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摘 要：裕溪一线船闸扩容改造工程首次将三角闸门的应用口门宽度提高至34m，工程具有明显的创新和挑战。本文重点介绍了裕溪新建大型船闸在输水系统和三角闸门结构设计方面的关键技术问题及开展的相关优化研究工作，取得的研究成果为工程建设提供了重要依据。
关键词：大型船闸;三角闸门;输水系统;结构优化设计
中图分类号：U641.2 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2021）05-0144-03
合裕线航道是全国内河高等级航道布局“两横一纵两网十八线”中的一线，是安徽省高等级航道发展规划中“一纵两横五干二十一线”中“一纵”，是合肥经济圈通往长江的唯一水上通道，也是江淮运河的重要组成部分。随着江淮运河、合裕线航道整治工程的全线启动，以及腹地经济的发展，作为主要入江通道，合裕线承担的货运量将逐年增加。位于合裕线入长江口的裕溪一线船闸和复线船闸早已超过其设计通过能力，长期处于超负荷运转状态，通航压力很大。因一线船闸建设较早、设备设施老化严重、问题较多，同时为提升船闸的通过能力，目前已全面启动一线船闸扩容改造工程。拟建的裕溪一线新船闸，为Ⅱ级通航建筑物，建设标准为2000t级，闸室尺度为290m×34m×5.6m，设计代表船型包括2000t货船、1500t货船、1000t货船、100TEU集装箱船。船闸的工作闸门采用启闭灵活并能够承担双向水头和动水启闭的三角闸门[1]，首次将船闸三角闸门的应用口门宽度由23m大幅提高至34m[2]，本项工程在行业内具有明显的创新性，也将对水运建设行业的科技进步具有重要的推动作用。
1关键技术问题
对于新建的34m宽大型船闸，一方面闸室平面尺度巨大，闸室充泄水要求提高，另一方面采用三角闸门，存在短廊道与门库联合输水及三角闸门结构设计技术问题[3]。
（1）在船闸水力设计方面，输水系统布置能否满足安全高效经济的要求，流量分配、消能工设计、波浪力减小措施、阀门合理的启闭方式、闸室水面波动作用及动水启闭情况下水动力荷载等，需要加以论证和优化。
（2）在结构设计方面，与传统23m口门三角门相比，巨型三角闸门主弧半径增加了5～6m，单扇闸门总水荷载同等条件下增加了约50%，门体自重增大了一倍以上，其面板梁格、空间网架杆系、顶枢底枢支承等受力均发生了较大变化，合理布置优化大型三角闸门的结构，以保证其满足受力变形、流激振动[4]要求，是关系到大型三角闸门能否安全高效便捷运行的关键技术问题。
2 输水系统设计与试验论证
裕溪船闸承受双向水头，正向最大设计水头为4.98m，反向最大设计水头为3.8m，正向常水头为4.0m，输水时间要求8～10min左右，采用短廊道集中输水系统，输水系统布置如图1所示。根据《船闸输水系统设计规范》（JTS306-2001），输水阀门处廊道断面尺寸取4.0（高）×5.0（宽），上闸首廊道进口设置消力槛、出口采用格栅消能室，下闸首廊道进、出水口均设置消力槛，促使水流均匀扩散，改善水流条件。
建立比尺为1：30的输水系统整体物理模型，通过试验研究确定船闸输水系统的布置和阀门开启方式，测定过闸船舶（队）在闸室内的停泊条件、输水系统各项水力参数，并对试验成果进行分析，提出改进意见。设计水位组合（包括正向设计水头和反向设计水头）、常水位组合（常水头）等不同运行工况、多种方案对比试验研究表明，船闸采用的短廊道集中输水系统的整体布置设计是合理的，综合闸室输水水力特性、输水廊道压力特性及船舶（队）停泊条件，推荐船闸上闸首阀门双边开启时间为6min，下闸首阀门双边开启时间为4～6min（为充分发挥船闸的航运效益，可取4min），其中开启时间为6min的输水特性曲线见图2。在设计水位、常水位组合工况下，闸室输水最大流量约200m3/s，输水时间均可控制在10min以内，满足设计要求。
