CN107075826A - 水控闸门锚固系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于控制诸如河流和运河等开放通道和用于控制大坝溢流道而不需要中间墩的可充气气囊致动的水控闸门。空气气囊和折页片楔子夹持系统包括夹具的上游边缘与地基的铰接接合，以防止对锚固螺栓施加弯曲和剪切载荷。所得到的构造便于在耐腐蚀环境中使用高强度合金钢锚固螺栓，并且还防止混凝土地基的拉伸载荷和混凝土地基的相关开裂。

Description

水控闸门锚固系统及方法

本申请是2014年7月18日的美国临时申请号为62/026,540的申请的国际阶段并要求其优先权。所述申请通过引用并入本文。需要注意的是，2015年7月18日是星期六，使得该专利申请提交于2015年7月20日。

技术领域

本发明涉及用于充气操作的底部铰接式水控闸门的锚固系统。这种闸门例如可以用于水存储、河流分流、水力蓄积、防洪、海水屏障、溢洪道控制等。

背景技术

现有技术的底部铰接式水控闸门包括：由上方的液压缸操作的闸门、由下方的液压缸操作的闸门、由延伸到支墩或墩台中的扭矩管操作的闸门、架空升降操作的闸门以及气动的底部铰接式闸门。

充气操作的水控闸门是众所周知的。现有技术包括欧伯梅尔等人的US4,780,024；亨利K·欧伯梅尔的5,092,707；亨利K·欧伯梅尔的5,538,360；亨利K·欧伯梅尔的5,642,963；亨利K·欧伯梅尔的5,709,502；欧伯梅尔等人的5,713,699。这种充气操作的水控闸门通常包括可充气气囊，用于与钢筋弹性铰链联合起来致动，以沿着闸门板的下边缘可枢转地固定每个闸门板。应当注意，前面的描述针对的是典型的闸门。其他示例例如可以位于封闭的管道内并且安装在倒置位置，其中，铰链在顶部，以便能够排出砂子，而不用控制砂子对铰链机构的阻碍。

根据上述现有技术的充气操作闸门需要锚固螺栓在围绕这些锚固螺栓的混凝土承受相应的水平载荷时，不仅承载垂直拉伸载荷，而且承载水平上游-下游方向上的剪切和弯曲载荷。

发明内容

本发明涉及一种改进的可充气气囊和折页片夹持和保持装置。

通常对于受重力载荷的结构来说，水控闸门中的应力与闸门高度成比例地增加，如果闸门的上述比例仅随高度变化的话。由于锚固螺栓与高度成比例以保持应力水平恒定，所以作为闸门系统的高度从3米增加到8米的结果，导致了较大的“直径对间距”比例，该比例例如导致重的大直径锚固螺栓、螺母和垫圈以及重磅夹持铸件。闸门系统的可长期服务性要求防止腐蚀。使用不锈钢锚固螺栓以及相关的螺母和垫圈的成本随着筑坝高度而增加。根据本发明，这些成本可以通过将锚固螺栓与水平载荷隔离而减少，使得不需要确定这些锚固螺栓尺寸来抵抗弯曲、以及在夹持铸件的枢转边缘与上游嵌件内的相应枢转表面之间的界面处传递夹持铸件和混凝土地基之间的水平载荷。根据本发明，通过为锚固螺栓-螺母-垫圈组件提供防腐蚀保护，可以进一步减少较高的闸门系统的附加成本，从而可以确保长的使用寿命，而不依赖于不锈钢的使用。对于中等规模的水控闸门(高达约3米)，可以适用类似配置。通常可以通过具有足够直径的锚固螺栓抵抗水平载荷来抵抗所产生的弯矩。在具有较高筑坝高度(例如，5至10米高)的水控闸门的情况下，提供具有足够直径的锚固螺栓是更困难和昂贵的，因此希望为通常主要是上游载荷以及偶尔是下游载荷的载荷提供与锚固螺栓分离的载荷路径。为水平载荷提供单独的载荷路径不仅消除了锚固螺栓中的不期望的弯矩，而且还有助于在锚固螺栓周围使用柔性或可压缩套筒，否则这些柔性或可压缩套筒可能不能承受所产生的横向压缩载荷。为水平载荷提供单独路径的另一个好处是，邻近空气气囊的对接端和折页片楔子组件的、相对薄的混凝土更不可能破裂。不设置用于锚固螺栓的套筒时，该混凝土的薄部分通常由于锚固螺栓在竖直方向上的弹性伸长而承受拉张应力。在没有单独的水平载荷路径的情况下，混凝土的该部分可能承受拉伸载荷，该拉伸载荷导致混凝土的该部分响应于下游方向上对闸门板的冲击载荷而破裂和剥落。上游/下游约束和具有套筒的锚固螺栓的独特组合大大降低了气囊和折页片楔子上游混凝土失效的可能性。可以通过例如优选为不锈钢结构的嵌入板或通道进一步防止该区域中的混凝土破裂或失效。所述嵌入板或通道可以有助于在混凝土浇注期间使各个锚固螺栓对齐，并且该嵌入板或通道优选地设置有孔以允许空气和水在混凝土浇注期间逸出、并且有利于根据需要添加混凝土以消除所述嵌入板或通道下方的任何空隙。

