超大跨度平面直升鋼閘門設計建造關鍵技術研究

祝勝 程雪辰

摘要：姚江上游余姚西分工程是浙江省重點建設工程，其瑤街弄調控樞紐擋洪閘的工作閘門為露頂式平面直升鋼閘門，吊點間距45.0 m，閘門設計建造面臨不能整體入槽、質量要求嚴、外觀要求高、現場施工安全風險大等特點和難點。結合工程實際，通過深入分析，提出了閘門分段分節安裝方法，解決了閘門不能整體入槽的難題；通過提出閘門拼裝質量保證技術，使超大跨度平面鋼閘門在門槽內拼裝的整體質量依然滿足規范要求；通過研究大型景觀浮雕與水工鋼閘門結合技術，實現了閘門外觀與功能的結合；通過發明一種安全防護裝置，降低了門槽內拼裝閘門的安全風險。研究成果可為類似工程項目提供借鑒和參考。

關鍵詞：平面鋼閘門； 超大跨度； 門槽內拼裝； 外觀設計； 安全防護

中圖法分類號： TV663

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.024

0引 言

姚江上游余姚西分工程位于浙江省寧波市余姚市，是浙江省重點建設工程。工程通過在姚江上游瑤街弄興建調控樞紐，新增姚江分洪出路，豐富流域防洪調控手段，減輕洪水期對余姚城區及姚江干流的防洪壓力。工程主要由瑤街弄調控樞紐、新開姚江至“北排”排澇通道及沿途泵閘站等建筑物組成［1］。其中瑤街弄調控樞紐擋洪閘工作閘門的門型為露頂平面直升鋼閘門，吊點間距45.00 m，是國內跨度最大的平面直升鋼閘門，其設計建造具有顯著特點和難點。本文主要介紹該超大跨度平面鋼閘門入槽方法、質量保證、外觀設計和現場安裝防護等關鍵技術的研究和應用情況，以期為類似閘門設計建造提供參考。

1工程概況

瑤街弄調控樞紐按“三閘聯建”方案布置，擋洪閘

位于姚江河道正中間，南側布置削峰調控閘，北側布置應急船閘。擋洪閘上下游正對姚江Ⅲ級限制性航道，主要功能是在汛期下閘擋洪，平時常開過流通航，在姚江流域發揮防洪減災和保持航運暢通的重要作用。

擋洪閘按單孔布置，孔口寬度45.30 m，考慮閘室鋼護舷厚度（2×0.15 m），凈寬45.00 m，底檻高程-3.67 m，設置工作閘門1扇。門型為露頂平面直升鋼閘門，門葉寬47.60 m，門高8.30 m，門厚3.824 m，重量約 340 t。門葉為桁架式結構，設置3榀水平主桁架，水平主桁架間距3.20 m，主要弦桿截面為焊接組合結構，節點間距3.80～4.00 m。水平梁系及縱向聯結系等結構材質為Q345B。

工作閘門平時鎖定在門槽頂部11.00 m高程處，通過設置在22.00 m高程啟閉平臺上的固定卷揚式啟閉機進行啟閉操作。工作閘門和啟閉機布置見圖1，擋洪閘設計參數見表1。

2閘門設計建造主要特點及難點

（1） 閘門跨度大，運行工況復雜。國內的桁架平面閘門跨度均在35.00 m以下，但該工程桁架閘門吊點跨度為45.00 m，是目前國內跨度最大的平面直升鋼閘門。桁架閘門一般用做檢修門，靜水啟閉；而該工程桁架閘門為工作門，需動水啟閉，水流條件更為復雜。一般的桁架閘門多采用疊梁形式，分節操作，單節起吊重量小，而該工程閘門重約340 t，采用整體桁架結構，吊點設置在邊柱，閘門開啟瞬間，除了自重作用，還需疊加水壓力作用下產生的內力，邊柱應力狀態復雜。

（2） 閘門的巨大體積和重量使制造、運輸及安裝難度加大。按工程進度計劃，此閘門安裝工期短，現場存在交叉作業，施工干擾多；受門槽周圍土建結構和環境條件所限，閘門不能整體入槽；因閘門水封、支承滑塊系統等受I型門槽限制，對閘門空間三維方向尺寸都有很高的精度要求，閘門制造和安裝面臨較多難題。

