下臥式閘門設(shè)計

蔣德成，龍朝暉，徐萬妮

（中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院，四川成都 610072）

1 下臥式閘門門型介紹

下臥式閘門是一種可以繞安裝在閘室底板的轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動以適應(yīng)不同水位和流量控制要求的新型閘門。閘門的啟閉采用安裝在閘墩兩側(cè)的液壓啟閉機系統(tǒng)，其管路系統(tǒng)可通過河床底部廊道（也可通過上部橋面系統(tǒng)），上部不需要單獨設(shè)置支承結(jié)構(gòu)，容易與周邊的環(huán)境相協(xié)調(diào)。閘門全開時，閘門隱藏在水下門庫內(nèi)，不干擾水流；閘門擋水運行時，水流從閘門頂溢流，形成跌水瀑布，不僅形成河床水面的一道景觀，跌水還卷入了大量空氣，增加了水體的溶解氧，改善了河流水質(zhì)。下臥式閘門及啟閉機布置詳見圖1。

圖1 下臥式閘門及啟閉機布置Fig.1 Layout of gate and hoist

下臥式閘門的優(yōu)點主要有：（1）工程造價低廉，投資低于橡膠壩。（2）門頂溢流，能準(zhǔn)確控制水位。（3）閘門藏于底部門庫內(nèi)，對行洪影響較小。（4）采用液壓啟閉機操作，控制精準(zhǔn)，液壓啟閉機設(shè)于校核洪水位以上，便于檢修的要求，并且采用閘門聯(lián)合調(diào)節(jié)等措施解決了單孔閘門單寬下泄流量較大形成的波浪沖擊沖刷問題。（5）拓寬了鋼閘門的應(yīng)用范圍，可廣泛應(yīng)用于各種攔河閘、沖沙閘、節(jié)制閘、進排水閘、擋潮閘、水庫泄洪閘中。

2 閘門設(shè)計

本文為某城市打造水環(huán)境景觀攔河閘的下臥式閘門。水閘設(shè)計參數(shù)：正常蓄水位525.00 m、設(shè)計洪水位525.60 m、閘頂高程528.70 m、閘底高程521.20 m。9孔泄洪閘每孔設(shè)置1扇下臥式工作門，閘門尺寸為10.0 m×3.9 m，設(shè)計水頭3.8 m。

2.1 門型比選

城市水環(huán)境景觀攔河閘的主要功能是攔蓄河水，遇各種洪水時安全泄洪，同時兼顧景觀需要，總體布置與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)。能適應(yīng)以上要求的門型有很多，考慮水閘位于將來的城市中心，融入周圍的地理環(huán)境，其門型選擇就屈指可數(shù)了。有兩種成功的門型比較適合該工程，一是英國倫敦泰晤士河防潮水閘；二是法國水閘系統(tǒng)應(yīng)用較多的活動翻板壩（即下臥式閘門）。這兩種門型的共同特點：操作簡單方便，啟閉靈活可靠，閘門開度可無極調(diào)節(jié)，方便調(diào)度，工程隱蔽性強，對原有河道及兩岸景觀影響不大。不同之處在于：下臥式閘門支鉸布置于河床底板，檢修和維護比較困難，但與景觀結(jié)合較好，工程造價相對較低；泰晤士河旋轉(zhuǎn)扇形閘門的支鉸位于水面以上，且閘門可旋轉(zhuǎn)至全部露出水面，因此檢修和維護都較為方便，主要缺點是投資較大，自重較大。本項目攔河閘工作門采用投資和施工難度較小的下臥式平面閘門。

