鄭東新區(qū)龍湖臥倒式閘門及啟閉機布置方案

宋杰++孫傳軍

摘要：介紹了鄭東新區(qū)龍湖臥倒式閘門及其液壓啟閉機的總體布置，通過對幾種門型的比較，闡述了臥倒式閘門在景觀工程中的應用及布置中的一些特點，并通過水力模型試驗及三維有限元對其不同的設(shè)計工況進行建模計算，分析了臥倒式閘門的一些受力特點，對其控制工況及城市景觀閘的設(shè)計及運行方式進行有益的探索。

關(guān)鍵詞：大跨度；臥倒式閘門；破水器；液壓系統(tǒng)；活塞桿

中圖分類號：TV698文獻標志碼：A文章編號：16721683（2015）002003604

1工程概況

鄭州市引黃灌區(qū)龍湖調(diào)蓄工程位于鄭州市城區(qū)的東北部，根據(jù)龍湖水系主池區(qū)的總體規(guī)劃成果，調(diào)蓄池主池區(qū)水域面積為56 km2，水岸線長度2166 km，龍湖正常蓄水位為8550 m，相應庫容2 680萬m3。

龍湖調(diào)蓄池工程1號-3號出口控制閘下游分別與東風渠連接，主要功能是滿足龍湖水體交換、水位控制、通航及城市景觀要求。龍湖通航狀態(tài)時閘門臥倒?jié)M足通航功能，東風渠出現(xiàn)洪水時閘門提起擋水。1號-3號出口控制閘布置形式一致，下面僅對1號出口控制閘的設(shè)計進行介紹。

2臥倒式閘門及其液壓啟閉機布置

2.1門型選擇

1號出口控制閘孔口凈寬28 m，底檻高程8270 m，東風渠側(cè)最高洪水位8753 m，龍湖正常蓄水位為8550 m，閘門雙向擋水。本工程設(shè)計中對直升門、上翻門、橫拉門、鋼壩閘、臥倒門幾種閘門形式進行了比較。

直升門。在水利工程中運用最普遍，閘門可雙向擋水，動水啟閉，也可局部開啟，技術(shù)最成熟，操作簡單，安全可靠，但在大型、特大型閘門中應用不多。其弱點是閘門跨度大時，為滿足閘門的剛度要求，閘門的門體較厚（既梁高很大），啟閉機排架高，啟閉機大梁高，施工難度大，尤其是有通航要求時，景觀較差。啟閉機可選擇卷揚式啟閉機或直升液壓啟閉機操作，卷揚式啟閉機中間同步連接軸較長，直升液壓啟閉機油缸伸出太高，不美觀。

上翻門。該閘門是閘橋合一的結(jié)構(gòu)形式。閘門分為數(shù)扇，懸掛在大橋的箱型梁上，閘門圍繞上鉸軸旋轉(zhuǎn)，開啟時平臥在橋下過水，閘門旋轉(zhuǎn)垂直狀態(tài)關(guān)閉擋水。閘橋結(jié)合形式簡潔，可以充分利用橋下空間，缺點是以單向擋水為主，閘門局部開啟工況較差，沒有控制流量的功能。

橫拉門。橫拉門是水利工程中應用非常多的一種門型。在平面閘門的頂部或底部設(shè)置行走輪，閘門可沿軌道橫向移動，多用在船閘或船塢上。閘門一般在靜水條件下操作，沒有控制流量的功能，閘一側(cè)占用空間較大。

[JP+1]鋼壩閘。鋼壩閘主要由平面門體、旋轉(zhuǎn)底軸、驅(qū)動拐柄和液壓系統(tǒng)組成，旋轉(zhuǎn)底軸安裝在河床底部，閘門繞旋轉(zhuǎn)底軸轉(zhuǎn)動。閘門可垂直或斜立位置擋水，門頂允許過流，閘門可動水啟閉，也可局部開啟。閘門開啟由液壓啟閉機推動閘墩內(nèi)側(cè)驅(qū)動拐柄，驅(qū)動拐柄轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)底軸完成。但旋轉(zhuǎn)底軸的制造和安裝難度較大，另一方面旋轉(zhuǎn)底軸穿側(cè)墻處的止水長期使用容易漏水，進入液壓啟閉機室，閘門不易檢修。[JP]

