雙扉平面鋼閘門在南四湖水資源控制工程中的應(yīng)用與研究

章武偉 石 靜 黨政權(quán)

一、雙扉閘門及其工作原理

水利水運(yùn)工程中的雙扉閘門，通常是指水工建筑物中，在帶有控制閘門的單孔閘室里，設(shè)置兩道工作閘門門槽，在兩道閘門門槽中分別安置一扇工作閘門，兩扇工作閘門可以分別在各自的工作門槽軌道里上、下運(yùn)行，這兩扇工作閘門一般就簡稱為雙扉門。

雙扉門又分為上扉門和下扉門，上、下扉門的尺寸、重量基本相同。區(qū)分上、下扉門的主要依據(jù)是上、下扉門各自承擔(dān)的工作內(nèi)容。一般情況下，下扉門主要放置于閘室口門底坎上，使用較為頻繁，相當(dāng)于工作門，主要作用是擋水、充水和泄洪。上扉門平時(shí)主要放置于閘孔上方擋板上，使用頻率較小，相當(dāng)于檢修門，只有在所需擋水水位超過下扉門門體高度時(shí)，上扉門才會(huì)從擋板放下與下扉門閉合參與擋水任務(wù)，另外在洪水水位過高需開啟閘門泄洪時(shí)，上扉門又與下扉門同時(shí)提起，承擔(dān)部分泄洪任務(wù)。

雙扉平面閘門結(jié)構(gòu)與普通平面閘門結(jié)構(gòu)基本一致，通常由門葉、主輪、側(cè)輪、吊耳以及止水橡皮等組成。上、下扉門結(jié)構(gòu)上的主要區(qū)別是，下扉門的頂部和上扉門的底部各自多裝了一道止水橡皮，作用是為了保證上扉門底部與下扉門頂部之間的橡皮能夠相互密封閉合，防止水流從上、下扉門之間穿過，以起到阻水、擋水作用。

二、南四湖水資源控制工程簡況

南水北調(diào)工程是解決我國北方地區(qū)水資源嚴(yán)重短缺問題的重大戰(zhàn)略舉措，規(guī)劃確定東、中、西3條調(diào)水線路，其中東線工程從長江下游干流取水，基本沿京杭大運(yùn)河向北方調(diào)水，主要供水目標(biāo)為解決京滬鐵路沿線和山東半島的城市缺水，并為農(nóng)業(yè)和生態(tài)補(bǔ)水。

南四湖位于南水北調(diào)東線工程調(diào)水路線中，承擔(dān)著為江蘇、山東兩省輸水任務(wù)，東線工程實(shí)施后，在維護(hù)當(dāng)?shù)赜盟瓌t不變的情況下，須對南四湖周邊涉及江蘇和山東兩省有關(guān)引水口門進(jìn)行有效的控制，以加強(qiáng)對南四湖的水資源控制管理。第一期工程規(guī)劃在南四湖上級湖湖西姚樓河、大沙河、楊官屯河和下級湖湖東潘莊引河的河口上新建控制閘。

2004 年，國家發(fā)改委批復(fù)南四湖水資源控制工程可行性研究報(bào)告，同意在南四湖新建姚樓河閘、大沙河閘、楊官屯河閘和潘莊引河閘4座水資源控制閘工程。

潘莊引河閘因沒有通航功能，閘門采用了單扇平面門。姚樓河閘、大沙河閘和楊官屯河閘皆位于南四湖上級湖湖西蘇魯交界處，因湖西河道水運(yùn)十分發(fā)達(dá)，在對這3座閘的閘門設(shè)計(jì)時(shí)，對3座閘的通航能力作了分析，設(shè)計(jì)時(shí)均不同程度地采用了雙扉平面鋼閘門，具體如下：

姚樓河閘距姚樓河入南四湖上級湖西面湖口150m處，主要建筑物級別為1級。設(shè)計(jì)20年一遇泄洪流量114m3/s，引水流量4m3/s，閘室為2孔，總凈寬20m，單孔凈寬10.0m，其中南側(cè)閘孔兼做通航孔，2孔閘門均為雙扉平面鋼閘門。

