貴港二線船閘人字閘門(mén)設(shè)計(jì)特點(diǎn)與創(chuàng)新

蒙曉東

（廣西西江開(kāi)發(fā)投資集團(tuán)有限公司，南寧 530022）

貴港二線船閘人字閘門(mén)設(shè)計(jì)特點(diǎn)與創(chuàng)新

蒙曉東

（廣西西江開(kāi)發(fā)投資集團(tuán)有限公司，南寧 530022）

結(jié)合貴港二線船閘工程人字閘門(mén)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和特點(diǎn)，分析了人字閘門(mén)設(shè)計(jì)工作的要點(diǎn)。同時(shí)從船閘維修養(yǎng)護(hù)的角度出發(fā)，論述了船閘鋼閘門(mén)防撞護(hù)舷材料及結(jié)構(gòu)研究、自潤(rùn)滑材料的應(yīng)用等創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

人字閘門(mén)；閘門(mén)設(shè)計(jì)；運(yùn)轉(zhuǎn)件；自潤(rùn)滑；防撞護(hù)舷；貴港二線船閘

1 工程概況

西江航運(yùn)干線由郁江、潯江、西江、珠江組成，是桂、滇、黔地區(qū)豐富的礦產(chǎn)資源外運(yùn)的重要通道。貴港航運(yùn)樞紐是西江航運(yùn)干線南寧至梧州段4個(gè)渠化梯級(jí)的第二個(gè)梯級(jí)，位于郁江中段貴港市區(qū)上游約6.5 km處。

貴港二線船閘為I級(jí)通航建筑物，設(shè)計(jì)最大船型為3 000 t級(jí)船舶，船閘有效尺度為280 m×34 m×5.8 m（閘室長(zhǎng)×口門(mén)寬×門(mén)檻最小水深）。船閘承受單向水頭作用，最大設(shè)計(jì)水頭為14.1 m。其中，工作閘門(mén)采用橫梁式鋼質(zhì)平板人字門(mén)，上、下閘首各設(shè)置兩扇，左右對(duì)稱布置。

2 設(shè)計(jì)特點(diǎn)概述

人字閘門(mén)關(guān)閉擋水時(shí)，水壓力通過(guò)由橫梁系統(tǒng)所組成的三角拱形式進(jìn)行傳力，斜接柱及門(mén)軸柱通長(zhǎng)布置作為縱向支承梁參與傳遞軸向力，并與頂、底橫梁共同組成閉合框架，垂直力（閘門(mén)自重）由底樞蘑菇頭承受[1]。在啟閉過(guò)程中，人字閘門(mén)則依靠頂樞、底樞支承，由水平荷載（壅水荷載、風(fēng)壓力）及豎直荷載（偏心自重）引起的扭矩主要由背拉桿承受。

2.1 θ角（門(mén)軸線與閘室橫軸線的夾角）的取值

θ角增大，拱的軸向壓力和對(duì)閘首邊墩的水平推力變小，但門(mén)扇的計(jì)算長(zhǎng)度和主梁的彎矩也相應(yīng)增大，增加了閘門(mén)的用鋼量；反之，θ角減小，門(mén)扇的計(jì)算長(zhǎng)度縮短，但拱軸壓力和對(duì)閘首邊墩的水平推力將顯著增大，這對(duì)主梁的受力和閘首邊墩的穩(wěn)定不利[2]。參照國(guó)內(nèi)外人字閘門(mén)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并考慮西江航運(yùn)干線人字閘門(mén)結(jié)構(gòu)及部件的標(biāo)準(zhǔn)化，貴港二線船閘人字閘門(mén)取θ=22.5°。

2.2 旋轉(zhuǎn)中心位置的確定

人字閘門(mén)旋轉(zhuǎn)中心應(yīng)設(shè)置在三鉸拱支鉸總推力線的上游側(cè)，且偏離的距離不宜小于50 mm[3]。這樣布置有兩個(gè)目的：一是閘門(mén)關(guān)閉時(shí)，門(mén)軸柱上的支墊塊能迅速與枕墊塊接觸，使底樞蘑菇頭不承受擋水時(shí)產(chǎn)生的拱推力；二是閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)，支、枕墊塊能迅速脫開(kāi)。貴港二線船閘人字閘門(mén)取該偏心距為100 mm。