3 三角闸门结构设计与优化
3.1 结构设计
船闸上、下闸首各设两扇三角闸门，总体布置如图3所示，闸门中心角为70°，主弧半径为18.1m，上闸首闸门高度为14.92m，下闸首闸门高度为16.62m，闸门启闭回转角度为68.5°。三角闸门结构设计主要包括面板、梁格、浮箱、钢架、端柱、顶底枢拉杆、防撞装置、止水等，面板采用多主梁式弧形结构，面板厚度为12mm，自上而下共布置5道主梁，梁高为500mm，纵向布置有6道纵隔板，与主梁等高连接，并设置纵、横向“T”型次梁，用以增强面板的刚度，各钢架部分采用空间网架结构，杆件以无缝钢管为主，通过空心钢球节点连接，闸门端柱采用组合“工”字型结构，并在闸门面板附近设置浮箱，以减少门头在水中的下垂量。顶枢采用铰接框架式，通过增设刚性连接板与辅助拉杆，以改善拉杆的受力条件，后端通过三角架预埋件与闸首边墩相连，提高了顶枢装置的稳定性，底枢采用整体式结构配楔块微调。闸门防撞系统采用刚柔结合的新型式，采用具有耗能特性的蜂窝面板（柔）及面板后的刚性支撑（刚）。闸门结构采用Q345钢材。
3.2 结构静动力优化
采用三维有限元数值模拟方法，进行大型三角闸门结构静动力计算分析，指导结构优化设计。三角闸门有限元模型见图4。初步设计方案三角闸门在设计工况下结构静动力分析表明，在浮箱内增加横梁解决局部位置应力超标后，闸门的强度、刚度、整体和局部稳定性均满足要求，正向挡水设计工况闸门面板的应力分布云图见图5。
当口门宽度34m一定时，三角闸门的中心角直接影响到支臂的长度和面板的弧面长度，是三角闸门设计时的重要参数，需对其优化选择。根据已有的设计经验，选取中心角为70°、65°和60°进行对比分析，其中70°为初步设计方案。除了中心角方案外，还选取了面板厚度，支臂圆管外径、空间网架一类杆件圆管外径、空间网架二类杆件圆管外径、空间网架三类杆件圆管外径、空间网架四类杆件圆管外径、T型截面主梁翼缘宽度、翼缘厚度和腹板厚度等作为优化变量。分别针对三角门中心角α为70°、65°和60°三种初步设计方案，进行了静力优化设计，经优化后，对应三种中心角方案，闸门质量由初始方案的224.67t、222.16t及220.93t，分别降为196.54t、192.05t及189.50t，相对于初步设计方案，三角闸门的质量分别下降了14.2%、12.5%和13.6%。
选择中心角70°方案，在静力优化的目标的基础上，增加提高闸门基频的优化指标，进一步对三角闸门的动力性能进行优化。动力优化后，闸门的基频从4.87Hz增加到了5.56Hz，优化后闸门的动力性能有所提高，其中一阶振型见图6，表现为闸门整体的侧向振动，本工程三角闸门水力学模型试验结果表明，输水过程中作用于闸门结构上的动水压力能量分布均在5Hz以内，主频在1Hz内，可见，动力优化后闸门基频能避开水流脉动主频率区，发生剧烈振动的可能性较小。在考虑三角闸门基本构件材料规格取整的基础上，经动力性能优化，三角闸门质量由233.0t降为208.3t，下降了10.6%，充分發挥了钢材的性能，减少了材料用量，节约了工程成本。
4 结论
本文针对国内首座34m宽口门采用三角闸门方案的大型船闸，重点介绍了船闸输水系统和闸门结构静动力设计方面的关键技术问题及相应的研究成果，已开展的研究工作为工程建设提供了重要依据。但在本工程大型三角闸门制作、安装、调试过程中仍需进一步加强观测研究。
参考文献：
[1] 汪昕，王新，孙立武，曹晓军.大型三角闸门门缝输水运用条件试验研究[J].水运工程， 2021，（3）：12-16.
[2] 戴振华，黄可璠. 三角闸门设计与改进[J].中国水运（下半月）， 2017， 17（4）：89-90， 107.
[3] 曹士政，朱明涛，朱颖，朱召泉.三角闸门双重耗能防撞系统设计[J].水运工程， 2021，（1）：17-20.