围绕锚固螺栓提供套筒还用于使通常在锚固螺栓附近的地基板中的拉伸应力最小化。当水平拉伸载荷由较高模量钢筋加以承担时，通过在混凝土中提供垂直压缩应力，可以在混凝土中建立三轴压缩应力状态。在混凝土中产生的三轴应力状态产生更好结构的地基，同时使裂纹最小化，以保护钢筋免受腐蚀。

在高闸门系统的情况下，高强度不锈钢锚固螺栓的成本可能高得无法接受。根据本发明，促进了对高强度热处理的合金钢锚固螺栓的使用，因为这种非不锈钢锚固螺栓可以容易地防止被腐蚀。

根据本发明的优选实施例，夹持铸件沿其上游边缘设置有枢转约束，以便在初始紧固期间和在使用时限制沿上游-下游轴线的水平移动。所述枢转约束为因例如岩石、冰或碎片撞击闸门板下部的肋而产生的水平载荷提供了载荷路径。根据本发明的另一方面，在闸门系统的组装期间夹持铸件的枢转运动范围足够大，以允许橡胶部件从松弛的放置在溢洪道上的状态被压缩到完全组装的紧固状态，这消除了对诸如液压挖掘机铲斗的其他设备的需求、或者消除了由诸如液压挖掘机铲斗的其他设备对组件进行的压缩。这种运动范围需要夹持铸件中的额外的间隙，以在夹持铸件向下枢转时不会碰到锚固螺栓，并且还需要在夹持铸件的上表面的上游边缘与地基之间的足够的间隙，以在夹持铸件最初放置在上游嵌件和未压缩橡胶组件上时不引起干扰。

根据本发明的另一方面，在夹持铸件的上游边缘[这需要具有成角度边缘的新夹持铸件设计吗？如果是，应该充分描述和声明该设计。看起来在图2-4中，前缘是直上直下的，你应该解释该夹持铸件所需的角度]和邻接的嵌件表面[这需要更充分地描述，因为它似乎是本发明的关键]之间可以设置楔形间隙，以便在夹持铸件安装期间，在紧固锚固螺栓之前允许夹持铸件的枢转边缘抵靠在地基中的枢转嵌件上。优选地，根据本发明的另一方面，围绕锚固螺栓的夹持铸件中的孔设计为在夹持铸件的一系列位置中在夹持铸件和螺栓之间提供间隙，这些位置包括在未压缩的和未变形的空气气囊和铰链顶上的初始倾斜位置以及安装好且完全紧固的夹持铸件的在用位置。我认为应该有一个附图显示所描述的最小和最大间隙和间隙余量(即它是“1”，“2”等)以及夹持铸件在其就位时的运动]。另外，在图7中，你示出使用液压扳手来安置螺栓而不是铲斗。这种使用应该更全面地解释。