（3） 如此規模的閘門僅在汛期較短時段下閘擋水，平時懸掛鎖定在姚江主航道上，位于樞紐建筑外立面中央，具有很強的視覺沖擊，其外觀需與樞紐整體現代風格相協調，應具有良好的質感和視覺效果，對閘門外觀提出了極高要求。

鑒于上述特點和難點，超大跨度平面直升鋼閘門設計建造具有較大的挑戰性，特別是閘門入槽方法、質量控制、外觀設計和現場施工安全等關鍵技術問題，需開展專項研究。

3關鍵技術研究及主要成果

3.1超大跨度閘門單元體劃分及入槽方法

針對現場作業面狹窄、閘門不能整體入槽的難題，考慮將閘門分節分段為單元體，在工廠制造后運至現場，分單元體吊運入槽，在門槽內完成整體拼裝。因此，從以下方面進行了專項研究。

3.1.1閘門單元體運輸方案

通過實地調研，閘門單元體運輸可采用全公路運輸方案和水路運輸為主的方案。經技術經濟比較，最終采用全公路運輸方案。

經過路線勘察，調查沿途橋梁、涵洞、收費站等控制站點的通行情況，確定單元體運輸尺寸按寬度不大于4.50 m、長度不大于18.00 m、高度不大于3.83 m控制；單元體重量控制在50 t以內。采用車輛底板高度為0.60 m的大型特種專用車輛在指定公路范圍內運輸。

3.1.2閘門三維有限元結構分析

工作閘門具有跨度大、動水啟閉、起吊重量大、鎖定環境差的特點。為使閘門分節分段避開應力應變大、應力復雜、安全系數相對較小的區域，需弄清桁架平面閘門各部位受力狀態。采用數值模擬方法，通過有限元軟件對桁架平面閘門結構進行靜力計算和穩定分析，為閘門分段分節提供技術支撐。

綜合擋水、起吊、鎖定3種控制工況下的閘門應力應變分析結果，對閘門分節分段提出如下要求：

① 閘門水平主桁架跨中一定范圍應保持完整，不應分段，跨中段長度宜為跨度的1/3，即15.00 m左右；

② 水平主桁架靠近閘門邊柱腹板區域不應分段，至少應在桁架梁邊柱第一節間以外分段；

③ 邊柱腹板受力復雜，應保持邊柱上下完整和整體剛度，邊柱不應上下分節。

3.1.3閘門單元體劃分及入槽方法

根據前述分析，結合閘門特點及要求，將閘門以分節、分段方式劃分為8個單元體，其中左右2件是垂直單元體、中間6件是水平單元體，如表2及圖2所示。

（1） 1號和8號單元體是閘門結構的剛性區塊，主要由厚50 mm鋼板構成。主要構件承受閘門在起吊、擋水、鎖定3種控制工況下的全部荷載，應力情況復雜。這兩個剛性區塊同時是側水封和主支承滑塊的設置區，整個區塊要求有極高的平面度、直線度和加工精度。所以上下應保持完整，不應分節。

對這兩段的分割方式也是按照閘門分單元體入槽方案的要求考慮的。閘門分體入槽時，要有一個在寬度方向盡量小的垂直單元體從門槽頂部落槽后，再同其他已入槽的組合單元體進行焊接拼裝。

（2） 根據閘門結構受力分析成果，閘門在擋水、起吊、鎖定3種控制工況下，跨度方向的中心處左右2組結點之間區段內的水平主桁架和面板會產生相對較大的Mises應力和上下、前后兩個方向的變形，其中前后順水流方向最大變形達到25.30 mm。為確保閘門安全可靠，保持跨度中心兩側2組結點之間的區段完整是必要的。按此要求，閘門兩側垂直單元體之間有9組結點的長度范圍將分割成3件單元體，上節和底節分割方式相同，共分為6件單元體。