[4] 史丹，戴振华.三角闸门振动特性分析[J].中国水运， 2020， 20（12）：61-62.
关键词：大型船闸;三角闸门;输水系统;结构优化设计
中图分类号：U641.2 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2021）05-0144-03
合裕线航道是全国内河高等级航道布局“两横一纵两网十八线”中的一线，是安徽省高等级航道发展规划中“一纵两横五干二十一线”中“一纵”，是合肥经济圈通往长江的唯一水上通道，也是江淮运河的重要组成部分。随着江淮运河、合裕线航道整治工程的全线启动，以及腹地经济的发展，作为主要入江通道，合裕线承担的货运量将逐年增加。位于合裕线入长江口的裕溪一线船闸和复线船闸早已超过其设计通过能力，长期处于超负荷运转状态，通航压力很大。因一线船闸建设较早、设备设施老化严重、问题较多，同时为提升船闸的通过能力，目前已全面启动一线船闸扩容改造工程。拟建的裕溪一线新船闸，为Ⅱ级通航建筑物，建设标准为2000t级，闸室尺度为290m×34m×5.6m，设计代表船型包括2000t货船、1500t货船、1000t货船、100TEU集装箱船。船闸的工作闸门采用启闭灵活并能够承担双向水头和动水启闭的三角闸门[1]，首次将船闸三角闸门的应用口门宽度由23m大幅提高至34m[2]，本项工程在行业内具有明显的创新性，也将对水运建设行业的科技进步具有重要的推动作用。
1关键技术问题
对于新建的34m宽大型船闸，一方面闸室平面尺度巨大，闸室充泄水要求提高，另一方面采用三角闸门，存在短廊道与门库联合输水及三角闸门结构设计技术问题[3]。
（1）在船闸水力设计方面，输水系统布置能否满足安全高效经济的要求，流量分配、消能工设计、波浪力减小措施、阀门合理的启闭方式、闸室水面波动作用及动水启闭情况下水动力荷载等，需要加以论证和优化。
（2）在结构设计方面，与传统23m口门三角门相比，巨型三角闸门主弧半径增加了5～6m，单扇闸门总水荷载同等条件下增加了约50%，门体自重增大了一倍以上，其面板梁格、空间网架杆系、顶枢底枢支承等受力均发生了较大变化，合理布置优化大型三角闸门的结构，以保证其满足受力变形、流激振动[4]要求，是关系到大型三角闸门能否安全高效便捷运行的关键技术问题。
2 输水系统设计与试验论证
裕溪船闸承受双向水头，正向最大设计水头为4.98m，反向最大设计水头为3.8m，正向常水头为4.0m，输水时间要求8～10min左右，采用短廊道集中输水系统，输水系统布置如图1所示。根据《船闸输水系统设计规范》（JTS306-2001），输水阀门处廊道断面尺寸取4.0（高）×5.0（宽），上闸首廊道进口设置消力槛、出口采用格栅消能室，下闸首廊道进、出水口均设置消力槛，促使水流均匀扩散，改善水流条件。
建立比尺为1：30的输水系统整体物理模型，通过试验研究确定船闸输水系统的布置和阀门开启方式，测定过闸船舶（队）在闸室内的停泊条件、输水系统各项水力参数，并对试验成果进行分析，提出改进意见。设计水位组合（包括正向设计水头和反向设计水头）、常水位组合（常水头）等不同运行工况、多种方案对比试验研究表明，船闸采用的短廊道集中输水系统的整体布置设计是合理的，综合闸室输水水力特性、输水廊道压力特性及船舶（队）停泊条件，推荐船闸上闸首阀门双边开启时间为6min，下闸首阀门双边开启时间为4～6min（为充分发挥船闸的航运效益，可取4min），其中开启时间为6min的输水特性曲线见图2。在设计水位、常水位组合工况下，闸室输水最大流量约200m3/s，输水时间均可控制在10min以内，满足设计要求。
3 三角闸门结构设计与优化
3.1 结构设计
