指針型同盤旋轉啟閉空心鋼閘門的製作方法

2023-05-29 23:20:01 2

本發明涉及水利工程閘門技術領域，具體為一種指針型同盤旋轉啟閉空心鋼閘門。

背景技術：

水是城市的靈魂，有水城市才有「生的氣息」，河道水環境在人民心目中佔有重要地位。城市河流成為水源地、動力源、交通運輸通道、具有資源、環境、生態、景觀、文化等多方面的主要功能。但是隨著社會的進步和經濟的發展，河流生態系統在功能和結構上受損，河流生態系統功能的降低還導致城市缺水及形象破壞在一定程度上制約了城市的發展。城市水利工程結合城市環境、景觀、生態建設，已經成為水利發展的趨勢。近年來，國內外城市河流治理思路由過去單純注重防洪、供水功能，逐漸向在保證防洪、供水安全的前提下，重視河流生態修復、濱水景觀建設、城市水文化建設方向轉變。

城市河流治理的研究國外已有相當長的歷史，20世紀80年代以來日、美、德、瑞士等發達國家的城市河流治理開始轉向城市河流綜合治理與生態建設，現已進入「生態工程治理」和「近自然河流治理」的高級階段。城市河流綜合治理與生態建設的重要特徵是摒棄經濟高速發展時期所形成的「唯效率主義」的河流治理觀念，尊重河流系統的自然規律，注重河流自然生態和自然環境的恢復和保護，充分發揮河流的綜合服務功能。20世紀90年代城市河流綜合治理和生態建設趨向繁榮狀態。以日本東京、橫濱濱水區建設和美國巴爾的摩內港建設為代表的濱水區開發，從根本上改變了濱水空間的形象，重新恢復了它的活力。華盛頓波多馬克河綠帶規劃及日本各地的親水公園建設，使城市河流重現河水清清、綠樹成蔭的良好自然風貌。韓國於2004年開始修復清溪川的工作，2005年工程結束。工程開工前，通過廣泛的宣傳，使市民了解工程概況、諒解工程施工對其生活造成的不便，從而使工程施工獲得廣泛的群眾參與和支持。該工程通過水域景觀和水文化建設，大大提升了首爾的國際形象，獲得良好的社會效益和經濟效益。

我國城市河流治理起步較晚，治理方法主要有物理治理和生態治理。朱記偉，劉建林等認為河流與城市經濟發展、文化傳承、社會和諧息息相關。城市河流的綜合治理是一項系統工程，應通過生態綜合治理，維護生物多樣性，傳承河流水文化，樹立親水理念，營造人與自然和諧的水環境。王淑燕，王軍，韓子勸對「河流生態化整治」的要素進行了分析，認為河流生態化整治是以生態學、城市生態學、環境科學、城市生態規劃等理論為基礎，對河流進行有助於經濟、社會與自然生態環境相協調的結構、設施、功能、景觀等方面的改造，修復河流的生態功能，將城市住宅、交通、基礎設施及消費過程與自然生態系統融為一體，為城市居民提供適宜的人居環境，促進流域經濟發展，並最大限度減少環境負面影響，提升河流的生態服務功能，促進環境友好型城市和生態文明建設在生態化整治過程中要注重河流潛在親水功能和服務功能的開發，處理好人與水、人與河的關係。董哲仁，孫東亞，彭靜提出了河流生態修復整體模型，系統闡述了水利工程對河流生態系統脅迫及其機理，對傳統意義上的水利工程規劃設計理念和方法進行了系統的反思，總結了河流生態修復規劃原則與評估方法及河流廊道生態修復技術。並提出河流水系生態恢復的任務有三大項：一是水質條件、水文條件的改善；二是河流地貌特徵的改善；三是生物物種的恢復，總目的是改善河流生態系統的結構與功能，主要標誌是生物群落多樣性的提高。賀永恆，方燕琴認為河道景觀規劃中還可以釆用以下措施：（1）沿河綠地濱水環境的總體構思應儘可能擴大沿河綠地，形成較為連續性綠化帶，用綠色來勾畫古城的輪廓，延續城市文脈，體現現代化城市的新形象；（2）壩閘結合，擴展沿河水面。規劃河道可修建彩色橡膠壩，泵房外觀可按風景區房屋標準設計，橡膠壩的主要功能是增加蓄水面積，以形成水面，形成人工湖美景；（3）生態護堤可規劃採取自然土質岸坡、自然緩坡、植樹、植草等生態工程護堤，既防止水土流失，又為水生植物的生長、水生動物的繁育、兩棲動物的棲息繁衍活動創造條件；（4）綠化樹種及花草沿河綠化樹種，以喬木為骨幹樹種，以灌木和花草為主要植被，形成多種類、多層次生態群落。