根据本发明的另一方面，考虑到橡胶的压缩变形和蠕变，夹持铸件和锚固螺栓之间的间隙[多少]以及夹持铸件和地基之间的间隙，允许夹持铸件在橡胶部件的整个寿命期间周期性重新紧固。

根据本发明的另一方面，诸如硅树脂室温硫化硅橡胶(RTV)填隙物的填充物可用于阻挡砂子和砾石进入所述楔形间隙[如果为了维护等操作而移除夹持铸件时，这种设计是为了被移除然后再被放回来吗？解释]。

围绕锚固螺栓提供套筒还用于使通常在锚固螺栓附近的地基板中的拉伸应力最小化。当水平拉伸载荷由较高模量钢筋加以承担时，通过在混凝土中提供垂直压缩应力，可以在混凝土中建立三轴压缩应力状态。进一步解释。在混凝土中产生的三轴应力状态产生更好结构的地基，同时使裂纹最小化，以保护钢筋免受腐蚀。

在高闸门系统的情况下，高强度不锈钢锚固螺栓的成本可能高得无法接受。根据本发明，促进了对高强度热处理的合金钢锚固螺栓的使用，因为这种非不锈钢锚固螺栓可以容易地防止被腐蚀。根据本发明的防腐蚀装置可以包括以下元件中的一个或多个：

1)夹持铸件锚固螺栓孔盖。这种盖例如可以是刚性的并且用螺栓固定就位。或者，橡胶塞形式的盖可以通过在夹持铸件锚固螺栓孔的内顶部处的唇部保持在每个夹持铸件锚固螺栓孔中。在橡胶塞的情况下，可以在较大塞子内提供较小塞子，以便于在较大塞子的插入期间释放空气，并且便于用如下所述的水和氧的取代物质填充夹持铸件内的空腔。

2)位于夹持铸件和地基之间的每个锚固螺栓周围的可压缩密封件。该可压缩密封件优选地构造为同时密封抵靠：a)锚固螺栓(或其套筒)，b)地基，以及c)夹持铸件。

3)水和氧的取代物质，例如油脂、石蜡或蜂蜡，其基本上填充夹持铸件内的围绕每个锚固螺栓及其螺母和垫圈组件的空间。

4)围绕锚固螺栓的不可渗透和抗裂的密封表面，所述可压缩密封件可抵靠住所述密封表面。

附图说明

图1是根据现有技术的水控闸门的锚固螺栓和夹持组件部分的剖视图。

图2是根据现有技术的水控闸门的另一锚固螺栓和夹持组件部分在安装期间的剖视图。

图3是示出了安装有夹持铸件的、根据图2的现有技术的水控闸门组件的锚固螺栓和夹持组件部分的剖视图。

图4是示出了受到石头对闸门板肋冲击影响的现有技术的水控闸门的锚固螺栓和夹持组件的剖视图。

图5是根据本发明的水控闸门的剖视图。

图6是图5的水控闸门的平面图。

图7是示出了根据本发明的水控闸门的夹持组件在安装期间的剖视图。

图8是示出了根据本发明的水控闸门的夹持组件安装后的剖视图。

图9是在图8的组件安装之后的视图。

图10是示出了各地基载荷之间的关系的等距视图。

具体实施方式

参见图1，现有技术示出可能需要在夹持铸件19上从外部施加的向下的力——例如来自液压挖掘机铲斗18的力——对折页片6和空气气囊7进行压紧。应当注意，术语“夹持铸件”在本文中用于描述夹具，这些夹具虽然通常是铸造件，但也可以通过例如锻造、火焰切割或增材制造来制造。

参见图2，现有技术示出可能需要诸如来自液压挖掘机铲斗18的外力来使非枢转夹具19抵靠住折页片6和空气气囊7。

参见图3，现有技术的夹具19示出为处于抵靠住折页片6和空气气囊7的安装位置。一旦安装完成，在溢流道(地基)15中的上游嵌件12就对夹持铸件19提供水平约束。闸门板28被示出为通过铰链保持器11和螺栓12附接到折页片6上。