大沙河閘距大沙河入南四湖上級湖西面湖口130m處，主要建筑物級別為1級。設(shè)計(jì)20年一遇泄洪流量1360m3/s，引水流量 12m3/s，由一座 14孔節(jié)制閘和一座160m長船閘組成，節(jié)制閘閘室單孔凈寬10m，船閘凈寬12m，船閘上閘首閘門采用了雙扉平面鋼閘門，14孔節(jié)制閘和船閘下閘首閘門采用了單扇平面鋼閘門。

楊官屯河閘距楊官屯河入南四湖上級湖西面湖口130m處，主要建筑物級別為1級。設(shè)計(jì)20年一遇泄洪流量156m3/s，引水流量30m3/s，由1孔節(jié)制閘和一座160m長船閘組成，節(jié)制閘和船閘上閘首相連，總凈寬20m，其中北側(cè)節(jié)制閘閘孔凈寬8m，南側(cè)閘孔兼做船閘上閘首，單孔凈寬12m，節(jié)制閘和船閘上閘首閘門均為雙扉平面鋼閘門，船閘下閘首為升臥門。

三、雙扉平面鋼閘門設(shè)計(jì)要點(diǎn)

姚樓河閘、大沙河閘和楊官屯河閘彼此相距不遠(yuǎn)，3座閘設(shè)計(jì)所采用的擋洪、除澇和通航水位全部一致。但因3座閘所在位置地勢不同引起3座閘的閘室底板高程也各不相同，因此3座閘的雙扉平面鋼閘門結(jié)構(gòu)、尺寸也有所不同。具體如下:

1.姚樓河閘

姚樓河閘閘室為2孔，2孔閘門均為雙扉工作門，共4扇，結(jié)構(gòu)形式為露頂式平面滾動(dòng)鋼閘門。閘孔單孔凈寬10m，底板高程31.3m，按擋水37.0m和最高通航水位34.3m設(shè)計(jì)，相應(yīng)上、下扉閘門尺設(shè)計(jì)均為10.0m×3.2m（寬×高）。

閘門結(jié)構(gòu)形式為雙主梁實(shí)腹式焊接結(jié)構(gòu)，上扉門主梁高1000mm，下扉門主梁高1250mm，主梁變截面端、頂梁及底梁高600mm，主要結(jié)構(gòu)材料Q235B，主支承采用φ700懸臂式滾輪支承，滾輪材料為ZG270-500，軸材料為45號(hào)鋼鍍鉻，軸套材料為高強(qiáng)度鋼基銅塑自潤滑軸承FZB08B170×200×190-2RS。閘門止水采用橡皮雙向止水，側(cè)止水采用方頭P型橡皮，上、下扉門節(jié)間止水采用Ω型橡皮，底止水及所有橡皮墊塊采用條形橡皮，側(cè)止水及節(jié)間止水材料采用橡塑復(fù)合止水，其余止水橡皮材料選用防Ⅱ橡膠。

2.大沙河閘

大沙河閘由節(jié)制閘和船閘兩部分組成。節(jié)制閘共14孔，單孔凈寬10m，配工作閘門和檢修閘門，船閘分上、下閘首，上閘首設(shè)雙扉工作閘門一道，下閘首設(shè)工作閘門和檢修閘門各一道。另外，上閘首還配置充水廊道控制閘門兩扇及相應(yīng)的啟閉設(shè)備。

船閘上閘首閘孔凈寬12m，底板高程30.8m，按擋水37.0m和最高通航水位34.3m設(shè)計(jì)，相應(yīng)上、下扉閘門尺設(shè)計(jì)均為12.0m×3.6m（寬×高）。

雙扉門采用平面定輪鋼閘門，雙主橫梁變截面結(jié)構(gòu)。支承采用懸臂式滾輪支承，滾輪材料ZG310-570，輪軸材料45號(hào)鋼鍍鉻，軸套材料采用高強(qiáng)度鋼基銅塑自潤滑軸承FZB08。閘門止水布置為雙向止水，側(cè)止水采用雙P型和方頭橡皮，上、下扉門節(jié)間止水采用Ω型橡皮，底止水采用I型切角橡皮。閘門和埋件主要材料選用Q235B。