（3） 閘門高度為8.30 m，由3榀水平主桁架從上往下均布構成。因為閘門底部有止水要求，閘門底部2～4號這3件單元體由兩榀水平桁架為主構成，這樣形成的封閉結構會使底部2～4號單元體剛度和穩定性比上節各單元體明顯提高，底部3件同兩側共5件單元體在工廠內預拼裝成門字型剛性結構，具備在工廠內進行水封和支承滑塊定位安裝的條件，滿足出廠預驗收的要求，也為工地入槽后焊接拼裝先形成剛性區塊創造了有利條件。

因閘門上節的5～7號單元體中僅有一榀水平主桁架無法形成封閉結構，易產生彎曲和扭曲變形，應采取臨時加固措施解決。

（4） 為了防止各單元體分節分段處在現場焊接拼裝時出現交叉焊縫，造成應力集中，對閘門中部2～7號單元體之間垂直分割面錯開0.80 m以上。

8件單元體在工廠制造完成，整體預拼裝并驗收合格，拆分后直接運輸至現場，按1→2→3→4→5→6→7→8順序依次吊裝入槽，在門槽內完成閘門整體焊接拼裝。

閘門分段分節入槽安裝關鍵技術解決了超大跨度閘門不能整體入槽的問題，有效減少現場焊接工作量和工作面占壓時間，縮短了工期，既實現了閘門跨中不被分段，也保持了兩端剛性區塊完整和側向水封安裝面不被分割，有力保證了兩端水封、支承滑塊的安裝精度。

3.2超大跨度平面閘門質量保證關鍵技術

現行GB/T 14173-2008《水利水電工程鋼閘門制造、安裝及驗收規范》規定了平面閘門制造、組裝的公差或極限偏差要求，對于寬度不超過20 m的平面閘門，從寬度5 m開始，每增加5 m，允許偏差同步增加1～3 mm；而對于寬度超過20 m的平面閘門，不論寬度多大，僅在20 m允許偏差基礎上增加1～3 mm。寬度47.6 m的擋洪閘門允許偏差與寬度25 m的閘門允許偏差相同，即寬度增加了5檔，允許偏差僅增加1檔。此外，對于門葉橫向直線度、豎向直線度、底緣直線度、底緣傾斜度及兩邊梁底緣平面度等的允許偏差，不論跨度大小，僅規定了一個限制數，這不僅對閘門單元體制作，更對單元體槽內整體拼裝提出了極為嚴苛的質量標準。

對于將超大跨度閘門同時分節、分段，主梁4次分割成為8件單元體，運到工地現場再用焊接方式拼接的方案，因主梁被多次分割后經焊接拼接形成整體的累積誤差會增大，其允許偏差也不可避免地存在線性增加的客觀事實，這是擋洪閘門制造安裝必須面臨的一個關鍵性問題。

為保證超大跨度工作閘門質量滿足規范要求，在閘門制造、安裝過程中首次采用智能測量及BIM虛擬拼裝技術，通過激光跟蹤智能測量，對每件單元體進行外形尺寸的測量和定位，取得相應的三維形位數據，并進行BIM虛擬拼裝，復核單元體虛擬拼裝形成整體后的相關尺寸，通過高精度大件三維測量，能輸出可靠和精確的測量數據，為大跨度閘門整體拼裝質量滿足規范要求提供關鍵性的技術支撐。在此基礎上，通過“控制單元體形位公差、整體預拼裝精確定位裝置、門槽設置可調拼裝平臺、門葉約束控制、控制焊接次序、精準預留焊接收縮量”等一系列關鍵技術，使超大跨度閘門在門槽內拼裝的整體質量滿足GB/T 14173-2008《水利水電工程鋼閘門制造、安裝及驗收規范》中20 m寬度平面閘門質量標準要求，詳見表3。

