CN1222611A - 水压感应自动快速开、关、充、泄水位的船闸闸门 - Google Patents

Abstract

所属技术领域:各类拦江坝船闸工程及三峡永久船闸工程。①建立库头水位自动调节浮体船闸闸室,可使库头以下各级闸室运行水位常年统一在20M层厚上,消除弃水溢水,降低安全造价,便于船闸运行。②若长江三峡永久船闸工程各级船闸安装水压感应闸门后就会产生一连串水压感应开启与充泄、关闭与储蓄水位的连锁反应,再辅以抑制船速措施并与电脑联网就可以做到“船到闸开,船过闸闭”,仅需8分钟通过三峡永久船闸全程,全无须外来动力设施驱动。

Description

水压感应自动快速开、关、充、泄水位的船闸闸门

所属技术领域：三峡永久船闸工程及各类拦江坝船闸工程

现有关技术检索：

              三峡永久船闸工程、基本沿用葛洲坝老式的人字闸门，不仅开、关、充、泄缓慢。而且还须大动力设施来驱动，特别具有五级以上船闸人字闸门。更显得驱动设施维护的庞大。作为咽喉通道的三峡永久船闸工程，与长江航运休戚相关，将来西部大发展，会进一步要求，再建造两项永久船闸工程，一项是五千吨级以下船位使用的、节水型永久船闸。另一项是万吨级或十万吨级以上深水永久船闸。到那时再考虑这两项具有开发前景的工程，会感到困难重重，何不暂搁下已定原方案，审查本方案，会减少三峡工程与远景相矛盾的麻烦和再改造的困难。发明的目的：

①、是要利用船闸室巨大的水位势能，通过运用水压感应船闸门功能的开发，才能具备向各级船闸室快速灵便的充泄水位和开关船闸门。全无须其他大动力设备驱动。

②、建立库头水位调节浮体船闸室，致使库头以下各级船闸室的运行水位统一到最低的节水运行层厚上来，这样，不仅节省工程造价，在长期船闸运行中，避免弃水溢水现象，安全运行又节水的目的。这要比反弧闸门的工作要完善，在战争时期，还可大大减少破坏性摧毁。

③、建立五千吨级以下船位的三峡永久船闸，由于船闸运行水位只须12米，又因无须动力设施驱动闸门，且闸门开、关、充、泄快速灵便。故可把船闸室增加到12级，又船闸水面积仅容五千吨级一艘船通过，这样不仅节约每一次过闸用水量，特别是免除了等船时间的浪费，提高了船闸通过效率。

④建立另一三峡永久船闸工程，即万吨级以上的深水船闸，也应使用水压感应船闸门为宜。原因是：这种水压感应闸门的水头压只与闸门高度有关，而与宽度无关。因为闸门的水头压是通过底板横轴分段牵引，所以该闸门沿着横轴可以分段做得很宽，故在考虑通过万吨级或十万吨级轮船宽度方面不存在困难，而人字闸门即是能够做得很宽时，也显得十分笨重，还得额外大动力设施来驱动，开、关、充、泄。发明是这样实现的：

                以上四项目的，主要是通过水压感应船闸门，利用船闸水位势能，实现自动的快速的开、关、充、泄闸门功能来实现的。

第一、首先，集闸门与闸伐的二功能为一体，目的即开启闸门充泄水位的同时，直接利用闸门大尺寸本身，获得快速充泄水位功能，它的平稳充泄问题，因为水量是从下闸门底端，深水层充泄，而获得。这种直接利用闸门自动深层充泄水位，而不需另行建立底板涵道充泄，直接简化了永久船闸室工程建造。同时在安全充泄水量的范围内，仅须10秒钟即可充泄完毕，有利于三峡永久船闸通过效率的提高。

第二、是要运用水压平衡原理，消除闸门巨大的水头压，才能使闸门灵便的工作，设：闸门全长40米，在其中部20m处的平衡点上沿其闸门宽度横一根大轴，这轴又固定在闸室加固的底板上，于是该闸门可以在这根横轴上自由转动，又设与航道宽度相等时，则闸门在宽×高的面积上，上端将随浮升水平面而垂直定位，成为完全关闭与堵住船闸室坝口水头压的工作，闸门下端因与上端为一体，故反之即为开启和充泄。(例图3)