我國在河流治理方面雖然起步較晚，但是近幾年也做了一些嘗試且都取得了一定的成效。四川成都府南河公園是一個以水的整治為主題的生態環保公園，受到汙染的水從府南河抽取上來，經過公園的人工溼地系統進行自然生態淨化處理，最後變為「達標」的活水，回歸河流。該公園的創意由美國學者貝·達蒙女士提出，得到成都市政府的支持，後組織中、美、韓三國的水利、城建、環保、園林和藝術家共同設計而成，2000年10月召開的21世紀城市建設與環境成都國際大會，對成都市府南河的治理給予了充分肯定，該項目獲得了世界人居獎等三項國際大獎。府南河治理工程的成功，包含了城市可持續發展、城市建設與環境、住房與安居等多方面的內涵，是城市河流治理的成功範例。北京的轉河、涼水河通過生態景觀建設，再現水清、岸綠的濱水環境。合肥的護城河經過多年的改造和建設，如今形成了由逍遙津、包河公園、銀河公園、魚花塘、玻拍山莊等組成的環形風景區，成為城市中心區市民日常休憩的開放式公園，也使合肥市得到了園林城市的美譽。作為我國率先進入中等發達水平的上海市，也著力體現「以人為本」的精神，斥巨資建設安全、舒適、優美的城市景觀水系。廣州市己經提出了要把珠江廣州河段建設得像法國塞納河巴黎河段一樣美麗的整治目標，具體包括提高堤防的防洪標準，改善兩岸的交通、綠化環境，特別是美化河流兩岸，讓遊客及市民有一個觀光、娛樂的好去處；蘇州市在城市發展建設中，保持了三縱三橫加一環的河網水系及小橋流水的水城特色，保持了路河平行的基本格局和景觀,城市改造取得了很好的效果。著名華裔建築師貝聿銘曾這樣評價蘇州「蘇州之所以成為蘇州的關鍵在於水，建築物還是其次的」。其他大中城市如瀋陽、哈爾濱、太原、天津等也相繼開展了城市河道生態修復和景觀重建工作等等。

國內外的城市河流治理仍處於探索階段，很多工作仍著眼於修復河流某一方面的功能，如國外在兼顧景觀的同時，更側重生態修復和重建等方面的工作，國內則較多地考慮景觀建設，生態修復工作還有待加強。但是未綜合考慮河流建設與經濟社會發展、地區、經濟、水資源、旅遊、居民需求、文化等方面的關係，城市河流治理缺乏系統的理論指導。

1、現有技術方案

1.1 現有的技術方案之一是橡膠壩工程

橡膠壩，又稱橡膠水閘，主要由土建部分、封閉壩袋及錨固件、充排水(氣) 管路設施、電氣自動化控制系統等組成。大壩體主要採用高強度合成纖維織物作為河流攔蓄水的受力骨架，內外均勻塗敷橡膠作防護層，加工成膠布後經錨固裝置固定底板上以形成封閉壩袋，經充排管路將水(氣) 等介質將壩袋充脹形成具有擋水、蓄水功能的閘壩。平原河道水流比較平穩，河面一般比較寬，橡膠現具有跨度大的優點在城市河道治理中應用較多。橡膠壩壩頂能溢流，同時能根據河流實時水量按需調節壩高，控制閘壩上遊的水位，以發揮大壩攔水、蓄水和生態景觀效果。

1.2現有的技術方案之二是平面鋼閘門

閘門是水閘的關鍵部分，用它來封閉和開啟孔口，以達到控制水位和調節流量的目的。平面閘門由活動部分（即門葉）、埋固部分和啟閉設備三部分組成。其中門葉由承重結構包括面板、梁格、豎向聯結系或隔板、門背（縱向）聯接系和支承邊梁等，支承行走部件、止水裝置和吊耳等組成，如圖1所示。埋固部分一般包括行走埋固件和止水埋固體等。啟閉設備一般由動力裝置，傳動和制動裝置以及連接裝置等組成。

平面閘門的基本尺寸根據孔口尺寸確定。孔口尺寸應優先採用鋼閘門設計規範中推薦的系列尺寸。露頂式閘門頂部應在可能出現的最高擋水位以上有0.3～0.5m的超高。

對於城市河道攔蓄水面，創造城市親水環境的工程措施而言，現有的技術主要是橡膠壩、平面鋼閘門為主要擋水構件的水閘等，其主要的技術缺點如下：

1.橡膠壩靠充排水（氣）實現擋水、洩水的功能；閘門靠啟閉機開啟不同的高度從而實現擋水、洩水的功能。以上兩種工程措施均存在著啟閉方式單一、啟閉高度固化、啟閉設備複雜、啟閉機佔用空間過大的缺點。