臥倒門。[JP]平面臥倒門也[HJ1.9mm]是轉(zhuǎn)動式閘門的一種。閘門根據(jù)孔口寬度設(shè)置數(shù)個安裝在河床底部的鉸座，閘門繞該鉸座的鉸軸轉(zhuǎn)動。閘門擋水時為斜立位置，過水時放下為水平位置。閘門可雙向擋水，門頂允許過流。閘門動水啟閉，也可局部開啟。閘門頂部設(shè)破水器，當內(nèi)河側(cè)水位高于外河側(cè)時，閘門啟閉時將水幕分開，使門下空腔與大氣連通防止引起閘門震動。臥倒式平面鋼閘門，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，水下沒有需要經(jīng)常檢修部件，造價較低，地面無任何建筑物，缺點是檢修不便。[JP]

通過上述5種門型分析比較，直升門、鋼壩閘和臥倒門均適合1號閘，結(jié)合金屬結(jié)構(gòu)和水工經(jīng)濟方面比較，綜合考慮整體建筑物布置和協(xié)調(diào)周邊環(huán)境，推薦方案采用臥倒門，工作閘門采用3孔臥倒式平板鋼閘門，單孔凈寬度為280 m，閘門支鉸軸設(shè)于底板寬頂堰上游面上，啟閉采用液壓啟閉機控制，龍湖通航狀態(tài)閘門平臥于底板上。東風渠出現(xiàn)百年一遇的洪水時閘門提起擋水。

2.2工作閘門設(shè)計

[BT4][STHZ]2.2.1閘門設(shè)計

臥倒門主要由臥倒門門體、支承結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、沖淤系統(tǒng)等組成。

閘門寬28 m，門頂高度為52 m，支鉸中心高程-075 m，閘門平時開啟狀態(tài)時臥倒在閘底板上。在防洪擋水時，閘門全關(guān)，與水平面成70°向東風渠側(cè)傾斜，可滿足雙向擋水的要求。閘門動水啟閉，也可局部開啟形成瀑布景觀，閘門可在任意位置局開。

安裝在閘門底部大梁和閘底板預埋件上支鉸，使閘門與閘底板保持鉸接狀態(tài)。沿孔口寬度方向上共布置2個支鉸，支鉸將閘門承受的荷載傳遞到閘底板上。在閘門兩側(cè)靠近閘墻處設(shè)兩個支臂，啟閉設(shè)備通過驅(qū)動支臂，使支臂帶動閘門繞支鉸軸線轉(zhuǎn)動，從而達到啟閉閘門的功能。

閘門的操作設(shè)備采用液壓啟閉機，油缸活塞桿吊點與閘門支臂鉸接，油缸中部鉸點布置在河道閘墻上，活塞桿吊點采用自潤滑關(guān)節(jié)軸承。閘門兩吊點的同步通過閉環(huán)液壓同步系統(tǒng)保證。液壓泵站布置在兩側(cè)邊墩的液壓泵站房里，一側(cè)控制2孔閘，一側(cè)控制1孔閘。

在閘門底檻上設(shè)置沖淤裝置，滿足閘門的沖淤要求，保證閘門不會因污物而影響閘門的正常工作。沖淤裝置的高壓水泵也布置在兩側(cè)液壓泵站房里。

[BT4][STHZ]22.2閘門部件設(shè)計

臥倒門結(jié)構(gòu)由門葉、支鉸、止水組成。門葉由面板、主梁和次梁組成，由于閘門允許頂部過流，在閘門的頂部設(shè)破水器，當閘門啟閉時破水器將水幕分開，閘門內(nèi)部設(shè)置通氣孔，使門下空腔與大氣連通，防止因產(chǎn)生負壓引起閘門震動。

閘門兩支鉸采用固定式，軸承采用自潤滑關(guān)節(jié)軸承，作為閘門的軸向基準點，可承受一定的軸向力，支鉸通過錨栓固定在閘底板上。

由于閘門支鉸完全淹沒于水下，水下維護保養(yǎng)比較困難，對自潤滑關(guān)節(jié)軸承而言，保證軸承安全有效的工作，防止污水和泥沙對軸承的侵蝕和破壞就是關(guān)鍵。關(guān)節(jié)軸承支鉸結(jié)構(gòu)的設(shè)計應能保護關(guān)節(jié)軸承免于泥沙的進入并且具有可靠的密封裝置，關(guān)節(jié)軸承的滑動面除有較低的摩擦系數(shù)外，對可能進入的少量泥沙有一定的適應能力，不能因泥沙的進入導致摩擦面的損壞，摩擦系數(shù)大幅升高。關(guān)節(jié)軸承應為自潤滑型，其使用壽命大于30 a。endprint