2.2 下臥式閘門的工作原理

下臥式閘門是繞底樞旋轉(zhuǎn)，利用重力、水壓力和啟閉力力矩平衡的原理工作的，其工作狀態(tài)分為靜態(tài)和動態(tài)兩種。所謂靜態(tài)，指閘門在某一開度靜止不動，作用在門上的各個力構(gòu)成一靜定平衡力系的狀態(tài)。鋼閘門處于靜態(tài)時，閘門的上、下游水位穩(wěn)定不變，且過閘的流量為常量。當(dāng)水位不滿足需要時，閘門的開度就需要隨需求而改變。閘門根據(jù)實際需求從某一開度過渡到另一開度的過程，稱之為下臥式閘門的動態(tài)過程。處于動態(tài)過程中運動著的下臥式閘門，作用在門上的各個力是變化的，而且是不平衡的。由于下臥式閘門啟閉速度較小，閘門慣性動量不大，可以按靜態(tài)平衡體系進行考慮。

下臥式閘門啟閉過程中繞底樞轉(zhuǎn)動，門葉通過支臂與操作油缸連接。上游水位升高時，上游水壓力增大，門葉向下游傾倒的力矩增加。若此時不開啟閘門，加大油缸的受拉力即可保持平衡；反之，若要增大閘門的開度，則需降低油缸受拉力，使閘門向下游滑動，最終閘門停留在需要開度。當(dāng)上游水位回落后，同樣通過控制油缸拉動支臂上行使閘門關(guān)閉。因而，閘門能夠穩(wěn)定于某一開度或某一特定位置，閘門的開度能平穩(wěn)地隨水位的變化而變化。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.3.1 總體布置設(shè)計

閘門面板布置于上游側(cè)，側(cè)水封采用P45A橡塑復(fù)合水封。閘門在平常擋水時，門頂可小流量溢流，但允許溢流水深最大不得超過0.5 m。為了使溢流瀑布在門后不形成負(fù)壓，特在閘門頂部設(shè)置破水器，同時在兩側(cè)墻上預(yù)埋4根通氣管。由于洪水期間會使閘門門槽產(chǎn)生淤積，在門槽底部布置沖淤管。每扇工作門均可動水啟閉，小開度局部開啟，通過閘門開啟高度和開啟數(shù)量滿足調(diào)節(jié)庫水位、宣泄洪水的要求。每扇閘門采用2×400 kN懸掛式液壓啟閉機操作。

油缸采用中間支承固定于側(cè)墻上，支鉸采用箱型十字鉸，有利于適應(yīng)閘門受力產(chǎn)生的微小變形。支鉸采用螺栓連接方式與預(yù)埋支鉸架固定，同時便于日后油缸的檢修拆卸。為了檢修油缸時不放空閘前景觀用水，閘門設(shè)置有機械鎖定，閘門關(guān)閉時鎖定將閘門鎖住后，油缸可以拆離閘門進行檢修。液壓啟閉機泵站系統(tǒng)布置于右岸泵房內(nèi)，5臺啟閉機共用一套泵站系統(tǒng)，共2套泵站系統(tǒng)。泵站系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)均滿足每扇工作門自動同步糾偏及沉降自動回升的要求。為保證工程安全，啟閉機的動力電源除專用雙回路外，還應(yīng)配備柴油發(fā)電機組或手動。由于枯期該河流流量很小，上游水位不足1 m，工作閘門及底樞裝置檢修時，考慮采用臨時措施擋上游水，未設(shè)置檢修閘門。

2.3.2 閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計

閘門采用3支座底樞，相對孔口中心線對稱布置，門葉結(jié)構(gòu)采用橫向主梁布置，主梁支承在邊梁上；閘門邊梁與支臂采用高強螺栓連接。油缸與支臂連接處設(shè)有球面關(guān)節(jié)軸承，可以適應(yīng)閘門安裝誤差和受力變形產(chǎn)生的位移和轉(zhuǎn)角。閘門底樞軸套采用工程塑料合金材料MGA，該材料為耐磨高分子材料，具有自潤滑效果。

下臥式閘門底板處制作成圓弧滾筒狀，在底坎埋件上設(shè)置一道底水封，底水封采用P45A橡塑水封，利用水封轉(zhuǎn)角預(yù)壓可以實現(xiàn)自動磨損補償。側(cè)水封采用整體可拆卸結(jié)構(gòu)，方便更換，同時利用水封轉(zhuǎn)角預(yù)壓實現(xiàn)自動磨損補償，也適應(yīng)閘門溫度變形等自調(diào)節(jié)功能。側(cè)水封布置見圖2。