这种均衡压闸门，不仅在开、关、充、泄工作性能方面。远优于葛洲坝老式闸门，而且在工程安全方面，是把巨大的水头压，通过横轴，转移到闸室底板上，而不是闸室坝口的围墙上。而闸室底板的抗拉强度是与水头压成正比，对照的闸室堤坝围墙强度是与水头压成反比例关系。所以水压感应闸门在工程安全方面，也远优于葛洲坝老式闸门。

第三应用船闸室储水量势能，通过闸门的水压感应与水压反应机制，所形成的一连串船闸门开、关、充、泄的连锁反应，船队在其中，便可层层过闸而上或下，而不需其他大型动力设施驱动，原理如下：

1、建立水压感应机制：当水压感应闸门正处在关闭储蓄水位阶段时，其特点是：最初上闸门(5)的水头压，总是远远大于下闸门(6)的水头压，从而牢牢的成为关闭储蓄水位状态。但是，当上闸门储蓄的水位，超过了额定层厚时，则下闸门的水头压，反而大于上闸门的水头压，于是，这个上下为一体的能够转动的闸门，通过横轴(4)，反方向挤压上闸门向内位移，从而开启了下闸门，又因为下闸门就是闸伐，所以同时会大量充泄水位，这样启开后，由于连通器的原理，直至充泄完毕，与二闸室航道开通终止，其全过程设有多种可靠的功能以辅助和控制。

2、建立水压反应机制，上述是自动开启闸门与充泄水位，而关闭闸门与储蓄水位，也不是由外来动力设施来驱动，而是源由上闸室水压感应开启闸门后，大充泄流量的动力经管道(15)冲击孔(14)针对由紧贴下闸室，呈开通状态的平卧闸门上端(5)进行冲击、形成水压反应，冲击力只须20TM/秒，使其迅速关闭闸门后，并随即储蓄水位，而下闸端自有水垫以缓冲。

所以由上述水压感应1。与水压反应2的两具闸门组合在一起，就能做到上闸室自动开启与充泄水位，连动了下闸室自动关闭与储蓄水位，多级闸室在一条线上组合后，就会有一连串一开一关，一充一泄的连锁反应，通过设计与计算机联网与控制，可以使船只层层直通各级船闸而过。

第四水压感应闸门，产生连锁反应的工作循环及其调节与控制。

1．按现行三峡永久船闸设计方案，由于无调节库头水位设施，各级船闸充泄水位高度，就要不断的受到库区水位变化的影响，而闸门挡水高程变化，又必然影响水压感应变化与闸门开启和泄水，故须设一水压调节器(21)其结构类似千斤顶，以调节下闸门(6)与闸口底板墙(20)之间的距离，也就是调节这个水压感应区(18)的容积，这个容积的变化，也就是调节水感应度。原因是：水压感应区，可以集中反映出上闸门水头压，下闸门水头压及下闸门外水垫背压，这三者不同性质的水压关系，可以简捷的用其水压反应区(18)的容积表达出来，根据这个关系式及库头水位的变化，与计算机联网可随时受控水压调节器(21)，以事先定位的方式来开启闸门。例如：库区洪峰水位177米时，船闸运行水位是37米，对应的下闸门外水层厚是16.5米，则水压反应区(18)的容积应调节为920立方米，则上下闸门的水头压即调节均等，又如库区正常水位160米，船闸运行水位是20米层厚，对应的下闸门外水层厚是10m，则水压感应区(18)的容积应调节为207m³，则上下闸门的水头压即调节均等。此时，若继续增加稍许水位，即可因水压感应，而自行开启闸门。在船闸运行中，有时要等待船只，需要保持均衡水位不变，只须打开水位挡板(17)，自行溢水即可，待船队就绪后，由电脑指令水压调节器(21)顶开水压感应室的下闸门即可立时开启充泄水位，也可关闭水位挡板(17)待水位超过规定标准高度后，也可自行开启充泄水位。

2．又每当上下船队进出船闸室，其水浪波及均压状态的闸门时，为使水压感应船闸门，具有足够的稳定性，设有稳压台(23)与底板台(24)的吻合，可使闸门的波动，稳定在1-2m的范围内。