2.3 門(mén)體結(jié)構(gòu)

人字閘門(mén)主橫梁有兩種布置型式：等荷載法與分組荷載法。當(dāng)閘門(mén)門(mén)體較高時(shí)，由于上部主梁無(wú)法根據(jù)等荷載原理隨意加大主橫梁間距，導(dǎo)致上部主橫梁的應(yīng)力較小，達(dá)不到主梁變形協(xié)調(diào)的意圖，會(huì)引起豎向聯(lián)結(jié)系產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。因此，貴港二線船閘采用了分組荷載法，根據(jù)承受載荷的大小對(duì)閘門(mén)中間主梁進(jìn)行了分類(lèi)，并兼顧考慮制造的難度，最終上游閘門(mén)中間主梁共分為兩類(lèi)，下游閘門(mén)中間主梁共分為三類(lèi)。閘門(mén)端柱則采用組合截面，并沿推力方向設(shè)置推力隔板，主梁之間通過(guò)橫向隔板相互聯(lián)系，另外在面板側(cè)布置了水平次梁及豎直次梁，減小面板的區(qū)格。閘門(mén)的材料主要采用低合金鋼Q345B。

2.4 抗扭

人字閘門(mén)在啟閉過(guò)程中由于水平荷載和豎向荷載產(chǎn)生的扭矩會(huì)導(dǎo)致門(mén)體發(fā)生撓曲，從而影響閘門(mén)的正常運(yùn)行，甚至出現(xiàn)撓曲過(guò)大而使兩扇門(mén)葉無(wú)法準(zhǔn)確對(duì)中，因此人字閘門(mén)的抗扭設(shè)計(jì)非常重要。本船閘人字閘門(mén)高度較高（上游閘門(mén)高13.2 m，下游閘門(mén)高25.3 m），且淹沒(méi)水深較大，因此在閘門(mén)背面設(shè)置了預(yù)應(yīng)力背拉桿（其中上閘首采用單交叉的型式，下閘首采用雙交叉的型式，主背拉桿均設(shè)置3道，副背拉桿均設(shè)置2道），以增加門(mén)體的整體抗扭剛度，達(dá)到解決閘門(mén)扭曲變形的目的。

2.5 支枕墊

支枕墊是人字閘門(mén)關(guān)閉擋水時(shí)的重要傳力構(gòu)件，其設(shè)計(jì)是否合理、安裝是否精確、開(kāi)關(guān)過(guò)程能否順利對(duì)中均對(duì)整個(gè)閘門(mén)的受力體系有很大影響。

貴港二線船閘人字閘門(mén)中縫及邊縫均設(shè)置連續(xù)的支、枕墊塊，材料選用鍛不銹鋼0Cr18Ni9N并進(jìn)行固溶處理，既參與傳遞軸向力，也兼有止水作用。其中，門(mén)軸柱支、枕墊塊采用弧面對(duì)弧面接觸形式，由于凹面跟凸面采用不同半徑（凹面為R850mm，凸面為R800 mm），方便閘門(mén)啟閉過(guò)程中支枕墊的迅速脫開(kāi)及順利入位；斜接柱支墊塊則采用弧面對(duì)平面的接觸形式，以使結(jié)構(gòu)受力明確，便于安裝時(shí)的調(diào)整與檢測(cè)。

2.6 頂、底樞

頂、底樞是人字閘門(mén)最為重要的部件，其設(shè)計(jì)的合理性及耐久性直接關(guān)系到閘門(mén)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，也影響著閘門(mén)整體的維修周期和后期維護(hù)成本。