2.橡膠壩依靠壩袋的充排水（氣）來實現擋水洩水的功能，河流當中的漂浮物、尖利有角物體及砂卵石等物體，易造成壩袋拉裂損害，因此橡膠壩一個地方破損，整個橡膠壩都需要塌壩維修，影響其營造水流的效果。存在著容易老化，易被泥沙磨損撕裂，使用壽命較短等缺點。

3.橡膠壩工作狀態只有兩種，完全充水（氣）時壩袋充滿進行擋水，或完全排水（氣）時壩袋塌下洩水，不能適應和滿足城市河流景觀的多流態、多開啟度的需求，也不能滿足排沙的半開啟狀態的需求。水閘在開啟時，可以有不同的開啟高度，但是由於閘墩、架高的啟閉設備、排架、工作橋等一些架高建築物的存在，嚴重影響了城市河流的景觀效果，破壞了水域環境的整體性。

4.作為城市河流中使用的低水頭擋水建築物，橡膠壩、平面鋼閘門都存在著外型單一、水流流態缺乏美感、親水性差、與周邊環境不協調等缺點。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是：現有的河道攔蓄工程中採用的兩種措施存在啟閉方式單一、啟閉高度固化、啟閉設備複雜、啟閉機佔用空間過大的缺點，為解決上述問題，提供一種指針型同盤旋轉啟閉空心鋼閘門。

本發明的目的是以下述方式實現的：

指針型同盤旋轉啟閉空心鋼閘門，包括閘墩，閘墩之間設置有閘門，閘門為空心結構，閘門由動力裝置驅動旋轉。

閘門為封閉的空心結構，閘門的兩端與圓盤連接，圓盤由動力裝置驅動。

圓盤設置在閘墩內，圓盤外緣設置有側向P型止水，側向P型止水由固定壓板Ⅱ和固定螺栓Ⅱ固定。

圓盤上設置有由驅動裝置驅動的從動裝置。

圓盤的周向均布有小滾輪。

閘門包括堰面和設置在堰面內的支撐裝置，在堰面底端設置有止水系統。

堰面為具有流線性外形的WES曲線，WES堰面的冪曲線公式為：，式中：x、y為曲線坐標，原點在閘門的過流堰面頂部的最高點；k、n為指數和參數；Hs為設計水頭。

閘墩設置在閘底板上，止水系統包括設置在閘門上的閘門底止水和設置在閘底板上的閘底板底止水。

閘門底止水通過固定壓板Ⅰ和固定螺栓Ⅰ連接在堰面上，閘底板底止水預埋在閘底板上。

閘墩為三個，兩側的閘墩為邊墩，中間的閘墩為中墩，閘墩上端設置有觀景交通橋，觀景交通橋上設置有工作人員進出孔，動力裝置設置在每個閘墩內。

相對於現有技術，本發明為採用動力裝置驅動的空心閘門，能夠實現各個位置的開啟和關閉，營造多種擋水和洩水的狀態，能實現擋水、洩水和排沙。

附圖說明

圖1是平面鋼閘門門葉結構示意圖。

圖2是本發明結構示意圖。

圖3是閘門剖面結構示意圖。

圖4是閘門與閘門底止水配合的剖面圖。

圖5是閘門分層洩水狀態圖。

圖6是閘門完全垂直擋水狀態圖。

圖7是閘門排沙狀態圖。

圖8是閘門整體結構示意圖。

圖9是側向P型止水結構示意圖。

圖10是閘門圓盤部分示意圖。

圖11是閘門下遊立面圖。

圖12是閘門俯視圖。

其中，Ⅰ是指針型旋轉開合鋼閘門；Ⅱ是觀景交通橋；Ⅲ是閘墩；Ⅳ是閘底板；Ⅴ是工作人員進出孔；1是堰面；2是支撐結構；3是閘門底止水；4是閘底板底止水；5是固定螺栓Ⅰ；6是固定壓板Ⅰ；7是固定螺栓Ⅱ；8是側向P型止水；9是固定壓板Ⅱ；10是旋轉齒輪。

具體實施方式

如圖1-圖12所示，本發明是一種適用於城市河流，既能擋水、洩水、排沙，又可以實現各個位置的開啟和關閉，營造多種擋水和洩水狀態，有效改善城市水生態、塑造城市河流景觀的指針型同盤旋轉啟閉空心鋼閘門。此發明的技術方案如下：

