一种引水渠组合式钢围堰设备的设计开发

彭旭，黄新磊，卢康，胡海荣，付文楚

（中国船舶重工集团应急预警与救援装备股份有限公司，武汉 430223）

1 引言

组合式钢围堰设备应用于引水渠中，在不中断输水条件下，解决过水断面渠坡严重变形、衬砌结构严重损坏、防渗排水体系失效等水下难以修复的问题，实现专用围堰适应不同渠道断面、可快速装拆施工、循环使用，在围堰维护下渠道具备局部干地修复作业条件[1]，从而降低修复难度，提高修复质量。

2 主要设计指标及要求

1）设计水位：≤6m；

2）衬砌等级：C20；

3）修复范围：顺水流向可通过增加围堰单体数量自由延长，至少4m；

4）设计流速：安装流速≤1m/s，渠道束窄后流速≤2.5m/s；

5）衬砌板地基承载力 ≥150kPa；

6）衬砌板不平整度 3cm/2m，局部凸台1cm；

7）渠道边坡坡比为 1∶2.0～1∶3.5；

8）围堰部件单体规模：满足公路运输和现场吊运。

3 总体方案设计

组合式钢围堰设备主要由纵向围堰设备（标准浮箱、标准围堰板）、横向围堰设备（标准浮箱、坡角浮箱、标准围堰板、坡角围堰板）、锚定装置、支撑桁架、动力艇、辅助器材和电气系统设备组成。纵向围堰设备、横向围堰设备依靠动力艇提供动力，在不阻断渠道输水的前提下，水面快速拼装、注水下沉定位、锚固、密封以构筑形成钢围堰系统。

4 系统组成

4.1 标准浮箱单元

标准浮箱是组成围堰系统的主体部分，每个单元包含有箱体结构、连接装置、橡胶止水装置、通气管路、注水管路等，主尺度为8.99m×2.86m×2.1m，重约128.5kN(12.8t)。

围堰箱内部布置有潜水泵及管路系统，用于箱体注水辅助围堰设备整体下沉和围堰中间区域注水形成干地施工环境。

围堰箱底侧和围堰箱之间布置有橡胶止水带，当围堰箱单元组合沉底后，止水带压紧形成水密屏障，防止渠水流入围堰基坑[2]。

4.2 坡角浮箱

坡角浮箱主要用于渠坡和坡底交接处，其主尺度为8.86m×3m×2.0m，重约128.6kN (12.8t)，内部布置有排水、注水系统。箱体甲板呈高低布置，高侧上下布置有与标准浮箱的连接装置，低侧下部布置有与标准浮箱铰接接头。

4.3 围堰板

上部围堰板安装在下部围堰箱的上面，与其构成了整个围堰系统。主要由9个标准围堰板[单重约17kN(1.7t)]和2个坡角围堰板[单重约12kN(1.2t)]组成。围堰板整体均为板架结构，每个单元包含围堰板结构、连接装置、橡胶止水装置等。

4.4 支撑桁架

支撑桁架总成主要用于连接横向连接2个围堰箱主体，提升围堰箱的整体稳定性及刚度，由桁架片单元拼组成。

4.5 锚定装置

为防止整个围堰系统在安装或下沉过程中发生不可控位移，在上游、下游及对岸均布置有锚定系统，主要包含系泊绞车、带缆桩、系留索总成等。

4.6 动力艇

动力艇主要用于辅助围堰浮箱之间的水上拼装作业，提供人员操作平台。

4.7 电气系统设备

电气系统设备包括控制柜、电缆、接地线等，主要为抽注水、锚定、动力艇、照明设备提供电力。

4.8 辅助器材

辅助器材包含有注排水泵、柴油发电机组、紧缆器、手板葫芦、围堰箱注水管、围堰箱联通水管、围堰箱联通气管、投索、拼舟具等。

5 设计计算分析

围堰箱箱体内部纵、横梁采用Q355碳素结构钢材质，外板和接头采用DB685高强度合金钢，围堰结构强度校核采用许用应力设计方法，构件的内力按弹性受力阶段确定，变形按构件的横截面进行强度计算[3]。

围堰的工作水位为6m，在工作水位下分别由位于斜坡上垂直水流方向的横向围堰箱，和位于坡底顺水流方向的纵向围堰箱围合成1个渠道干地修复作业环境。选取围堰直接承受水压力的一侧作为校核对象，重点分析围堰箱体侧板，校核上述结构在工作水位下的强度。

5.1 建立侧板结构的三维模型

采用Creo软件建立起侧板的三维实体部件模型，各零件之间以刚性连接。同时为了减少运算时间，删除肘板等辅助型的零部件，这对分析结果无太大影响。

由于侧板结构型式关于中横剖面对称，并且受到的水压力也关于中横剖面对称。因此，可以只建立起侧板结构的一半模型，以提高软件计算效率。

5.2 网格划分

侧板结构是1个较规则的部件，在对其网格划分之前，首先对不规则的零件进行适当的切分，从而将1个不规则的零件切分成多个规则的体，然后再进行合并。由此，采用映射网格和六面体主导网格相结合的方法，同时控制局部零部件的尺寸大小，可以得到较为理想的网格。

