán)水閘門(mén)-尺寸120 * 12 * 3.0米，電梯36.46米，填充時(shí)間10分鐘，m = 1.66)
圖2 壓力室與WSBs盆(上)和主室(下)連接
系數(shù)m的值可用于選擇液壓系統(tǒng)的相關(guān)類(lèi)型如表1：
表1 系統(tǒng)選擇標(biāo)準(zhǔn)
這些值已經(jīng)被定義為一套最大的系泊力。實(shí)際上，僅當(dāng)系數(shù)m<3.5時(shí)才需要復(fù)雜的能量耗散室。水閘門(mén)定升降高度是選擇灌裝和排空系統(tǒng)的主要因素(第一選擇方法)。但是使用m系數(shù)可以同時(shí)考慮水閘門(mén)定提升高度和水閘門(mén)定時(shí)間。
2.3水閘門(mén)結(jié)構(gòu)
節(jié)水盆地。有兩種主要的節(jié)水盆地(WSBs)：圖4是具有分離的WSB(位于水閘門(mén)的一側(cè)或兩側(cè)，一系列步驟);集成系統(tǒng)(圖3)，將WSB集成在兩個(gè)側(cè)壁中，使水閘門(mén)定結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)固，緊湊，占地面積少。
圖3 具有集成WSB的水閘門(mén)側(cè)壁的橫截面
圖4 帶有5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)橫向定位的WSB的水閘門(mén)的橫截面(通過(guò)水閘門(mén)定地板中的壓力室填充)
由于缺乏空間或某些技術(shù)原因(特定于站點(diǎn))，具有集成WSB的構(gòu)造可能是有利的。根據(jù)這一原則建造了德國(guó)的兩個(gè)水閘門(mén)(Minden和Anderten，1930年)，仍然在使用中沒(méi)有重大問(wèn)題。最近這種類(lèi)型的第三個(gè)水閘門(mén)完成了(Uelzen II，2006)。水合時(shí)混凝土加熱問(wèn)題避免了在具有較大橫截面的區(qū)域中混凝土混合設(shè)計(jì)的不同。這樣一個(gè)水閘門(mén)的概念是相當(dāng)復(fù)雜的，因?yàn)樗ê芏嗪�，�?huà)廊，溢出設(shè)備等。
3設(shè)計(jì)局限
水閘門(mén)是復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，需要處理與水閘門(mén)的設(shè)計(jì)和構(gòu)造相關(guān)的技術(shù)難題的能力，特別是水閘門(mén)的液壓填充和排空系統(tǒng)。
最近水閘門(mén)定系統(tǒng)液壓設(shè)計(jì)的發(fā)展可以更好地了解所發(fā)生的液壓現(xiàn)象，從而提高設(shè)計(jì)人員優(yōu)化液壓系統(tǒng)的能力。
在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段必須考慮的主要制約因素如下：
(1)水閘門(mén)室的灌裝/排空時(shí)間必須足夠短以適應(yīng)預(yù)期的流量。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于內(nèi)陸導(dǎo)航水閘門(mén)，應(yīng)該是10分鐘左右(電梯高達(dá)10米)。
(2)作用于舵手和航泊系統(tǒng)的力量與船舶排水量，灌裝時(shí)間和選定的液壓系統(tǒng)有關(guān)。這些力的計(jì)算是設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，但是相當(dāng)困難。
(3)水入口(上游)的設(shè)計(jì)必須排除碎屑和沉積物進(jìn)入液壓系統(tǒng)。此外，入口系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須避免液壓系統(tǒng)中的空氣滯留.
(4)入口和出口(到達(dá)上游和下游)必須設(shè)計(jì)為減少可能的波浪和潮流，這會(huì)擾亂船只的操縱并給乘客造成不適。
(5)過(guò)廊和涵洞內(nèi)流動(dòng)的速度必須受到限制，以避免重大的頭部損失和氣蝕，特別是在彎曲半徑小的地方。一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)避免平均流速高于7-10m/s。
顯然，上述不同的元素是相互獨(dú)立的并且彼此相互作用。例如，如果我們加快閥的開(kāi)啟，水閘門(mén)定時(shí)間將會(huì)更短，但是我們會(huì)遇到其他參數(shù)(更高的系泊力，水閘門(mén)室中較高的波浪和水閘門(mén)的下游側(cè)，更多的泥石流在液壓系統(tǒng)的入口處，氣蝕的風(fēng)險(xiǎn)更高。
4 結(jié)論
水閘門(mén)對(duì)于整個(gè)水閘系統(tǒng)來(lái)講至關(guān)重要，無(wú)論是公營(yíng)還是私營(yíng)公司，新水閘門(mén)的建設(shè)都是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。投資，占用土地，改變社會(huì)，物質(zhì)或經(jīng)濟(jì)“現(xiàn)狀”是規(guī)劃或開(kāi)始工作之前要考慮的問(wèn)題。除了技術(shù)和結(jié)構(gòu)方面，還有必須考慮的基礎(chǔ)設(shè)施管理和規(guī)劃方面。
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