閘門底止水采用P型橡皮，兩側(cè)雙向止水的側(cè)水封裝置采用U型橡皮，側(cè)水封材料為普通水封橡皮，側(cè)水封裝置的結(jié)構(gòu)能夠適應閘門因溫度變化產(chǎn)生的變形。

[BT4][STHZ]2.2.3閘門沖淤

閘門運行狀態(tài)是長期臥倒放置，水中的門體有可能出現(xiàn)淤積現(xiàn)象，為了能正常啟閉，應設(shè)置沖淤裝置，沖淤主要是對門體下部的泥沙進行沖刷。沖淤裝置采用高壓水槍自動沖淤為主，人工清淤為輔的方式。

自動沖淤方式是在閘門底檻上設(shè)置沖淤裝置，利用高壓水通過沖淤管對門底淤積進行清理。設(shè)計考慮到?jīng)_淤的需要，在閘門臥倒狀態(tài)時，門葉底部緩沖墊與閘底板上支撐塊接觸使閘門與閘底板保留一定距離，少量淤積不影響閘門的正常工作，同時給高壓沖淤留出空間。閘門門底淤積應定時沖淤，每次啟閉閘門前應先進行沖淤。

[BT4][STHZ]2.2.4液壓啟閉機設(shè)計

臥倒門采用2×1600/2×1000 kN的液壓啟閉機操作，啟閉機工作行程為61 m。啟閉機油缸設(shè)置在閘墩兩側(cè)，啟閉機支鉸中心線距底檻高程為40 m，高于龍湖100年一遇洪水位8562 m。液壓啟閉機泵站和現(xiàn)地電控設(shè)備設(shè)置在兩岸，泵組、閥組、油箱為一體式結(jié)構(gòu)。每個泵站設(shè)兩套油泵電動機組，互為備用。

液壓系統(tǒng)具有使閘門同步、自動復位的功能。為保證閘門啟閉運行時兩吊點的同步，既保持閘門繞支鉸軸轉(zhuǎn)動時始終同步，啟閉機液壓系統(tǒng)設(shè)有閉環(huán)同步糾偏控制系統(tǒng)，以保證閘門的同步運行，同步誤差不大于2 cm。

自動復位的功能：當閘門擋龍湖水或在局開位置時，由于啟閉機液壓系統(tǒng)和油缸的內(nèi)泄，造成閘門支臂吊點向東風渠側(cè)滑動200 mm時，液壓啟閉機能夠自動啟動一組油泵電動機組將閘門提升至原位置。若下滑200 mm，液壓啟閉機未能啟動，則當滑動至300 mm時，液壓啟閉機能夠自動啟動另一組油泵電動機組，將閘門提升至原位置，并自動停止，同時發(fā)出聲光報警信號。

1號出口控制閘布置形式見圖1。

2.3工作閘門模型試驗

[JP+1]本工程中采用的大跨度臥倒門屬新型景觀水閘，目前沒有可供依據(jù)的規(guī)范標準，計算理論也不夠成熟，特別是閘門開啟及局部開啟運行狀態(tài)下閘門上下同時過流，水流流態(tài)復雜，水流對閘門作用過程復雜，引發(fā)閘門振動[HJ1.9mm]的邊界條件不明。因此，特意委托天津大學通過閘門水工模型試驗及相應的分析計算，對閘門運行過程中的水動力和結(jié)構(gòu)靜動力問題進行研究，為水工建筑設(shè)計和閘門結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)，提出閘門優(yōu)化布置及合理的閘門[JP]運行操作調(diào)度方案。

根據(jù)閘門的實際運用情況，分以下5種工況。

（1）正常運用1：龍湖水位8550 m，東風渠水位與龍湖水位差不大于±05 m時，閘門開啟，最終閘前后水位高程一致，維持在8550 m。

（2）正常運用2：龍湖水位8550 m，東風渠無水，閘門關(guān)閉，閘前后水位差達到最大。

（3）正常運用3：龍湖水位8550 m，東風渠無水或水深低于20 m，閘門局部開啟。

（4）非正常運用1：龍湖水位8550 m，閘門關(guān)閉，東風渠100年一遇水位最大水位8753 m。

（5）非正常運用2：龍湖水位8450 m，閘門關(guān)閉，東風渠100年一遇水位最大水位8753 m。

試驗量測了各工況下閘門位于不同開度時，單油缸吊頭和單支鉸座的受力。具體數(shù)值見表1-表4。

從試驗數(shù)據(jù)可看出如下結(jié)果。

（1）正常運用1，閘門開度20°左右時，單油缸吊頭所受拉力達到最大值，其值約為2483 t，單支鉸座所受壓力達到最大值，其值約為3336 t。

（2）[JP+2]正常運用2，單油缸吊頭所受最大拉力約為3282 t，單支鉸座所受最大壓力約為2024 t；正常運用3，閘門開度50°左右時，單油缸吊頭所受拉力達到最大值，其值約為8680 t，單支鉸座所受壓力達到最大值，其值約為14881 t。[JP]

