增加弧形鋼閘門高度的方案設計初探

王 波

(黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080)

1 綜 述

目前，現狀防洪堤防上存在一定數量的水閘工程，隨著社會經濟的快速發展，現在汛期的防汛任務越來越重，要求越來越高，一但出現超標準洪水，應采取一定的預防和應急搶險措施，盡而解決超標準洪水位下的防洪安全，如筑子堤加高堤防高度等，力保人民生命和財產安全。在大中型水閘工程中，弧形鋼閘門的應用比較廣，如果采取措施來提高防洪水位，防洪堤防提高了擋水高度，可能造成閘門擋水高度或防浪高度不夠的問題，針對該問題有必要對弧形鋼閘門的加高措施進行研究和探討，以保證防洪系統的運行安全。文章根據某弧形鋼閘門的加高問題，設計探討通過門體結構整體加高，實現提高擋水高度或防浪高度，可為今后弧形閘門的加高設計提供參考。

2 設計實例

某水閘工程閘孔凈寬12m，采用弧形鋼閘門進行擋水，弧門半徑6m，擋水高度4.75m，根據防汛任務要求，進行應急儲備方案設計應對超標準洪水，擋水高度由4.75m提高至5.55m，并預留安全加高30cm。根據上述要求進行了充分論證，由于閘門頂端附近空間比較小，無條件采取胸墻加高方案，經過研究采取門體結構整體加高措施。增加的活動門體結構高度為0.8m，半徑與原弧形鋼閘門半徑一致，由面板和兩根水平主梁構成，在下主梁處通過5個活動鉸座與原門葉結構頂梁鉸接，并對原門葉結構頂梁采用T型鋼型式進行加固。活動擋水結構再通過3套可調節鋼撐桿與原門葉結構的豎直次梁鉸接，起到支撐作用和調節安裝位置，并在迎水側新增擋水結構底部安裝止水橡皮。最后根據計算復核決定是否對液壓啟閉機管路閥組、油缸和液壓泵站進行升級改造。

2.1 牛腿結構安全復核

2.1.1 驗算一

弧門支座附近閘墩的局部受拉區的裂縫控制應滿足下列公式要求：

(1)

式中：FK為按荷載標準值計算的閘墩一側弧門支座推力值，N；b為弧門支座寬度，mm；B為閘墩厚度，mm；e0為弧門支座推力對閘墩厚度中心線的偏心距，mm；ftk為混凝土軸心抗拉強度標準值，N/mm2。

不能滿足上式要求時，應加大弧門支座寬度或提高混凝土強度等級。

2.1.2 驗算二

閘墩區的扇形局部受拉鋼筋截面面積滿足下列公式要求：

(2)

2.1.3 驗算三

弧門支座的裂縫控制滿足下列公式要求：

Fk≤0.7ftkbh

(3)

式中：h為支座高度，mm。

2.1.4 驗算四

弧門支座的受力鋼筋截面面積應符合下式規定：

(4)

式中：As為受力鋼筋的總截面面積，mm2；a為弧門支座推力作用點至閘墩邊緣的距離，mm；fy為受力鋼筋的抗拉強度設計值，N/mm2。

牛腿結構安全復核成果見表1。

表1 牛腿結構安全復核計算表

通過計算說明，當閘前擋水高度<5.11m以下時，閘墩和牛腿結構可以安全運行，當閘前擋水高度在5.25-5.55m之間時，該工況按偶然荷載進行考慮，承載力安全系數較規范值1.2有所降低，降低系數后閘墩和牛腿結構可以安全運行[1]。

2.2 閘門結構安全復核

2.2.1 加高部分及頂梁加固結構的安全驗算

根據閘門整體結構布置，按“近似取相鄰間距和之半法”計算出原閘門頂梁及加高部分的底梁的單位寬度荷載，并進行驗算[2]。

最大彎矩：M=0.106ql2

最大剪力：Q=0.606ql

應力及撓度應滿足下列公式要求：

式中：W為梁截面抗彎模量，cm3；I為梁截面對中和軸慣性矩，cm4；E為彈性模量，取2.06×105MPa。

2.2.2 原閘門結構的安全驗算

按全高度擋水驗算原閘門門葉結構和支臂結構的強度和穩定。

主橫梁與支臂的單位剛度比值應滿足下列公式：

(5)

式中：Il0為主橫梁的截面慣性矩；l0為計算跨度；Ih為支臂截面慣性矩；h為長度；K0應滿足3-7。

主橫梁的應力應滿足下列公式要求：

(6)

式中：N為主梁軸向壓力；M為主梁跨中彎矩；A為主梁跨中截面面積；W為主梁跨中截面抗彎模量。

支臂在框架平面內、外兩個方向的穩定應滿足下列公式要求：

式中：φp為彎矩作用平面內穩定系數、φ1為外的穩定系數；N為支臂軸向力；A為支臂截面面積[3]。

2.2.3 閘門啟門力驗算

弧形閘門啟門力按下列公式計算：

(7)

閘門結構安全復核成果見表2。通過計算說明，閘門擋水高度為5.55m時，加高部分的結構和原閘門的門葉結構和支臂結構的強度和穩定是滿足現有規范要求的。

表2 門體結構安全復核成果表

3 結 論

通過對門體結構的整體加高，實現了提高閘門前的擋水高度和防浪高度，進一步提高了防洪標準，現場查看新、老結構銜接比較和諧和美觀。通過了近幾年的汛期運用，驗證了采用該種措施進行處理后的閘門是安全可靠的，可以為類似的工程提供參考。實際設計過程中注意進行門體結構加高時，要進行牛腿等結構的安全進行驗算，并復核啟閉容量和油路系統，是否滿足安全運行條件。