1.本發明由五部分組成，分別為指針型旋轉開合鋼閘門Ⅰ、觀景交通橋Ⅱ、閘墩Ⅲ、閘底板Ⅳ和工作人員進出孔Ⅴ，整體效果圖如圖2所示。

其中指針型旋轉開合鋼閘門Ⅰ是由堰面1、支撐結構2、閘門底止水3、閘底板底止水4、固定螺栓Ⅰ5、固定壓板Ⅰ6、固定螺栓Ⅱ7、側向P型止水8、固定壓板Ⅱ9、旋轉齒輪10組成，如圖2-圖7所示。圖3中閘門的閘門底止水3和閘底板底止水4構成了閘門的底止水系統，閘門底止水3為P型底止水，閘門底止水3由固定壓板Ⅰ6和固定螺栓Ⅰ5固定於閘門上，閘底板底止水4為預埋件，澆築混凝土閘底板時預埋於閘底板中。閘門底止水3、閘底板底止水4、側向P型止水8的材料均為橡皮。當閘門處於垂直關閉狀態時，閘門底止水3可以壓合在閘底板底止水4上，閘底板底止水4為中空結構，在壓力下，中空結構壓緊達到封閉孔口，防止水流滲漏的效果，如圖3所示。圖9為側向P型止水，防止水流從圓盤中滲漏，由固定壓板Ⅱ9和固定螺栓Ⅱ7固定於圓盤上，側向P型止水設置在圓盤靠近閘門的一側。如圖10所示，在圓盤的周向上均布有小滾輪，小滾輪設置在圓盤靠近傳動系統的一側，設置小滾輪的目的是，圓盤在旋轉時，是圓盤與閘墩之間形成的摩擦為滾動摩擦，減小圓盤的旋轉阻力。

2.為了實現閘門不同的開啟高度和洩水狀態，本發明通過位於閘墩Ⅲ內的啟閉設備，使指針型同盤旋轉啟閉空心鋼閘門Ⅰ像時鐘一樣360度旋轉，在觀景交通橋Ⅱ上設置有工作人員進出孔Ⅲ，工作人員可通過進出該孔控制閘門的開啟和關閉，對閘門進行檢測和維修，從而達到啟閉方式靈活、啟閉高度自由、簡化開啟設備、啟閉機不佔用過多空間的目的。如圖2所示。

3.為了營造水流的多種流態，視覺效果美觀，本發明的指針型同盤旋轉啟閉空心鋼閘門Ⅰ中的堰面1由兩部分構成，以堰面的頂點（當閘門位於水平位置時，上曲面的最高點即是堰面的頂點）為分界點，頂點向上遊為圓弧，圓弧為1/4的橢圓曲線，頂點向下遊為非真空剖面堰，是具有流線型外形的WES曲線，保證了過閘水流產生非真空流態，流量係數在0.48～0.52之間，WES堰面的冪曲線公式為：；

式中：x、y為曲線坐標，原點在閘門的過流堰面頂部的最高點；k、n為指數和參數；Hs為設計水頭。

堰面1的材料可採用防鏽蝕鋼材，這種材料的閘門具有重量輕、易成形，同時也耐老化、抗磨損、易管理、便維修、使用壽命較長等優點。如圖3、圖4所示。

4.本發明通過控制閘墩Ⅲ內的啟閉設備，啟閉設備可選配螺杆式啟閉機、卷揚式啟閉機，主要根據啟閉門力的大小和閘墩內部的空間而定。同時也可以考慮採用自動化、遠程化控制的遙控式操控系統使指針型同盤旋轉啟閉空心鋼閘門Ⅰ實現自由開啟、多角度閉合，在不同的開啟度便利地實現完全垂直（12：30時）方向擋水，如圖6所示；完全水平方向（9：15時）分層洩水，如圖5所示；10：20時的位置排沙如圖7所示，等多種不同過流狀態。也可以根據實際的使用需求，不同閘孔的閘門單獨開啟或關閉，如圖2所示，既可以統一開啟也可以每個閘門單獨開啟，開啟狀態靈活，營造豐富的水流形態，增加景觀效果。閘門完全關閉時的具體形態，下遊立視和俯視效果如圖8、9所示。

5.為了使閘門的外觀具有一定的藝術性和美感，本發明沒有架高的啟閉設備和工作橋，觀景交通橋Ⅱ的設計高度與閘墩高度相同，方便水域附近的參觀和遊覽，具有較好的親水性，與周邊環境協調。遊人可通過觀景交通橋觀賞水流的各種流態，不影響視線。如圖2所示。