3.楊官屯河閘

楊官屯河閘由船閘和節(jié)制閘組成，節(jié)制閘1孔，單孔凈寬8m，閘門采用雙扉鋼閘門。船閘分上、下閘首，上閘首和節(jié)制閘相連，上閘首采用雙扉工作閘門，下閘首不參與擋水采用升臥門，船閘凈寬12m。節(jié)制閘和船閘上閘首底板采用同一高程29.8m，按擋水37.0m和最高通航水位34.3m設(shè)計(jì)，節(jié)制閘和船閘上閘首閘門尺設(shè)計(jì)分別如下：

節(jié)制閘、扉門閘孔尺寸均為8.0m×4.8m（寬×高），結(jié)構(gòu)形式為露頂式平面滾動(dòng)鋼閘門，上扉門主梁按剛度要求的最小梁高為800.7mm，設(shè)計(jì)為變截面結(jié)構(gòu)型式，主梁跨中梁高為850mm，閘門下扉門主梁按剛度要求的最小梁高為1000.8mm，設(shè)計(jì)為變截面結(jié)構(gòu)型式，主梁跨中梁高為1050mm。上、下扉門主梁端部梁高與邊梁等高，設(shè)計(jì)為600mm。

船閘上閘首上、下扉門均為12.0m×4.8m（寬×高）。上扉門主梁按剛度要求的最小梁高為1188.7mm，主梁跨中梁高為1100mm，閘門下扉門主梁按剛度要求的最小梁高為1485.5mm，主梁跨中梁高為1100mm，設(shè)計(jì)為變截面結(jié)構(gòu)型式，上、下扉門主梁端部梁高與邊梁等高，設(shè)計(jì)為700mm。

主要結(jié)構(gòu)材料Q235B，主支承采用φ700懸臂式滾輪支承，滾輪材料為ZG270-500，軸材料為45號(hào)鋼鍍鉻，軸套材料為高強(qiáng)度鋼基銅塑自潤滑軸承FZB08B170×200×190-2RS。閘門止水采用橡皮雙向止水，側(cè)止水采用方頭P型橡皮，上、下扉門節(jié)間止水采用Ω型橡皮，底止水及所有橡皮墊塊采用條形橡皮，側(cè)止水及節(jié)間止水材料采用橡塑復(fù)合止水，其余止水橡皮材料選用防Ⅱ橡膠。

四、南四湖水資源控制工程選用雙扉平面鋼閘門應(yīng)用與研究

1.工程選用雙扉平面閘門的合理性

姚樓河閘、大沙河閘和楊官屯河閘雖按相同擋水高程和最高通航水位設(shè)計(jì)，但因所處位置和口門大小不同，3座閘的雙扉閘門大小、尺寸也不盡相同，具體數(shù)據(jù)如表1。

根據(jù)表中數(shù)據(jù)計(jì)算得出，在通航時(shí)，姚樓河閘單扉門擋水高程為34.5m，大沙河閘單扉門擋水高程為34.4m，楊官屯河閘單扉門擋水高程為34.6m，均超過了最高通航水位34.3m，都能滿足最高通航水位擋水要求；當(dāng)南四湖湖中來洪水需擋水時(shí)，姚樓河閘雙扉門組合擋水高程為37.7m，大沙河閘門雙扉門組合擋水高程為38.0m，楊官屯河閘雙扉門組合擋水高程為39.4m，均超過設(shè)計(jì)擋水高程37.0m，亦都能滿足設(shè)計(jì)擋水高程要求。

從計(jì)算結(jié)果中可以看出，采用雙扉門組合擋洪水時(shí)，姚樓河閘閘門門頂高程比設(shè)計(jì)水位高出0.7m，大沙河閘上閘首閘門門頂高程比設(shè)計(jì)水位高出1.0m，楊官屯河閘閘門門頂高程比設(shè)計(jì)水位高出2.4m。因此姚樓河閘最為經(jīng)濟(jì)，大沙河閘次之，楊官屯河閘最后。這并不是因?yàn)榇笊澈娱l與楊官屯河閘選用雙扉閘門門型不妥，原因在于大沙河閘的節(jié)制閘單孔凈寬10m，閘門設(shè)計(jì)為14孔單扇門配2組檢修門組合，而船閘凈寬為12m，檢修門凈寬比船閘凈寬小2m，不匹配，如船閘改用單扇平面門，則單扇門高度應(yīng)達(dá)到6.7m才能滿足擋洪要求，同時(shí)還須另配12m寬檢修門，相比雙扉平面單扉門3.6m的高度，更不經(jīng)濟(jì)。同理，楊官屯河閘若將雙扉平面門改為單扇平面門，則單扇門高度將達(dá)到7.7m，且節(jié)制閘凈寬8m，船閘凈寬12m，還分別配置寬度不同的檢修門，相比單扉門4.8m的高度，造價(jià)更高。因此姚樓河閘、大沙河閘和楊官屯河閘在滿足通航和擋水前提條件下，相關(guān)口門上的閘門采用雙扉平面閘門組合是合理的。