貴港二線船閘人字閘門(mén)由于門(mén)體高度及淹沒(méi)水深均較大，頂樞拉桿在啟閉過(guò)程中產(chǎn)生很大的內(nèi)力，同時(shí)還須考慮支枕墊運(yùn)行受阻時(shí)，頂樞承受非正常性的作用力和沖擊力，因此頂樞結(jié)構(gòu)選用楔塊調(diào)節(jié)的型式，可減短拉桿的長(zhǎng)細(xì)比并提高抗壓能力，并利用楔塊的自鎖特性保證位置的穩(wěn)定。底樞則采用固定式結(jié)構(gòu)，由于閘門(mén)豎向荷載均由底樞蘑菇頭承擔(dān)，這就要求其具有較高的承載能力，本設(shè)計(jì)蘑菇頭材料選用40 Cr，并經(jīng)調(diào)質(zhì)后表面淬火，使表面硬度達(dá)到45 HRC以上，再鍍以乳白鉻及硬鉻，以提高承載能力和耐腐蝕性能。蘑菇頭襯套采用銅基合金自潤(rùn)滑材料，具有承載能力高，摩擦系數(shù)低，耐磨損、使用壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。底樞支承座在與枕墊塊支承的部位做成分體式，支承座在該部位做成燕尾槽型式，便于支承插塊的安裝，這種結(jié)構(gòu)型式加工方便，且易保證加工精度和以后大修時(shí)的更換方便。底樞設(shè)計(jì)了一套強(qiáng)制潤(rùn)滑系統(tǒng)，為保證可靠潤(rùn)滑，底樞設(shè)計(jì)成封閉式結(jié)構(gòu)，在襯套上開(kāi)設(shè)油槽，并在蘑菇頭襯套與蘑菇頭的接觸表面開(kāi)設(shè)進(jìn)油口和回油口，以便于對(duì)底樞系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)制的循環(huán)加油。

3 創(chuàng)新與研究

貴港二線船閘在設(shè)計(jì)過(guò)程中，針對(duì)現(xiàn)有人字閘門(mén)使用維護(hù)中出現(xiàn)的一些問(wèn)題，經(jīng)分析研究，設(shè)計(jì)中通過(guò)改進(jìn)結(jié)構(gòu)型式、采用新型材料等方式，以期對(duì)延長(zhǎng)人字閘門(mén)大修周期，減少維修工作量等方面取得了一定的進(jìn)步。

3.1 船閘鋼閘門(mén)防撞護(hù)舷材料及結(jié)構(gòu)研究

國(guó)內(nèi)外人字閘門(mén)防撞設(shè)施除早期采用木質(zhì)護(hù)舷外，目前大多采用鋼質(zhì)圓弧形通長(zhǎng)護(hù)舷（見(jiàn)圖1）。鋼質(zhì)護(hù)舷在船閘撞擊時(shí)為剛性碰撞，幾乎無(wú)消能作用，而隨著船舶越來(lái)越大型化，船舶撞擊力也越來(lái)越大，鋼護(hù)舷在船舶撞擊下極易發(fā)生變形損壞，進(jìn)而降低門(mén)體結(jié)構(gòu)安全度和使用壽命，且拆除維修困難，給船閘運(yùn)行管理帶來(lái)諸多不便，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐纱l停航，影響航道的暢通。

圖1 鋼護(hù)舷

貴港二線船閘人字閘門(mén)設(shè)計(jì)中則采用了橡膠合金護(hù)木（見(jiàn)圖2），該護(hù)木表層和內(nèi)層使用了不同的材料：表層材料采用高硬度橡膠HS材料，具有硬度較高，抗壓強(qiáng)度高、摩擦系數(shù)低等特點(diǎn)，作為防撞層，直接承受撞擊力及剪切力，同時(shí)可以吸收部分能量；里層阻尼材料采用橡膠本體材料，具有永久變形量小，吸能效率高等特點(diǎn)，作為吸能層，還具有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和機(jī)械性能；內(nèi)層及螺栓孔位置還設(shè)置有金屬骨架，進(jìn)一步提高了護(hù)舷結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度及抗變形、抗撕裂的能力，且拆裝及更換非常方便。