一種適用於城市河流類似閘壩，既能擋水、洩水、排沙，又可以實現各個位置的開啟和關閉，營造多種擋水和洩水狀態，有效改善城市水生態、塑造城市河流景觀的指針型同盤旋轉啟閉空心鋼閘門，對比常用的相，平面鋼閘門需要較高的排架、工作橋、啟閉機房等上部構件，閘門啟閉靈活度差；橡膠壩需要較複雜的充排水（氣）系統，不耐磨不堅固；自動翻板閘門雖然不需要外力，通過水位能控制閘門的啟閉，但啟閉位置無法固定，適用性較差。因此，本發明所具有的優點如下：

1.本發明將原來應高高地架設在閘墩之上的構件，比如排架、啟閉機、工作橋等，巧妙地重新進行了安排。由於空心流線型閘門固定在圓盤上，圓盤鑲嵌在閘墩側面，因此啟閉機等裝置設計在了閘墩內部，通過齒輪嚙合，由相應的螺杆式，或卷揚式、液壓式啟閉機產生動力，從而帶動指針型同盤旋轉啟閉空心鋼閘門像時鐘的指針一樣，360度自由旋轉，使閘門具有靈活多樣的開啟高度和洩水模型。這樣設置的好處，一方面不再需要排架、工作橋等構件，節省了造價，簡化了水閘的整體外觀；另一方面也有效地避免了啟閉設備在外部而容易產生鏽蝕老化的問題。因此具有啟閉方式靈活、啟閉高度自由、啟閉設備簡單、啟閉機不佔用過多空間等優點，

2.本發明的指針型同盤旋轉啟閉空心鋼閘門具有水滴型、流線型的外形，採用的非真空的WES剖面堰面曲線，過流時水流順暢，阻力小，不產生空蝕。閘門為空心結構，材料採用鋼材，因此啟閉力小，配套的啟閉設備容量也不需要太大，節省能源。閘門的底止水分為兩部分，一部分為固定在閘門上，一部分預埋在底板中，閘門關閉時，兩部分止水緊密貼合，閘底板底止水4中空部分凹陷，可以有效的防止漏水。因此，該閘門具有耐老化、抗磨損、易管理、便維修、使用壽命較長等優點，同時可以營造流線優美、豐富多樣的水流形態，為城市河流增加觀賞性和趣味性。

3.本發明可以通過靈活控制不同開啟度的指針型同盤旋轉啟閉空心鋼閘門，實現了開啟、閉合方便，簡化了開啟設備。由於閘門的開啟，依靠的是鑲嵌於閘墩側面的旋轉圓盤，因此可以達到360度任意開啟度的準確停留，採用的類似時鐘指針旋轉理念。在不同的開啟度，可以便利地實現完全垂直（時鐘12：30時）方向擋水、完全水平方向（時鐘9：15時）分層洩水、時鐘10：20時的位置排沙等多種不同過流狀態，而且對於城市河流的景觀，可以豐富水流形態，增加景觀效果。由於開啟位置精準靈活，不僅適用於含沙量較小的河流，也適用於含沙量較大的河流，可以將閘門開啟在10：20的位置，下側排放推移質泥沙，上面過含沙量較低的清水。同時，不僅適用於汛期洩洪排沙，也適用於非汛期擋水蓄水。

4.本發明指針型同盤旋轉啟閉空心鋼閘門，外觀具有一定的藝術性和美感，沒有架高的啟閉設備和工作橋，不影響視線，人們可以方便地來到觀景橋，觀看河流水流景觀，具有過閘水流流態多變，親水性較好，與周邊環境協調等優點。

本發明還有別的替代方案，如閘門的材料可以是鋼材、鑄鐵、鋼筋混凝土、混凝土都可以滿足要求。指針型同盤旋轉啟閉空心鋼閘門Ⅰ底部的閘門底止水、閘底板底止水4和側向P型止水8也可以為其他材料和形狀的止水代替。

本發明中涉及到的啟閉設備即動力裝置，除了螺杆式啟閉機外，還可以用卷揚式啟閉機、液壓式啟閉機代替，主要根據啟閉門力的大小、閘墩內部的空間尺寸而確定。同時也可以採用自動化、遠程化控制的遙控式操控系統代替。

以上所述的僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本領域的技術人員來說，在不脫離本發明整體構思前提下，還可以做出若干改變和改進，這些也應該視為本發明的保護範圍。