参见图4，现有技术的夹具1响应于巨石17对闸门板28的冲击而向下游移动，导致锚固螺栓4弯曲并且在地基15中引起裂纹30和31。

参见图5，示出了根据本发明的水控闸门系统的剖视图。夹持铸件1使折页片6和空气气囊7固定就位。夹持铸件1又通过锚固螺栓4结合螺母2、球形垫圈3、下螺母23、锁紧螺母21和锚固板22在垂直位置上固定就位。夹持铸件1通过上游嵌件41在水平位置上固定就位。夹持铸件1和上游嵌件41的配合柱面在组装过程中用作铰链，并且在安装之后用于水平地约束夹持铸件1。空气连接件29用于控制气囊7中的空气体积和压力。应当注意，术语“空气气囊”在本文中用于描述用于控制闸门板28的可充气致动器。空气气囊7还可以用例如水、耐冻溶液或氮气使其膨胀。

参见图6，示出了图5的水控闸门系统在下部位置的平面图。夹持铸件1将折页片6固定在溢流道15上。闸门板28由折页片6固定，折页片6又由夹持铸件1固定。

参见图7，示出了根据本发明的夹持组件在安装过程中的剖视图。夹持铸件1搁置在上游嵌件41和折页片6上。通过液压扭矩扳手26，使承窝27与和球形垫圈3配合的球形螺母2接合，以使夹持铸件1紧密地抵靠住折页片6。夹持铸件1中的空腔5被成形为在安装期间在其运动范围内不会碰到锚固螺栓4。以这种方式，锚固螺栓4不被损坏，并且锚固螺栓嵌件9附近的混凝土不被破坏。折页片6抵靠住空气气囊7，空气气囊7又抵靠住楔嵌件16。

参见图7，示出了安装后的图7的夹持组件。螺母3紧靠球形垫圈3，而球形垫圈3将夹持铸件1紧紧地保持在折页片6和空气气囊7之上。锚固螺栓4通过锚固板22向混凝土施加向上的力。角形间隙37可以填充有硅树脂填隙物，例如用于防止沙子和岩石进入。

参见图9，组装所需的角形间隙37通过使嵌件逐渐变化而不是使夹持铸件1逐渐变化来提供。在其它方面，组件与图7所示的相同。

参见图10，示出锚固螺栓4、枢转嵌件41和楔嵌件16上的垂直力37、锚固板22上的垂直力38、上游/下游钢筋张力34、上游/下游混凝土压缩力35、横向钢筋张力32、横向混凝土压缩力33之间的几何关系。钢筋和锚固螺栓的约束使锚固螺栓4附近的混凝土处在通常所说的三轴压力中，并且因此响应于剪切载荷而抑制破裂。应当注意，标准化建造实践将提供横向于和平行于流动和溢流道轴线的钢筋。这种钢筋的使用是隐含的，虽然为了避免杂乱而在附图中未示出。

参见图5、6、7、8a和8b，夹持铸件1通过夹持枢转嵌件41沿着上游/下游轴线25(图6)确定地定位。夹持铸件1响应于球形螺母3的调节而在夹持枢转嵌件41中自由枢转。球形螺母3使在锚固螺栓4和夹持铸件1之间传递的任何弯矩最小化。夹持铸件的锚固螺栓孔5在锚固螺栓4的上游和下游具有足够的间隙，如图7所示，以允许夹持铸件1被初始定位在折页片6和空气气囊7之上，同时通过夹持枢转嵌件2保持对准和定位，而不接触、刮擦或损坏锚固螺栓4的顶部螺纹34。在夹持铸件1与嵌件2的邻接边缘之间的间隙22允许夹持铸件1不受干扰地向上枢转。可压缩密封件8被压缩抵靠住夹持铸件1、锚固螺栓上部垫片9和锚固螺栓套筒10，从而使水和氧气保持在锚固螺栓套筒10和夹持铸件1之间的间隙5之外，并且使水和氧气远离锚固螺栓4的上部无套筒部分。橡胶帽11与橡胶塞12一起防止水通过夹持铸件1的顶部进入。夹持铸件1和锚固螺栓4之间的空间可以填充防腐蚀材料，例如油脂或石蜡。可选的间隙填充物29例如可以是硅树脂填隙物，其用于防止砂子、砾石和岩石落入夹持铸件1的上游边缘和夹持枢转嵌件2之间。可以根据需要更换间隙填充物。锚固螺栓套筒10可以是聚氯乙烯(PVC)塑料管、围绕管缠绕的橡胶带、或者要么是剪切顺应性要么是不与混凝土结合的其他材料。