圖2 水封Fig.2 Water seal

下臥式閘門可以靈活啟閉，允許門頂小開度溢流。為避免閘門局部開啟運行時門頂過流造成門后負(fù)壓，門頂設(shè)置有破水器，并在側(cè)墻兩側(cè)設(shè)置不同高程的補氣管道。破水器高度500 mm，采用三角形破水結(jié)構(gòu)，其功能是劈開水流。同時為了避免因門葉親水性而爬升，在三角破水器頂部設(shè)置阻水擋板。破水器結(jié)構(gòu)布置見圖3。

圖3 破水器Fig.3 Turbulence generating instrument

2.3.3 埋件設(shè)計

下臥式閘門由于底樞為主要受力構(gòu)件，閘門承受水壓之后，幾乎全部力集中在底樞上，同時底樞的受力方向為受拉。為了穩(wěn)固底樞支承，底部埋件設(shè)置了多重插筋，防止底部混凝土因受拉開裂。同時為了提高三個底樞的同心度，底樞采用單獨支承座制造，在現(xiàn)場與埋件進行焊接。

下臥式閘門允許門頂小開度溢流，也就是允許局部開啟。下臥式閘門為旋轉(zhuǎn)閘門，局部開啟時側(cè)水封將會劃過一個扇形區(qū)域。側(cè)止水為大面積止水面，采用流動性較好的環(huán)氧高強砂漿粘結(jié)不銹鋼復(fù)合鋼板設(shè)計，同時提供小開度時多位置止水。側(cè)止水埋件見圖4，底部埋件見圖5。

圖4 側(cè)止水埋件Fig.4 Embedded lateral water seal

圖5 底部埋件Fig.5 Structure of the slot

2.3.4 金屬結(jié)構(gòu)防腐蝕設(shè)計

閘門門葉及其門槽埋件等，長期處于干濕交替、浸沒水下及水流沖刷等環(huán)境中，受到大氣、日光、溫度和水生物的侵蝕以及泥沙和其它漂浮物的沖擊摩擦，鋼材表面極易發(fā)生腐蝕。鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生腐蝕后承載強度會逐漸降低，嚴(yán)重影響工程的安全運行。為有效控制鋼材的腐蝕，延長閘門的使用壽命，必須采取有效的防腐措施。

閘門埋件的防腐蝕處理，應(yīng)先去除表面的鐵銹、污物、氧化皮等雜物，直至顯露接近銀白色的金屬本色，外露部分涂刷涂料，與混凝土接觸部位涂刷無機改性水泥漿。涂漆表面采用噴砂（丸）處理，表面清潔度應(yīng)達到GB8923-88中規(guī)定的Sa2 1/2～Sa2級，表面粗糙度應(yīng)達到Ry40～70μm；涂刷無機改性水泥漿表面采用噴砂（丸）處理，表面清潔度應(yīng)達到GB8923-88中規(guī)定的Sa2 1/2～ Sa2級，表面粗糙度應(yīng)達到Ry60～100 μm。與混凝土接觸表面涂刷無機改性水泥漿，厚度不小于250 μm。涂料的底漆為環(huán)氧富鋅漆，干膜厚度80 μm；中間漆為環(huán)氧云鐵防銹漆，干膜厚度60 μm；面漆為耐磨環(huán)氧漆，膜厚度80 μm，總厚度不得小于200 μm。