3.3大型景觀浮雕與水工鋼閘門結合技術

西分工程擋洪閘工作閘門寬47.60 m，高8.30 m，整幅面板面積約395 m2。如此規模的閘門僅在汛期較短時段下閘擋水，平時懸掛鎖定在姚江主航道上，具有很強的視覺沖擊效果。結合擋洪閘工作閘門使用功能，在閘門面板上首次采用浮雕飾面。閘門上游側配置的浮雕畫面是以中國漢代傳統的畫像磚為造型基礎和構圖原則，整幅畫面由3幅景象內容組成：中間人物為大禹及其所代表的偉大勞動人民，左側是河姆渡文化最為顯著的儲存器皿制作景象，右側是治水之后所帶來的安寧農耕文明。

擋洪閘門下游側配置文字，閘門上、下游飾面設計見圖3。

該浮雕安裝于閘門面板，懸掛在航道上方，主要供過往船只乘客和兩岸行人觀賞，屬于高部位、中遠距離觀賞的大型浮雕。浮雕采用多層次結構，人物和動物浮高控制在150～200 mm，其它景觀（如山脈、流水、星星、云彩等）浮高控制在50～150 mm，利用層次重疊效果，使畫面上產生明顯的納光和納陰效果，有輪廓清晰、立體感強、形象逼真的視覺沖擊。

上游側浮雕面積360 m2，連同底架總重量約8 t。工作閘門啟閉及擋水過程中，如何保證浮雕在江水浸泡沖刷、漂浮物沖擊和淤泥頂托擠壓等情況下牢固不脫落、不開裂、不變形，是水工鋼閘門采用浮雕飾面必須解決的問題。采用“內襯底架+空腔填充”的工藝可提高浮雕強度、剛度；采用浮雕底架與閘門螺栓連接、浮雕板周邊與閘門面板焊接的雙重組合連接方式，以及在浮雕底部設置防護裝置等技術措施，解決了工作閘門運行各種工況下的浮雕強度、剛度，以及浮雕與閘門聯結可靠性問題。

3.4超大跨度閘門拼裝安全防護關鍵技術

因工期極為緊張，在門槽內拼裝閘門的時段，門槽正上方的樞紐人行廊橋及觀光幕墻也在安裝。怎樣消除上、下工作面同時作業帶來的安全隱患，是門槽內拼裝閘門必須解決的又一個難題。如從閘室底板滿堂搭設安全防護棚和人行廊橋幕墻安裝平臺，高度將達30 m，不僅會使閘室空間區域運輸吊裝受限，而且搭拆工作量大、周期長、費用高。為此研究采用“懸吊式門槽防護棚兼做人行廊橋及幕墻安裝平臺”方案（圖4），即在人行廊橋主體桁架吊裝就位情況下，在其下方滿堂懸吊封閉防護棚，既為門槽閘門拼裝提供安全防護，有效消除立體交叉作業所帶來的安全隱患，且閘室運輸空間未受影響，也為人行廊橋及幕墻安裝提供了施工平臺，顯著減少工期和施工費用。

4結 論

瑤街弄調控樞紐項目超大跨度平面鋼閘門設計建造面臨不能整體入槽、質量要求嚴、外觀要求高、現場安全風險大等特點和難點，并且作為EPC總包項目，既要考慮技術可行性，還需要綜合考慮工期和經濟性，這對EPC總承包方是一個嚴峻挑戰。本文結合項目的特點和難點，通過深入分析研究，提出了適宜的解決方案：

（1） 提出了一種超大跨度平面鋼閘門分段分節安裝方法，解決了閘門不能整體入槽的難題。

（2） 提出了一種在門槽內拼裝閘門的質量保障技術，并形成平面鋼閘門建造質量保證技術體系，使超大跨度平面鋼閘門在門槽內拼裝的整體質量滿足規范要求。

（3） 研究了大型景觀浮雕與水工鋼閘門結合技術，既實現與樞紐整體風格相協調的觀賞效果，又達到安全可靠、經久耐用的目標。

（4） 發明了一種閘門現場拼裝的安全防護裝置，使門槽上、下工作面可同時施工，有效降低施工安全風險，顯著縮短工期，減少施工費用。

參考文獻：

［1］宋志忠，王程，余勝祥，等.姚江上游余姚西分項目-瑤街弄調控樞紐工程初步設計報告［R］.武漢：長江勘測規劃設計研究有限責任公司，2018.

（編輯：胡旭東）