从前述可以容易地理解，本发明的基本概念可以以各种方式实施。它涉及水控闸门或其他装置来实现适当的方法。在本申请中，通过所描述的各种装置所实现的结果的一部分、以及作为使用的固有步骤，公开了可充气致动方法。它们仅仅是使用如预期和描述的装置的自然结果。此外，虽然公开了一些装置，但是应当理解，这些装置不仅完成特定方法，而且可以以多种方式变化。重要的是，对于所有前述内容，所有这些方面应当被理解为包括在本公开中。

包括在本申请中的讨论旨在用作基本描述。读者应该意识到，具体的讨论可能没有明确地描述所有可能的实施例；许多替代方案是隐含的。也可能没有完全解释本发明的一般性质，并且可能没有明确地示出每个特征或元件实际上如何代表更广泛的功能或代表各种各样的替代或等同元件。再一次，这些替代方案被隐含地包括在本公开中。当用以设备为主的术语描述本发明时，设备的每个元件隐含地执行功能。对于所描述的装置，不仅可以包括装置权利要求，而且可以包括方法或过程权利要求，以解决本发明和每个元件所执行的功能。这些描述和术语都不旨在限制包括在本专利申请中的权利要求的范围。

Claims (35)

1.枢转夹具权利要求

一种水控闸门夹持系统，包括：

地基，

水控闸门夹持铸件，

夹持枢转嵌件，

锚固螺栓和螺母组件，

锚固螺栓套筒；和

阻水系统。

2.根据权利要求1所述的水控闸门夹持系统，其中，所述水控闸门夹持铸件还包括具有上游端和下游端的水控闸门夹持铸件。

3.根据权利要求2所述的水控闸门夹持系统，其中，所述水控闸门夹持铸件还包括具有螺栓孔的水控闸门夹持铸件。

4.根据权利要求1所述的水控闸门夹持系统，还包括通过夹持枢转嵌件沿着上游/下游轴线确定定位的水控闸门夹持铸件。

5.根据权利要求1所述的水控闸门夹持系统，其中，所述夹持铸件通过锚固螺栓和螺母组件附接到所述地基。

6.根据权利要求3所述的水控闸门夹持系统，其中，所述夹持铸件的螺栓孔在所述锚固螺栓和所述夹持铸件的螺栓孔之间具有足够的空隙以使用最小锚固螺母对橡胶密封件进行压缩，而不会在组装期间导致所述锚固螺栓和所述夹持铸件之间的损坏接触。

7.根据权利要求6所述的水控闸门夹持系统，其中，所述螺栓孔的间隙形成螺栓孔腔，并且其中，所述腔容纳所述锚固螺栓组件的无套筒部分。

8.根据权利要求1所述的水控闸门夹持系统，其中，所述锚固螺栓在地基内的部分由锚固螺栓套筒包围。

9.根据权利要求8所述的水控闸门夹持系统，其中，所述锚固螺栓套筒包括聚合物锚固螺栓套筒。

10.根据权利要求1所述的水控闸门夹持系统，其中，所述锚固螺栓和螺母组件包括由高强度热处理合金钢制成的锚固螺栓组件。

11.根据权利要求2所述的水控闸门夹持系统，其中，所述夹持枢转嵌件和所述夹持铸件的上游端提供楔形间隙。

12.根据权利要求11所述的水控闸门夹持系统，其中，所述楔形间隙允许所述夹持铸件的上游端被设置到所述夹持枢转嵌件中，并且还允许所述夹持铸件的下游端被枢转地放置在所述锚固螺栓上，并且其中，所述夹持铸件通过螺母和垫圈组合固定就位。