3．水压感应船闸门是因为水位升高而自动启开闸门，但启开后，水位稍一下降，则下闸门便又失去了压力，有可能再度恢复均压定位状态，而不能开启，为使这种充泄水位的连续性，设有下闸门增压垂板(22)，一旦闸门因水压感应启开泄水后，可使下闸门深度，瞬间增加-m，由此增压820吨，足以迫使下闸门连续启开以连续充泄水位。又因连通器的原理，设下闸门泄水截面20m²。水位差10m，由动力公式，可获得400吨/秒流量的充泄，足以迫使下闸室水位升高2m。这对上闸门来说就是背压，而继续保持闸门充泄水位状态，此时，下闸门大箱(6)因深水浮力加强而升高下闸门，扩大了充泄口，形成了不可逆转的充泄与水位势能的累积循环。直至二闸室水位平衡为止。若设有库头水位自动调节浮体船闸，使各级船闸运行水位恒定在20m层厚上，其水压感应区(18)的容积也可稳定在207m³，设下闸门长度(深度)19m，一旦闸门启开后可使下闸门瞬间增加8m深度，由此增压6990吨，足以迫使下闸门连续快速大充泄水位。

4．下闸门呈下垂式椭圆大箱(6)，除载有上述2、3功能外，还具有保持深水层充泄的功能，如图3所示，这是一项不用底板涵道，也能进行深水层充泄的附属功能，如此深层充泄，不占用闸室底板质量与闸室空间位置，便于工程设计。利用这种闸门作深水充泄。由于闸门与船闸航道宽度相等乘上水位高度，其充泄横截面积大，故对于闸门前的船只，有一安全充泄水量的要求，设一艘5000T级船只，船闸水位应是10000m³以上，那么安全充泄水量应为500m³/秒，只须10秒钟即可充泄完毕，又设一万吨级轮船，船闸水位容积应是20000m³，安全充泄水量可调节为1000M³/秒，待二船闸室水位因充泄持平也只须10秒。由于船闸门的开、关与充、泄水位同步，所以通过5级三峡永久船闸除不考虑船只进闸室时间，只须50秒钟即可全闸通过。所以船闸充泄水位时间的快慢，严重制约三峡永久船闸通过效率，对于采纳了水压感应船闸门，便已不存在问题。只须考虑船只开进船闸室与开出船闸室这两个方面的时间的提高就可以了。至于掌握安全充泄水量，可由电脑、指令增压垂板的调节而获得充泄量的大小。

5、水压感应闸门充泄水位时有三大过程与附属功能。

①首先该充泄流量经由下闸门稳压台口(23)、(24)进入小涵道(15)直通冲击孔(14)对准下闸室的上闸门(5)进行冲击，使其平卧的开通状态竖直成关闭状态，以便下闸室储蓄水位(例图2)。

②上闸室水层(2)经由水压感应室(18)下闸门大箱(6)底部，大量向下闸室深水层(1)冲泄，以求平稳冲泄(如图3)。

③剩下1/3上层水位，由于下闸门大箱因深水浮力加强，致使上闸门沉入水层中，1/3的上层水位将通过上闸门的背部充泄，以抑制过闸的船速。

6、铁路为提高运营效率，有一项采用电气联锁，以实现同时接、发列车的措施，但掌握列车机车仍人工司机。所以要想再进一步提高永久船闸的通过效率，就要提高船只进出船闸室的时间，快了慢了都不行，不快不慢仍需要停在船闸室内再充泄水位，充泄完了水位，又再开航过闸，这就浪费了时间，于是要求船队在充满船闸室水位面积的同时，仍以每小时15公里时速不停航的通过各级船闸和闸门，才能进一步提高三峡永久船闸的通过效率，这就要求上述5-③的上层充泄水流来抑制闸门前，行进中的船速以限制过闸门时机，设上闸门被迫沉于水面下3m由此获得上层充泄流量，又其总质量与船只相当时，即可抑制闸前船速由4m/秒降为1m/秒待10秒后，闸室水位已趋平於20m高水位，而受抑制的船速，1m/秒×10秒只前进10m。故距离闸门前20m的船只-10m，还余10m。此时船队又获回涨水流动力仍以15公里时速，适时安全通过第二闸室的闸门。如此周而复始的层层不停航速的由下而上通过永久船闸全程，约需10-15分钟。

