水閘導(dǎo)航門設(shè)計創(chuàng)新
黃旭東
摘要：現(xiàn)實生活中水閘門在使用和日常維護(hù)過程中面臨很多復(fù)雜性問題。為增強系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)和操作的可靠性，減少水閘門定導(dǎo)航周期的時間，減少水運動，引起船舶排水和系泊力，避免水資源問題(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，最大限度地減少對導(dǎo)航和周邊社區(qū)的影響，本文對水閘水閘門進(jìn)行了創(chuàng)新性設(shè)計。
關(guān)鍵詞：水閘水閘門;操作結(jié)構(gòu);導(dǎo)航周期
1設(shè)計與優(yōu)化
設(shè)計水閘門的第一步是根據(jù)目標(biāo)列表(客觀方法)或可實現(xiàn)功能(功能方法)列表，編寫具有明確規(guī)格和要求的參考文件(職權(quán)范圍)。對于高水閘門(升高高度為20至30米)，目前的設(shè)計現(xiàn)在非常接近填充時間，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。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，太過分雄心勃勃的選擇可能導(dǎo)致成本過高。
第二步是根據(jù)以前的經(jīng)驗或新的創(chuàng)新研究來評估替代技術(shù)設(shè)計概念。這些概念主要關(guān)注：結(jié)構(gòu)的類型(墻壁和地板)，簡單或多重水閘門定之間的選擇，節(jié)水池的使用和配置，灌裝系統(tǒng)的類型(通過門，短或長的涵洞，通過地板)，門的類型，取決于水閘門的尺寸，船的類型和數(shù)量，水位等。
第三步是優(yōu)化設(shè)計�？梢钥紤]兩種方法：(1)系列本地優(yōu)化：分別優(yōu)化水閘門的各個部件和組件，以在這些不同組件集成后獲得改進(jìn)的設(shè)計/解決方案;(2)全球比較：比較幾個全球解決方案(例如具有分離式儲水池的U型水閘門定室，地板中的灌裝系統(tǒng))。
2設(shè)計要求
2.1設(shè)計原則
本節(jié)介紹主要設(shè)計原則，特別關(guān)注過去25年發(fā)生的變化，一個重要的項目，如一個水閘門，必須通過各種研究來證明。技術(shù)研究(設(shè)計方面)甚至成本不過是可行性研究的要點。還需要一系列其他研究，包括對河流，空氣，噪音，地下水等環(huán)境的影響和植被，魚類，鳥類等動植物。
風(fēng)險分析：在基于風(fēng)險的分析中，風(fēng)險被認(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。必須考慮和評估每個重要的意外事件。任何緩解措施的水平將基于這樣的研究。例如：需要一個緊急門，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 的項目進(jìn)一步研究。
2.2設(shè)計方法
用于灌裝和排空水閘門的液壓系統(tǒng)可分為兩種主要類型。一個是通過頭部填充和排空;另一個是通過“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);在水閘門地板下的縱向涵洞;動態(tài)平衡水閘門定灌裝系統(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。傳統(tǒng)的是基于升降高度(H)，水閘門可以根據(jù)升降高度進(jìn)行分類如下：
(1)“低升程水閘門”,低升高高度<10m,可以使用通過系統(tǒng)或簡單的縱向涵洞系統(tǒng);
(2)“中間升降機(jī)水閘門”,中間升降機(jī)10m
(3)“高升降水閘門”,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)中國提出的關(guān)于船舶水閘門定系統(tǒng)(JTJ306)的填補和排空的m系數(shù),如公式(1)：
其中，H(米)是水閘門的升高高度，T(min)填充艙的時間。
圖1 “兩節(jié)動態(tài)平衡”水閘門定灌裝系統(tǒng)(in盤水閘門-尺寸120 * 12 * 3.0米，電梯36.46米，填充時間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。實際上，僅當(dāng)系數(shù)m<3.5時才需要復(fù)雜的能量耗散室。水閘門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)可以同時考慮水閘門定提升高度和水閘門定時間。
2.3水閘門結(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集成在兩個側(cè)壁中，使水閘門定結(jié)構(gòu)更加堅固，緊湊，占地面積少。
圖3 具有集成WSB的水閘門側(cè)壁的橫截面
圖4 帶有5個標(biāo)準(zhǔn)橫向定位的WSB的水閘門的橫截面(通過水閘門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)，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的兩個水閘門(Minden和Anderten，1930年)，仍然在使用中沒有重大問題。最近這種類型的第三個水閘門完成了(Uelzen II，2006)。水合時混凝土加熱問題避免了在具有較大橫截面的區(qū)域中混凝土混合設(shè)計的不同。這樣一個水閘門的概念是相當(dāng)復(fù)雜的，因為它包括很多涵洞，畫廊，溢出設(shè)備等。
3設(shè)計局限
水閘門是復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，需要處理與水閘門的設(shè)計和構(gòu)造相關(guān)的技術(shù)難題的能力，特別是水閘門的液壓填充和排空系統(tǒng)。
最近水閘門定系統(tǒng)液壓設(shè)計的發(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)計人員優(yōu)化液壓系統(tǒng)的能力。
在液壓系統(tǒng)設(shè)計階段必須考慮的主要制約因素如下：
(1)水閘門室的灌裝/排空時間必須足夠短以適應(yīng)預(yù)期的流量。一般來說，對于內(nèi)陸導(dǎo)航水閘門，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，灌裝時間和選定的液壓系統(tǒng)有關(guān)。這些力的計算是設(shè)計的基礎(chǔ)，但是相當(dāng)困難。
(3)水入口(上游)的設(shè)計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)計為減少可能的波浪和潮流，這會擾亂船只的操縱并給乘客造成不適。
(5)過廊和涵洞內(nèi)流動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。一般來說，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立的并且彼此相互作用。例如，如果我們加快閥的開啟，水閘門定時間將會更短，但是我們會遇到其他參數(shù)(更高的系泊力，水閘門室中較高的波浪和水閘門的下游側(cè)，更多的泥石流在液壓系統(tǒng)的入口處，氣蝕的風(fēng)險更高。
4 結(jié)論
水閘門對于整個水閘系統(tǒng)來講至關(guān)重要，無論是公營還是私營公司，新水閘門的建設(shè)都是一個重大挑戰(zhàn)。投資，占用土地，改變社會，物質(zhì)或經(jīng)濟(jì)“現(xiàn)狀”是規(guī)劃或開始工作之前要考慮的問題。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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