大跨度平面立軸式弧形鋼閘門設計應用

黃有琴

大跨度平面立軸式弧形鋼閘門設計應用

黃有琴

一、概述

十五里河位于安徽省合肥市濱湖新區巢湖入口一開敞式河道，是環巢湖四期十五里河干支流小流域治理工程一項重要的水利工程，既有抗洪防汛功能，也肩負著調節保持十五河水位的重任，枯水期閘門關閉為十五里河蓄水，汛期則開閘行洪，同時對調節十五里河水質也具有積極作用。

按照城市防洪要求，在該河道建設一閘站，由于該河道較寬，傳統的節制閘閘門需設多孔，且需由啟閉機控制，從而設專門的啟閉機房，難以與該工程的周邊環境和城市建筑風格相協調。閘門設計水頭較高，不宜采用目前比較流行的鋼壩閘方案，長期擋水難以解決底部淤積問題，且成本較高。因此，該工程選用一種比較新型的閘門—對開式弧形閘門，閘門的結構和運行方式既能滿足防洪排澇要求，又能滿足城市景觀效果的要求，同時擴寬了閘門設計思路。

圖1 平面立軸式弧形鋼閘門布置圖

表1 十五里河河口閘站樞紐節制閘設計條件表

二、平面立軸弧形鋼閘門設計應用

1.閘門的結構布置

平面立軸弧形鋼閘門門葉上部為空間箱體結構，閘門關閉時，結構呈拱形鉸支承，作用在門體上的水壓力由門葉、支臂架承擔并指向鉸心。閘門門體根據防洪水位組合驗算，結構強度、剛度，穩定性條件滿足設計規范要求。為防止閘門在風浪等不均勻側向作用下可能發生的漂移，當閘門關閉時，應對閘門中縫頂部設鎖定機構進行限制，從而實現節制閘門運行功能要求。

閘門布置如圖1所示，主要由左右兩扇弧形門體結構組成，支鉸中心設在兩側，并設有門庫。支鉸通過支臂與門體相連，閘門可繞支鉸中心旋轉，從而實現擋水和泄流要求。

2.閘門的結構設計

根據十五里河防洪排澇工程布局及特征水位分析，十五里河河口閘站樞紐工程節制閘門設計條件見表1。閘門根據規劃和水位條件進行設計，從而實現節制閘的功能要求。

十五里河河道寬度45m，底檻6.0m，設平面立軸弧形鋼閘門，閘門曲率半徑為30m，門體厚度2.5m，門高8.3m，滿足規劃設計條件。門體左右兩扇對稱布置。考慮景觀要求，門葉面板設在內河側，左右支鉸間距48.6m，設在外河側，閘門雙向擋水。平時蓄水，閘門關閉，泄流時閘門左右對開，門體旋轉到門庫內，河道暢通，實現泄流要求。河道兩側沿水流方向在閘室側設有檢修擋墻，并配有檢修閘門，滿足閘門在門庫中進行檢修的條件。

當閘門開啟泄流時，水頭差較大，下游出水對河道有較大沖擊作用。同時閘門可能出現振動，作為景觀建筑是不允許的。考慮到可能出現這樣的情況，因此在左、右門體下部設置調節閘門進行控制，解決小流量過流問題，既滿足了消能防沖過流的要求，又避免了下游河道水流沖擊問題，從而避過了閘門可能振動的工況。在水位差較小、過大流量時，開啟大閘門達到預期的過流要求。

門葉結構設置上、下兩層結構型式。上層中間為浮箱結構，單扇門葉下部擋水部分各設置6扇調節閘門，調節閘門的凈孔口尺寸為1.5m×1.6m，上部為門葉為浮箱式結構，可以利用浮箱在水中自身產生浮力，減輕門體對底檻產生的壓力，從而減輕閘門運行過程中底滾輪和底檻的之間的摩阻力，同時作為調節閘門的啟閉機室。

閘門的支臂采用3根鋼管組成的鋼架構件，單扇門葉共兩道支臂，張角34°兩根主支臂之間設一道格構件連桿，以提高支臂的整體剛度和穩定性。支臂鋼管與面板間采用焊接連接，主支臂鋼管直接伸入到門體中間，保證門體運行時的結構強度，單扇門葉兩道支臂合并后通過支臂連接端部結構和支鉸鉸鏈連接，從而和門葉形成整體的主框架結構。