第五、下面根据本发明提出的水压感应闸门的工作循环结合图1.2.3详细说明具体装置细节及工作情况。该水压感应船闸装置，包括一个下闸室及水层(1)一个上闸室及水层(2)上闸室底板(10)下闸室底板(27)闸室坝口底板上按装一根被整个闸室底板架加固了的横轴(4)横轴上按装一具跨上下二闸室的整体闸门，此闸门以底板横轴为界，分为上闸门(5)下闸门(6)两端各有一个容积10吨的水箱(7)(8)，由闸门体内一小潜电泵(16)注水或抽水。用来辅助与调整上下行船闸门，分别具有三重自然恢复定位工作，以利船闸运行中一连串联锁反应的调节工作。当上行船队由长江下游，驶入三峡永久船闸前，第一船闸门处于水下10m深处平卧的开通定位状态，即由电脑发出进闸信号，首先接受闸室两侧排列支架上能转动轮胎的规范航行，继续驶近第二船闸门前20m处，则船队后部，应完全过第一闸门内20m，即基本达到船位须充满船闸室水面积的要求，若待船队完全在闸门前停住是很浪费时间的，故须由监控电脑适时指令，启动水压调节器(21)或水位挡板(17)。因水压感应而启开了第二闸门，由于闸门与闸伐为一体，即时由第二闸室向第一闸室大量充泄水位，同时也抑制了闸门前的船速。也就大大缩短了船只开停充泄再开的时间。

至于下行船队，通过三峡永久船闸时，都能用充泄水位的方法，迅速关闭下闸室的闸门，用以拦蓄水位。所不同的是，下行船队在运行中，还要求关闭上船闸室的闸门(图6)以便拦截水垫水位的流失，比较简便的方法，是用电脑指令闸门内潜电泵(16)将上闸端水箱的水抽至下闸端水箱内，因上浮下沉而达到关闭该闸门的目的。若下闸端固定重量，则可自行关闭定位，以利下行船只充泄过闸。

第二种方法，使用时简便又可获得下行倒流充泄，但施工复杂一些(图4)首先在各级船闸室内两侧边墙各筑一充泄水隧道(28)总截面10×10m²，泄水口(29)置于上船闸室近上闸门内侧，进水口(30)置于中间船闸室下闸门内侧的水压感应室内(18)，又将各级闸门背以内上端的闸门，以横轴(4)为中心，改为扇形状(31)其垂线长6m，其主要目的是用这种闸内端扇形状在开通平卧状态时与泄水口(30)吻合，这样就关闭了泄水口(30)。这时如果在中间船闸室泄水时，由于上闸室水路不通会造成进水口(29)处的水压真空，迫使上闸室闸门迅速关闭受起动压力为1800T，至扇形闸门底线离开泄水口(30)时，水压真空就锐减为200T以下，随着中间船闸室水位迅速下降。导致上船闸门水头压升高(图5)。所以能够牢牢的关闭闸门而不能动弹。其优点是：没有二传机构，不须维修。二也不须要运行维护工作，一切运行自动完成。若采用这种方法，对于下行船队来说，还可获得倒流水功能的开发利用，用以抑制船速达到提高船闸的通过效率因为当下行船队充满船闸室水位面积后，已距离闸门前不足20m，若要把船速停下来，再充泄水位，然后才能开启船闸门，这样就浪费时间，这时若利用电脑监控用倒流水抑制船速，充、抑同步，就会节约很多时间。故通过三峡永久船闸与上行船队一样，也是10分-15分钟，就可通过全程。

Claims (10)

1、利用压力平衡原理，消除闸门(5)(6)的水头压，其特徵开、关、充、泄水位得到最大限度的灵便迅速。

2、建立闸室坝口泄水道(11)经由下闸门底端(6)以求深层充泄水位。可免除底板沟睿充泄***工程。

3、利用船闸室水位势能，建立水压反应机制(14)(5)专司自动关闭闸门与储蓄水位。

4、利用船闸室水位势能建立水压感应机制(18)专司自动开启闸门与充泄水位。

5、其特征2个消压式闸门组合在一起就会产生上闸门自动开启，便引起下闸室的闸门自动关闭，各级船闸组合在一条线上，就会产生一连串的连锁反应。

6、利用横轴(4)将闸门巨大的水头压，引向闸室底板构架内，其特征是底板的抗拉强度与水头压成正比关系，使工程安全远优于门式船闸。

7、设稳压台(23)与底板台(24)的吻合，可使闸门的波动稳定在1-2m的范围内。

8、设闸门增压垂板(22)可使闸门连续充泄水位。

9、建立上行与下行由充泄水位来抑制过闸门的船速，可提高船闸通过效率。

10、利用进水口(29)造成水压感应区(18)真空水压，迫使闸门上扬，又利用延启槽(32)可容纳过长弧的扇形门，故，也就延长了扇形门(31)对泄水口(29)的开启，达到了上下端闸门先关闭，而后才开启泄水口(28)的目的。

Images