船闸上、下闸首各设两扇三角闸门，总体布置如图3所示，闸门中心角为70°，主弧半径为18.1m，上闸首闸门高度为14.92m，下闸首闸门高度为16.62m，闸门启闭回转角度为68.5°。三角闸门结构设计主要包括面板、梁格、浮箱、钢架、端柱、顶底枢拉杆、防撞装置、止水等，面板采用多主梁式弧形结构，面板厚度为12mm，自上而下共布置5道主梁，梁高为500mm，纵向布置有6道纵隔板，与主梁等高连接，并设置纵、横向“T”型次梁，用以增强面板的刚度，各钢架部分采用空间网架结构，杆件以无缝钢管为主，通过空心钢球节点连接，闸门端柱采用组合“工”字型结构，并在闸门面板附近设置浮箱，以减少门头在水中的下垂量。顶枢采用铰接框架式，通过增设刚性连接板与辅助拉杆，以改善拉杆的受力条件，后端通过三角架预埋件与闸首边墩相连，提高了顶枢装置的稳定性，底枢采用整体式结构配楔块微调。闸门防撞系统采用刚柔结合的新型式，采用具有耗能特性的蜂窝面板（柔）及面板后的刚性支撑（刚）。闸门结构采用Q345钢材。
3.2 结构静动力优化
采用三维有限元数值模拟方法，进行大型三角闸门结构静动力计算分析，指导结构优化设计。三角闸门有限元模型见图4。初步设计方案三角闸门在设计工况下结构静动力分析表明，在浮箱内增加横梁解决局部位置应力超标后，闸门的强度、刚度、整体和局部稳定性均满足要求，正向挡水设计工况闸门面板的应力分布云图见图5。
当口门宽度34m一定时，三角闸门的中心角直接影响到支臂的长度和面板的弧面长度，是三角闸门设计时的重要参数，需对其优化选择。根据已有的设计经验，选取中心角为70°、65°和60°进行对比分析，其中70°为初步设计方案。除了中心角方案外，还选取了面板厚度，支臂圆管外径、空间网架一类杆件圆管外径、空间网架二类杆件圆管外径、空间网架三类杆件圆管外径、空间网架四类杆件圆管外径、T型截面主梁翼缘宽度、翼缘厚度和腹板厚度等作为优化变量。分别针对三角门中心角α为70°、65°和60°三种初步设计方案，进行了静力优化设计，经优化后，对应三种中心角方案，闸门质量由初始方案的224.67t、222.16t及220.93t，分别降为196.54t、192.05t及189.50t，相对于初步设计方案，三角闸门的质量分别下降了14.2%、12.5%和13.6%。
选择中心角70°方案，在静力优化的目标的基础上，增加提高闸门基频的优化指标，进一步对三角闸门的动力性能进行优化。动力优化后，闸门的基频从4.87Hz增加到了5.56Hz，优化后闸门的动力性能有所提高，其中一阶振型见图6，表现为闸门整体的侧向振动，本工程三角闸门水力学模型试验结果表明，输水过程中作用于闸门结构上的动水压力能量分布均在5Hz以内，主频在1Hz内，可见，动力优化后闸门基频能避开水流脉动主频率区，发生剧烈振动的可能性较小。在考虑三角闸门基本构件材料规格取整的基础上，经动力性能优化，三角闸门质量由233.0t降为208.3t，下降了10.6%，充分發挥了钢材的性能，减少了材料用量，节约了工程成本。
4 结论
本文针对国内首座34m宽口门采用三角闸门方案的大型船闸，重点介绍了船闸输水系统和闸门结构静动力设计方面的关键技术问题及相应的研究成果，已开展的研究工作为工程建设提供了重要依据。但在本工程大型三角闸门制作、安装、调试过程中仍需进一步加强观测研究。
参考文献：
[1] 汪昕，王新，孙立武，曹晓军.大型三角闸门门缝输水运用条件试验研究[J].水运工程， 2021，（3）：12-16.
[2] 戴振华，黄可璠. 三角闸门设计与改进[J].中国水运（下半月）， 2017， 17（4）：89-90， 107.
[3] 曹士政，朱明涛，朱颖，朱召泉.三角闸门双重耗能防撞系统设计[J].水运工程， 2021，（1）：17-20.
[4] 史丹，戴振华.三角闸门振动特性分析[J].中国水运， 2020， 20（12）：61-62.