閘門門葉、支臂和鎖定等防腐蝕處理采用熱噴Ce鋁＋封閉涂料。防腐涂裝前，應(yīng)對非涂裝部位，如楔槽、油孔、軸孔、加工面和工地焊縫兩側(cè)進行遮蔽。噴涂表面采用噴砂（丸）處理，表面清潔度應(yīng)達到GB8923-88中規(guī)定的Sa2 1/2級，表面粗糙度應(yīng)達Ry 60～100 μm。噴層最小厚度為120 μm，最小局部厚度為100 μm。噴層必須分多次；封閉涂料的底漆為環(huán)氧富鋅漆，干膜厚度80μm；中間漆為環(huán)氧云鐵防銹漆，干膜厚度60 μm；面漆為耐磨環(huán)氧漆，膜厚度80 μm，總厚度不得小于200 μm。面漆顏色為銀灰色，底漆兩道、每道干膜厚度為30 μm；面漆兩道、每道干膜厚度為30～40 μm。

2.3.5 啟閉設(shè)備

下臥式閘門啟閉操作設(shè)備采用2×400 kN液壓啟閉機，9孔共設(shè)置兩個泵站系統(tǒng)，每個泵站系統(tǒng)設(shè)置兩臺油泵電機組，用于閘門在各種正常運行工況下壓力供給，油泵電機組運行方式為一主一備設(shè)計。每支油缸均布置有行程檢測裝置，為現(xiàn)地控制室提供實時的閘門開度信號，同時也為液壓油缸上下極限位的保護信號。

液壓啟閉機由油缸、液壓系統(tǒng)、控制設(shè)備、保護設(shè)備等組成，主要液壓控制回路有：油泵空載啟動回路、壓力控制回路、方向控制回路、速度控制回路。系統(tǒng)還設(shè)置有超壓和欠壓保護、備用油泵自動切換、高壓軟管破裂保護、油液高度油溫報警等?？刂茊踊芈酚扇凰耐姶艙Q向閥（帶中位機能H）和兩個壓力控制閥組成雙調(diào)壓控制回路，設(shè)定壓力分別為20 MPa和4.0 MPa。油泵啟動時，液壓油先經(jīng)三位四通電磁換向閥中位直接回流油箱，延遲約10 s后，根據(jù)所需執(zhí)行的操作動作，使相應(yīng)電磁鐵得電，系統(tǒng)隨即建壓。方向控制回路即前面介紹的采用三位四通電磁換向閥，并帶中位機能以減少換向閥動作時引起的系統(tǒng)壓力沖擊，啟閉運行更平穩(wěn)。速度控制回路采用一套手動流量控制閥加橋式整流塊，同時主回路采用同步馬達控制進油量。同步馬達采用意大利Ronzio公司產(chǎn)品，液壓同步馬達采用同軸齒輪分流，同步流量精度可控制在1.5%以內(nèi)。為提高系統(tǒng)同步可靠性，速度控制回路另設(shè)置電磁球閥泄油回路備用，同時利用電磁球閥泄油回路調(diào)節(jié)多孔油缸之間的同步。

2.3.6 沖淤預(yù)留設(shè)計

下臥式閘門開啟后平臥在河床底部，此處高程較低，而門頂溢流可能在門下產(chǎn)生回水漩渦等，門底易淤積，影響閘門的開啟到位。為此，在每孔閘門底樞預(yù)埋有沖淤管道，考慮到下游平常無大量回水至門底，未設(shè)置沖淤泵等設(shè)備。建議汛前應(yīng)檢查閘門下游門底部位，若有砂石、淤泥等淤積，應(yīng)及時清除，保證汛期閘門順利下放到底。清除時可以利用臨時水泵配合預(yù)埋沖淤管進行沖淤，也可以利用低水位、小流量時通過其他孔導(dǎo)流進行人工清淤。

3 結(jié) 語

項目竣工后的實景見圖6。

圖6 項目實景Fig.6 Scenes of the project

目前項目已基本完成，并通過兩個洪水期的考驗。運行單位反饋閘門設(shè)計及布置較為合理，但也有些小缺陷，如閘門底水封更換較難、油缸檢修較難等。這些反饋信息也是下一個類似景觀工程閘門設(shè)計的參考意見及依據(jù)。

[1]水利部.水電站機電設(shè)計手冊-金屬結(jié)構(gòu)[S].水利電力出版社,1988.

[2]水利部.DL/T5039-95，水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范[S].中國電力出版社,1996.

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