在閘門關閉時，左右門體的頂部均設置機械鎖定結構，避免在閘門關閉擋水時門體由于風浪等原因發生飄移而開啟。鎖定機構和啟閉機進行電氣聯鎖，在鎖定未解除之間，啟閉機不能運作。

門葉的頂部采用蓋板進行密封，考慮到以后調節閘門啟閉機及艙室內的檢查巡視等，在蓋板上設置的活動水密艙口蓋，并設置了上下鋼質直梯，方便工作人員及部分設備的進出，同時在門葉甲板上設有欄桿扶手等附件。

圖2 支鉸結構圖

圖3 止水結構圖

3.支鉸的設計

支鉸安裝于下游側河道兩側岸邊的閘墩預埋件上，為水平放置，如圖2所示。根據支鉸的受力結構，在支鉸支墩埋件上增加一剛性可拆卸調整式支承結構，確保支鉸在垂直方向的受力結構合理。

支鉸由支鉸座和鉸鏈組成，軸承采用自潤滑球關節軸承，能夠在垂直平面內上下偏擺±2°，適應閘門在垂直平面內的上下偏擺需要。支鉸鉸鏈和支臂端部結構通過螺栓和門體連接成整體結構。

4.閘門止水的設計

閘門的止水結構見圖3。閘門側止水采用新型的插拔式止水結構，止水安裝在門體面板上的止水座、止水支撐架、止水座埋件等構件組成。當閘門擋水時，由止水座底部的彈簧鋼板彈力將止水支撐架將止水橡皮與止水支撐架及側止水座埋件基面緊密結合，達到止水的密封效果。當止水需要更換時，從門頂將止水支撐架抽出，更換橡皮等。

該閘門的底止水采用雙面L型橡皮，在門葉面板底部呈八字型布置，主要是確保上下游雙向擋水。考慮到閘門合攏擋水要求，中縫止水采用止水橡皮和尼龍進行封水，滿足閘門動態止水要求，底止水與側止水拐角處及中縫止水均采用連接在門體底部的方型橡皮進行過渡。

5.閘門底支承和運行方式設計

閘門底支承考慮了兩種結構方式：滑塊及偏心滾輪。如采用滑塊支承，則滑塊要分段加工成圓弧形，加工成本比較高，滑塊材料也要選用價格較貴的高性能材料，相應啟閉機容量較大。綜合比較，采用偏心滾輪，轉動閘門時滾動的運行方式更靈活，摩擦系數最小，可以最大限度地減小啟閉機容量。

閘門的啟閉方式可采用液壓馬達齒輪齒圈驅動，考慮到該驅動設備要安裝在門頂甲板，設備制作精度較高，位置固定，影響美觀，故閘門啟閉采用直拉式雙向卷揚啟閉機。該啟閉機結合管理房位置布置在河道的兩側，通過固定在閘門上門葉面板和啟閉機滾筒上的鋼絲繩，并利用土建基礎安裝的轉向滑輪形成一個整體運轉結構，以不同的方向運轉滿足的啟閉，確保閘門的安全運行，降低了成本，且不影響景觀。

6.調節閘門的設計

調節門型為實腹式平面滑動鋼閘門，止水采用工程塑料合金剛性止水型式，兼作支承，實現長時間免維護功能。均由液壓啟閉機控制操作運行。為了保證閘門在運行過程中的限位及支承止水密封效果，在閘門設雙支承結構型式，利用軌道的垂直面及傾斜面配合閘門楔形滑塊在閘門啟閉過程中自動調整閘門和軌道的間隙，達到閘門的限位和封水效果。

考慮啟閉設備在浮箱內，安裝空間緊湊，調節閘門的啟閉機選用液壓式啟閉機，滿足閘門啟閉及設備布置要求。

7.其他

為了保證閘門的結構強度等要求，對閘門的各種控制運行工況進行三維有限元分析計算，優化結構和板梁布置。同時在閘門的門體上設置永久性監測點，通過自動化系統實時監測閘門運行情況并對監測數據進行分析，確保閘門可靠安全運行。

三、結語

平面立軸弧形鋼閘門是結合城市景觀要求而設計一種較新型的閘門結構形式。同時采用新型直拉式卷揚啟閉機來實現閘門的轉動，突破了傳統的閘門結構設計思路和閘門運行方式。閘門結構設計合理新穎，運行可靠，對大跨度孔口閘門設計有一定的參考價值■

（作者單位：安徽省水利水電勘測設計院 230088）