2.工程選用雙扉平面門的優(yōu)勢

從上面對比分析可以看出，姚樓河閘的2孔閘、大沙河閘的上閘首、楊官屯河的節(jié)制閘和船閘上室首，在滿足通航和擋水功能條件下，采用雙扉平面門組合，比采用單扇平面門配檢修門組合更有優(yōu)勢，采用雙扉門組合后，可大大減少制造閘門所用的鋼材，從而有效地節(jié)省了工程投資，降低了工程造價(jià)。

表1 南四湖水資源控制工程雙扉平面鋼閘門特征表

上、下扉門尺寸一樣的優(yōu)勢還在于可以通用，通航時(shí)，下扉門若出現(xiàn)故障需提出檢修時(shí)，就可將上扉門放下，代替下扉門工作，保證了過閘船只的正常通航。

姚樓河閘、大沙河閘和楊官屯河閘均位于南四湖湖西航道入口處，航運(yùn)十分發(fā)達(dá)，入湖支流姚樓河、大沙河和楊官屯河沿岸均設(shè)有不同等級的貨運(yùn)碼頭，往來船只較多，這就要求3座閘能夠具有較強(qiáng)的過閘能力。利用雙扉閘門過船的優(yōu)勢在于船舶過閘時(shí)僅下扉門參與通航作業(yè)，上扉門并不參與。與單扇門相比，閘門的重量大大減輕，閘門啟閉也變得更加輕巧、方便，可有效縮短閘門開啟時(shí)間，減少過閘船只等候時(shí)間，提高船閘過船效率。

與單扇平面門相比，雙扉平面門因其兩扇單扉門高度較小，設(shè)計(jì)時(shí)就可以將閘室排架柱高度、啟閉機(jī)房工作橋高度和與之銜接的橋頭堡高度降低，從而減輕土建工程施工難度。

3、雙扉平面門的劣勢

雙扉平面門在啟閉時(shí)，與單扇平面門相比，在最高通航水位以下的下扉門的啟閉，與單扇平面門啟閉無異。在需啟用上扉門擋水時(shí)，要求上扉門必須放置到上扉門的底止水橡皮和下扉門的頂止水橡皮閉合處，既不能過放，也不能欠放，否則雙扉門組合就起不到擋水作用。同理，雙扉門組合在泄洪時(shí)，為防止水流從上、下扉門間流過時(shí)對下扉門造成破壞，上、下扉門提出水面時(shí)需同步開啟。因此雙扉門在啟用上扉門參與擋水和泄洪時(shí)，雙扉門的操作控制難度比操作單扇門難度要大。

同一閘孔里，單扇門啟閉只需一臺(tái)啟閉機(jī)即可，雙扉門比單扇門多一扇門，雙扉門啟閉需兩臺(tái)啟閉機(jī)，因此雙扉門的啟閉機(jī)數(shù)量比單扇門啟閉機(jī)數(shù)量要多，所占用啟閉機(jī)房的面積和空間也就多，啟閉機(jī)房內(nèi)工作人員的工作面積和活動(dòng)空間也就要小。同時(shí)由于啟閉機(jī)數(shù)量的增加，引起安置啟閉機(jī)重量的次梁增加，承擔(dān)啟閉機(jī)荷載的工作橋結(jié)構(gòu)型式也就相對復(fù)雜。

南四湖水資源控制工程的姚樓河閘、大沙河閘船閘上閘首和楊官屯河閘不僅要具備擋洪和泄洪要求，還要滿足通航要求?，F(xiàn)階段選擇雙扉平面鋼閘門來同時(shí)承擔(dān)工程通航和擋洪任務(wù)，無疑是一種最優(yōu)選擇