圖2 橡膠合金護(hù)木

3.2 自潤(rùn)滑材料的應(yīng)用

頂、底樞作為閘門(mén)主要的運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)件，其使用壽命的長(zhǎng)短直接決定著閘門(mén)大修周期的長(zhǎng)短，而頂樞軸與軸套、底樞蘑菇頭與襯套之間常年處于重載低速運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)，且受力情況復(fù)雜，加之工作環(huán)境惡劣，是最易發(fā)生磨損破壞的部件。早期的軸套及蘑菇頭襯套基本采用鑄造鋁鐵青銅，由于鑄造工藝的不穩(wěn)定及材料本身的特性，導(dǎo)致耐磨性較差，一般運(yùn)行3～4萬(wàn)次就報(bào)廢。

貴港二線船閘人字閘門(mén)頂、底樞軸承均采用銅基合金自潤(rùn)滑材料（見(jiàn)圖3），以高強(qiáng)度銅合金為基體，具有承載能力高（屈服強(qiáng)度能達(dá)到520 MPa甚至更高），摩擦系數(shù)低，耐磨損（硬度達(dá)到200 HB）、使用壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于低速、重載條件下的轉(zhuǎn)動(dòng)、擺動(dòng)和沿軸向往復(fù)滑動(dòng)，可有效減緩底樞蘑菇頭、軸類(lèi)等重要運(yùn)轉(zhuǎn)件的磨損，延長(zhǎng)人字閘門(mén)的大修周期。

圖3 底樞軸承

4 結(jié)語(yǔ)

人字閘門(mén)是船閘工作閘門(mén)中最常采用的結(jié)構(gòu)型式，國(guó)、內(nèi)外大型船閘的工作閘門(mén)（包括葛洲壩船閘、三峽船閘在內(nèi)）也大多采用人字閘門(mén)，因此不論是受力體系分析、腐蝕疲勞防治，還是材料的選擇應(yīng)用、潤(rùn)滑系統(tǒng)的設(shè)置等等方面均已有較為完備及豐富的設(shè)計(jì)與工程經(jīng)驗(yàn)。從船閘實(shí)際運(yùn)行效果來(lái)看，閘、閥門(mén)運(yùn)轉(zhuǎn)件的壽命直接影響到船閘整體的維護(hù)工作量及維護(hù)周期。在今后的人字閘門(mén)設(shè)計(jì)中，如何通過(guò)對(duì)新材料、新工藝的應(yīng)用，來(lái)改善運(yùn)轉(zhuǎn)部件的使用壽命，進(jìn)而延長(zhǎng)人字閘門(mén)大修周期，應(yīng)該是人字閘門(mén)發(fā)展中需要解決的一個(gè)重要方面。

[1]JTJ308－2003，船閘閘閥門(mén)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 范崇仁.水工鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，1999.

[3] 劉孟穆.船閘人字閘門(mén)設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2007.

（責(zé)任編輯：劉征湛）

Design characteristics and innovation of miter gate at Guigang 2nd line shiplock

MENG Xiao-dong
（Guangxi Xijiang Development&Investment Group Co.，Ltd.，Nanning 530022，China）

Combined with the design experience and characteristics of miter gate at Guigang 2nd line shiplock，the author analyzed the key points of miter gate design.In view of shiplock maintenance，discussion was made on the innovation design of shiplock steel gates，including material and structural design of anti-collision fender，applica?tion of self-lubricating material.

Mitergate；gatedesign；runningpart；self-lubrication；anti-collisionfender；Guigang2ndlineshiplock

U641.33

B

1003-1510（2016）03-0029-03

2016-00-00

蒙曉東（1983-），男，廣西崇左人，廣西西江開(kāi)發(fā)投資集團(tuán)有限公司工程師，學(xué)士，主要從事水電站、船閘建設(shè)及運(yùn)營(yíng)管理。