頂升式平板鋼閘門在市政水務工程中的應用

孫 琳

(廣東省水利電力勘測設計研究院，廣州 510635)

1 概 況

本工程建設范圍西起廣州南沙靈山島尖南岸京珠高速路，東至上橫瀝大橋與靈山島尖南段海岸及濱海景觀帶建設工程相連接，總長596 m。工程建設內容主要包括按200年一遇洪水標準對現狀堤防進行達標加固，新建竹湖南節制閘1座。水閘主要任務為平時關閉閘門維持堤內景觀水位并抵擋外江潮水；當內河水位發生內澇時，開啟閘門。水閘閘室凈寬12 m，閘內最高常水位5.3 m，底坎高程為2.5 m，閘外擋潮水位7.93 m。

閘門平時關閉擋水，保持涌內4.7～5.3 m的景觀水位，當內涌水位高于5.3 m并高于外江水位時，開閘排水。當外江發生洪潮時，閘門關閉擋水，最高擋水水位為7.93 m。水閘平面布置圖見圖1。

圖1 水閘平面布置圖

2 方案比選

作為廣州市南沙區堤防工程的一部分，竹湖南水閘應具有排澇、引水改善水環境、擋潮等綜合功能。除此之外，還需根據景觀方案的布置，保證景觀方案的順利實施，避免水閘結構布置對景觀效果產生不利影響。本工程的閘門與啟閉機型式均遵循景觀的要求，避免傳統閘門布置中閘墩上屹立的啟閉機排架，同時滿足防潮排內澇的要求。因為平板閘門具有結構簡單、易于制造和安裝、工程造價相對較低、建筑物順水流方向的尺寸較小等特點，所以本次設計推薦選用平面鋼閘門為水閘的工作閘門。根據閘門移動方式的不同，對頂升式平板門、翻板閘門和橫拉式平板閘門進行比較分析，最后選出符合本工程要求的閘門與啟閉機。

2.1 翻板閘門

翻板閘門比較常見的包括水力自控翻板閘和液壓翻板閘。水力自控翻板閘門是利用水力和閘門重量力矩及轉動摩阻力距之間平衡的原理，隨上下游水位變化自動啟閉的自控閘門[1]。閘門布置上具有不需要人為控制，不需要啟閉設備及相應排架，完全由水力大小自動控制啟閉的特點。但是結構制造復雜，需要增加閘墩長度和高度；存在頻繁擺動、“拍打”等不穩定現象，且不能按景觀要求精確控制水位，操控不靈活。

液壓翻板閘是在水力自動翻板閘門基礎上，增設了液壓啟閉機系統來控制閘門的啟閉。結構與水力自動翻板閘類似，啟閉形式較靈活，可根據需要控制閘門的開度。但是閘門液壓缸容易受到水流沖擊及垃圾纏繞，不利于啟閉的安全。

2.2 橫拉閘門

橫拉閘門是沿水平軌道左右移動門葉來啟閉閘孔的閘門。當閘門開啟時，門葉將全部移入門庫；當閘門關閉時，與埋件的支座相連，以承受水壓力。該門型地面無建筑物，與周邊環境易于協調。橫拉式平板閘門需要預留門庫，占地面積大；門庫和門坑易受泥沙淤積的影響；只能靜水中操作運行，不適用于本工程動水啟門的工況。

2.3 頂升式閘[2]

頂升式鋼閘門選用的門型為平板閘門，垂直啟閉，結構布置簡潔。運行上具有平板閘門的優點，閘門啟閉不易受淤泥的影響，檢修維護方便；平時液壓桿在閘門關閉時隱匿閘墩中，只有在起門時才伸出閘墩，無跨河建筑物，視覺通透性較好，滿足景觀要求。

綜合比較上述各種閘型及其啟閉機的布置特點，選用頂升式平板鋼閘門為水閘的工作閘門。其布置結構型式見圖2。

圖2 閘門布置圖

3 閘門的運行特點

閘門處于關閉狀態時，門葉直立在門槽中，實現抵御外江洪潮和維持景觀水位功能；閘門打開時，由液壓缸把門葉頂升至閘孔以上，實現排內澇的功能。工作閘門在全開位置時門底高程5.5 m，門頂高程8.5 m，不超出閘頂程9.0 m。該布置方式巧妙實現閘門啟閉隱匿于路橋之下，排水位之上，不容易受水流沖擊，不需要設置啟閉機室，不影響周邊景觀觀海效果。除此之外，閘門可小開度沖淤，運行管理方便。見圖3。