13.根据权利要求1所述的水控闸门夹持系统，其中，所述锚固螺栓和螺母组件还包括：

锚固螺栓，

球形螺母，和

至少一个垫圈。

14.根据权利要求1所述的水控闸门夹持系统，还包括阻水系统。

15.根据权利要求14所述的水控闸门夹持系统，其中，所述阻水系统包括：

夹持铸件锚固螺栓孔盖；

可压缩橡胶密封件；

锚固螺栓上部垫片；和

水和氧的取代物质。

16.根据权利要求15所述的水控闸门夹持系统，其中，所述锚固螺栓上部垫片水平和垂直地嵌入到围绕所述锚固螺栓和锚固螺栓套筒的地基中。

17.根据权利要求16所述的水控闸门夹持系统，其中，所述锚固螺栓上部垫片的垂直嵌入部分向下延伸到所述地基足够长度，以便使所述地基上围绕所述锚固螺栓的应力最小化。

18.根据权利要求17所述的水控闸门夹持系统，其中，所述可压缩橡胶密封件定位在所述锚固螺栓上部垫片的水平部分的顶部并且包围所述锚固螺栓的密封件的一部分。

19.根据权利要求17所述的水控闸门夹持系统，其中，所述可压缩橡胶密封件成形为使得上端可滑动地定位在所述夹持铸件的锚固螺栓孔中。

20.根据权利要求19所述的水控闸门夹持系统，其中，所述可滑动地定位的可压缩橡胶密封件阻挡水进入所述锚固螺栓的未密封部分。

21.根据权利要求19所述的水控闸门夹持系统，其中，螺栓孔腔的上部由螺栓孔盖封闭。

22.根据权利要求19所述的水控闸门夹持系统，其中，所述螺栓孔盖包括刚性螺栓孔盖。

23.根据权利要求22所述的水控闸门夹持系统，其中，所述螺栓的刚性螺栓孔盖使用至少一个螺栓而螺栓连接到所述夹持铸件。

24.根据权利要求19所述的水控闸门夹持系统，其中，所述螺栓孔盖还包括橡胶塞。

25.根据权利要求24所述的水控闸门夹持系统，其中，所述橡胶塞可通过在夹持铸件锚固螺栓孔的内顶部处的唇部保持在每个夹持铸件锚固螺栓孔中。

26.根据权利要求24所述的水控闸门夹持系统，其中，所述橡胶塞还包括在较大塞子内的较小塞子，其中，所述较小塞子的移除有助于在较大塞子插入所述螺栓孔期间释放空气。

27.根据权利要求24所述的水控闸门夹持系统，其中，所述橡胶塞还包括在较大塞子内的较小塞子，其中，所述较小塞子的移除有助于在将水和氧的取代物质插入所述螺栓孔腔期间释放空气。

28.根据权利要求27所述的水控闸门夹持系统，其中，所述水和氧的取代物质包括至少来自油脂、石蜡或蜂蜡的组中的物质。

29.根据权利要求13所述的水控闸门夹持系统，其中，所述楔形间隙可以填充有间隙填充物。

30.根据权利要求13所述的水控闸门夹持系统，其中，所述间隙填充物包括取自硅树脂室温硫化硅橡胶RTV填缝料的组中的填充物。

31.一种水控闸门，包括在其上游边缘附近可枢转地被支撑的夹持装置。

32.根据权利要求31所述的装置，还包括设有套筒的锚固螺栓。

33.根据权利要求32所述的装置，还包括阻挡水进入锚固螺栓螺母组件的密封装置。

34.根据权利要求31所述的装置，还包括锚固螺栓和夹持铸件孔之间的足够的间隙，以允许使用最小锚固螺母压缩橡胶元件，而不会在组装期间导致锚固螺栓和夹持铸件之间的损坏接触。

35.一种水控闸门橡胶楔形夹持装置，所述装置通过设有套筒的锚固螺栓固定。