（3）非正常運用1，單油缸吊頭所受最大壓力約為5653 t，單支鉸座所受最大壓力約為5624 t；非正常運用2，單油缸吊頭所受最大壓力約為6469 t，單支鉸座所受最大壓力約為6496 t。

按常規(guī)力學方法計算臥倒門啟閉力時，采用舌瓣閘門門頂溢流的動水壓力計算方法，計算結(jié)果同模型試驗結(jié)果趨勢基本一致。

24結(jié)構(gòu)計算

首先按常規(guī)的平面體系的容許應力法對臥倒門進行了計算，由于閘門結(jié)構(gòu)實際上是一個比較復雜的空間體系，因此采用有限元計算更接近實際情況。

根據(jù)閘門的結(jié)構(gòu)特點，依據(jù)設(shè)計圖紙建立閘門幾何模型，鋼閘門面板、主次梁及支臂均采用具有計算精度高、模擬實體方便靈活的特點的SOLID 45三維實體單元，單元劃分采用四面體和六面體單元，單元數(shù)量共720 113個，節(jié)點數(shù)量共210 497個。

[BT4][STHZ]2.4.1邊界條件

（1）計算參數(shù)。

閘門及支臂結(jié)構(gòu)均采用16 Mn鋼材，鋼材彈性模量E=206×105 MPa，泊松比μ=03，密度ρ=7850 kg/m3；

（2）計算荷載。

計算荷載主要為：自重，上下游水荷載；

（3）邊界約束。

坐標系定義為：x軸方向為水流方向，y軸為垂直方向，z軸為主橫梁軸，零點位于門底。根據(jù)閘門結(jié)構(gòu)的邊界約束情況，無論是閘門擋水還是開啟，均在底部支鉸處受到鉸的約束，同時受到閘門在不同開啟角度時支臂的約束，支臂與閘門之間錨栓連接需耦合各方向的自由度，支臂末端吊頭處施加全部約束。有限元計算模型的邊界處理為：底部支鉸及支臂吊頭施加x、y、z三個方向約束。

[BT4][STHZ]2.4.2計算過程

（1）正常運用1計算。

正常運用1，內(nèi)河水位8550 m，外河無水，閘門關(guān)閉，變形量計算見圖2，應力計算見圖3，閘門變形83 mm，拉應力523 MPa。[FL）]

[FL（K2][FK（W12。22]

圖2工況1變形量計算

[FK）]

[FK（W12。22]

圖3工況1應力計算

[FK）][FL）]

[FL（K2]（2）正常運用2計算。

正常運用2，內(nèi)河水位8550 m，外河無水，閘門局部開啟20°，變形量計算見圖4，應力計算見圖5，閘門變形139 mm，拉應力768 MPa。[FL）]

[FL（K2][FK（W12。22]

圖4工況2變形量計算

[FK）]

[FK（W12。22]

圖5工況2應力計算

[FK）][FL）]

[FL（K2]經(jīng)計算得知，工況1和工況2由于擋水方向相同，應力和位移等值線分布具有相似性，但由于工況2為閘門局部開啟閘頂過水工況，工況2應力和變形量最大，為控制工況，閘門的實際運行中應避免長時間停留在工況2的位置。

3結(jié)語

河流水環(huán)境是城市生態(tài)文明的載體，是城市寶貴的自然與文化資源，提高了城市的品味，改善了城市環(huán)境，具有綜合功能的新型大跨度閘門將得到廣泛的應用，目前鄭州市引黃灌區(qū)龍湖調(diào)蓄工程正在施工，大跨度液壓下翻轉(zhuǎn)式臥倒門景觀閘正在施工。

考慮到大跨度液壓下翻轉(zhuǎn)式臥倒門受力狀態(tài)復雜，且需局部開啟閘頂過水，傳統(tǒng)的平面計算難以反映其整體的受力狀態(tài)，本研究項目除進行模型試驗外，結(jié)構(gòu)計算采用三維有限元對其進行空間結(jié)構(gòu)復核。針對其不同的設(shè)計工況進行建模計算，對其控制工況進行有益的探索，計算結(jié)果對城市景觀閘的設(shè)計及運行方式具有現(xiàn)實指導意義。

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