圖3 閘門全開全關示意圖

4 閘門設計

4.1 閘門門葉布置

閘門門葉結構按擋設潮水位7.93 m設計，底檻高程為2.5 m，潛孔式布置，胸墻底高程為5.50 m，則閘門門葉尺寸為12 m×3.0 m(寬×高)。

閘門為潛孔式平面滑動鋼閘門，門體結構類型參照平面閘門的門葉結構，面板布置在內江側，在面板后設置三主橫梁、次橫梁、縱梁以及邊梁的結構型式。主橫梁梁格按等荷載布置，采用實腹式工字鋼截面焊接結構；次橫梁布置在閘門頂部和底部，型式采用槽鋼；縱梁截面采用T型焊接結構；邊梁同樣采用實腹式焊接工字鋼結構。所有的主橫梁、次橫梁以及邊梁采用同層布置。閘門兩側設啟閉機連接裝置，截面型式為焊接雙腹板工字鋼截面，由面板、邊梁后翼緣及之間的連接板、加強板組成。閘門的吊點中心距為13.46 m。

為保證滿足工程有擋潮及維持景觀水位的要求，在閘門的內外江兩側均布單p頭截面型的橡膠水封，以實現雙向擋水要求。當需要擋外江洪潮時，閘門內江側水封壓向止水座板，實現擋水；當需要維持景觀水位時，閘門外江側水封壓向止水座板實現擋水。底水封采用常規的刀型橡膠水封。止水螺栓均采用不銹鋼螺栓，便于更換。正反向支撐采用自潤滑滑塊。閘門支承中心距為12.6 m，側止水中心距為12.18 m。閘門檢修吊耳結構布置在閘門門頂上主橫梁腹板上，吊點中心距為12.19 m。門葉結構采用Q235B。門葉結構布置見圖4。

圖4 門葉結構圖

4.2 閘門結構設計

該閘門主要用于維持景觀水位并抵御外江潮水，考慮到檢修期間遭遇潮水，底檻高度為2.5 m，外江擋潮水位7.93 m。設計擋水水位差5.43 m(外江擋洪水位7.93-底檻高程2.5 m)。面板厚度按下式計算：

根據計算結果并考慮銹蝕厚度，選定面板厚度為12(mm)。采用近似取相鄰間距和之半法分別計算梁的荷載，最底部的3#主梁受力最大，考慮動荷載系數，為74.55 kN/m。荷載作用下最大彎矩為1 477.8 kN/m，最大剪力為454.01 kN。因此，選取主梁截面高度為1.2 m、前后翼緣為0.3 m、板厚16 mm的焊接工字鋼結構。計算得出，前后翼緣正應力、主梁剪應力均在材料許用應力的標準范圍內，且主梁腹板高度與厚度之比h0/δ=1 200/16=75小于80，滿足穩定性要求，可以不配置肋板。

4.3 閘門啟閉力設計

設計啟閉水位：島內水位(島內最高水位6.30 m)高于外江水位，且內外水頭差不大于6.3-4.7=1.6 m時。頂止水承受的水柱Ws=4.95 kN，閘門重量G=159 kN，滑動支撐摩阻力Tzd=106 kN, 止水摩阻力Tzs=34.5 kN，根據啟閉力計算公式：

閉門力：Fw=1.2×(TZd+TZS)-G-Ws=4.65 kN

啟門力：Fq=1.2×(TZd+TZS)+G+Ws=332.55 kN

需加重15 kN混凝土加重塊使閘門能自重下閘，選用混凝土加重塊尺寸1 m×1 m×0.1 m(長×寬×高)，一共6塊，布置在主梁腹板上。

5 結 語

本文綜合分析了較為常見的無上部排架結構的平面閘的型式和特點，結合工程防洪、防潮、排內澇及景觀等要求，根據景觀方案的布置，保證景觀方案的順利實施，避免水閘結構布置對景觀效果產生不利影響。水閘的門型選擇閘門采用頂升式潛孔鋼板閘。該門型成熟可靠，檢修維護簡單，閉門可以實現擋潮及維持內涌景觀水位功能；閘門全開狀態時，可以實現排內澇功能。在水閘運行過程中，閘門不露出地面。這種布置方式能有效滿足水利功能、景觀及美學等要求，做到 “無痕有為”。