5.3 边界条件

围堰箱的侧板结构四周通过角钢与其他结构相连。即围堰箱的顶面、底面和端面作为侧板结构的刚性支撑，从而约束侧板结构四周的位移。同时，侧板纵向间隔1 000mm布置有1根横向立柱，在布置有立柱的结构将其视为刚性固定约束。

5.4 仿真结果分析

根据侧板结构变形情况和结构应力响应数据可得，侧板结构在6m工作水位下，其结构最大变形为1.94mm，最大应力位于中间立柱，其值为：252.8MPa＜[σ]=0.85[σs]=302MPa。

同时，侧板结构上立柱的受力模式为压杆，各压杆的受力大小如表1所示。

表1 横向立柱的受力情况

横向立柱尺寸为φ80×40mm，长度L=1 240mm。则两端固定压杆的临界压力为：

式中，E为弹性模量；I为截面惯性矩。

临界压力远大于各立柱的受力，故横向立柱安全。

综上，侧板结构在6m工作水位下，其结构强度满足要求。

6 系统工作模式

纵向围堰沿流向布置，由多个标准围浮箱单元、标准浮箱上的标准围堰单元和2个边浮箱横向并排拼接组成单列纵向围堰结构。浮箱单元与围堰单元为模块化结构，浮箱单元之间通过箱体上的连接接头实现横向拼接，并利用抽、注水系统进行注水、抽水实现箱体下沉、上浮，沉底后纵向围堰靠自身重力对渠底压力产生的摩擦力以及锚链拉力抵抗外部荷载。各浮箱单元之间、围堰单元之间、浮箱单元与渠底衬砌板之间通过水密橡胶条压紧的方式实现止水。

横向围堰垂直流向布置，结构形式与纵向围堰一致，由多个标准浮箱单元、标准浮箱上的标准围堰单元与1个坡角浮箱、坡角浮箱上的坡角围堰横向并排拼接组成单列横向围堰结构。坡角浮箱为异形断面箱体结构，可通过更换坡角浮箱斜面上的楔块来适应不同的渠道边坡比。横向围堰一端通过安装支座铰接连接在纵向围堰上，铰接点布置在底部，横向围堰可绕铰接点旋转直至与纵向围堰边箱压紧贴死，完成固定坡比的纵横围堰结合。

标准围堰板和坡角围堰板分别安装固定于标准浮箱和坡角浮箱甲板面上，采用折叠及翻板形式升降。标准围堰、坡角围堰借助起吊设备完成展开和收拢，当展开到位后，围堰板与浮箱间依靠拉杆连接固定，围堰板之间依靠连接装置固定形成整体。围堰设备通过围堰板的翻转适应不同渠道水深要求[4]。

动力艇主要用途为辅助各浮箱单元的水上拼装作业，并附带拖拽功能，可实现多个箱体在水上整体移动。

锚定装置由锚链及锚机构成，渠边马道预先设置锚机基础，锚机与此基础固定。锚链一端连接锚机，另一端连接浮箱上固缆桩，防止围堰设备安装、下沉过程受水流影响发生不可控位移，亦可通过收紧、松开锚链来调节围堰系统的位置，完成设备的定位。

支撑桁架用于连接2排横向围堰设备，使围堰设备形成闭口结构形式，提高设备整体稳定性。

辅助器材主要包括柴油发电机、压载泵等。柴油发电机放置于渠边马道，为锚机、压载泵等设备提供电力。压载泵采用移动式，可置于渠边马道或动力艇甲板上，完成浮箱及围堰区域的抽水和注水。

电气系统设备主要为抽、注水系统装置和锚定系统装置提供电力，并为动力艇充电。

干地修复专用围堰设备纵向围堰沿渠道流向布置，横向围堰连接纵向围堰与岸堤，可组装拼接成“┗┛”形，束窄渠道，在不中断输水条件下构筑围堰系统，为渠道衬砌板修复处理提供干地施工条件。纵向围堰与横向围堰的浮箱单元结构外形统一，制造、拼装方便，组装成单列单层围堰系统可满足最大6m水深、不同修复区域范围（围堰长度、边坡比）要求。围堰采用翻转式围堰板，结构可靠，展收时间短，经济安全环保。专用围堰设备主要是依靠浮箱注、抽水，实现围堰主体结构下沉、上浮，通过围堰自身重力对渠底压力产生的摩擦力以及锚链拉力抵抗外部荷载，基本上不对衬砌式渠道造成破坏。围堰设备的组装、下沉、定位以及拆除可以实现零排放，不会对渠道供水水质产生污染。

7 结语

本文通过对组合式钢围堰总体方案、系统组成和结构强度的研究，设计出一种能够满足引水渠施工条件的围堰设备，有效地解决了围堰设备运输、下水、安装、下沉、定位、止水等关键难题，为引水渠工程应急抢险措施提供了一个新的途径。