升臥式平面鋼閘門在安徽省懷洪新河工程中的應(yīng)用

余百友

(安徽省水利規(guī)劃辦公室， 安徽 合肥　230022)

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升臥式平面鋼閘門在安徽省懷洪新河工程中的應(yīng)用

余百友

(安徽省水利規(guī)劃辦公室， 安徽 合肥230022)

升臥式平面鋼閘門關(guān)閉擋水時(shí)呈直立狀態(tài)，完全開啟后平臥于閘墩頂部，兼具平面直升式閘門和弧形閘門的優(yōu)點(diǎn)。作為一種頗具特色的閘門型式，與其他閘門的最大區(qū)別在于其獨(dú)特的門槽軌道線型。本文結(jié)合工程實(shí)踐，介紹了升臥式閘門的特點(diǎn)，對(duì)其軌道線型和幾何尺寸的確定予以分析和研究。

升臥式鋼閘門； 軌道線型； 幾何尺寸； 特點(diǎn)

1　概　述

閘門是水工建筑物的重要組成部分，尤其是在水閘工程中所占投資比重較大，其閘門型式的選取，直接關(guān)系到水閘的結(jié)構(gòu)型式和經(jīng)濟(jì)合理性。水利水電工程建設(shè)中，常用的閘門型式有平面直升式閘門和弧形閘門，它們有著各自的優(yōu)點(diǎn)和不足。升臥式閘門是在工程建設(shè)實(shí)踐中研制出的一種新型閘門，克服了平面直升式閘門和弧形閘門的不足，汲取了兩者的優(yōu)點(diǎn)，技術(shù)成熟，在各地水利工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，成為水閘的主要門型之一。目前，國(guó)內(nèi)建成的升臥式閘門最大寬度接近20m。

2　升臥式閘門的特點(diǎn)

升臥式閘門是一種頗具特色的閘門型式，與傳統(tǒng)的閘門相比，具有以下特點(diǎn)：

a.閘門擋水時(shí)呈直立狀態(tài)，完全開啟后呈水平狀態(tài)，平臥于閘墩頂部。

b.門槽軌道線形：反軌為鉛直線，主軌由鉛直段接圓弧段、再接一定仰角的斜坡段線形組成。門槽的寬度：下部鉛直段比主輪直徑寬2～5cm，從圓弧段開端向上，門槽寬度逐漸加大，至上端最大寬度取閘門兩只主輪外緣的距離加5cm左右富裕度為宜，既保證閘門能平臥又不致因空隙過大而左右晃動(dòng)。

c.門葉不能伸入兩側(cè)門槽內(nèi)，即門葉寬度要略小于閘孔凈寬，每側(cè)保留3～4cm間隙，以使閘門能在閘孔內(nèi)靈活轉(zhuǎn)動(dòng)。

d.閘門的支承采用懸臂式主輪，每側(cè)布置兩只，僅此4只懸臂式主輪伸入閘墩的門槽內(nèi)，并使上、下主輪的運(yùn)行軌跡不同，以達(dá)到升臥的要求。

e.側(cè)止水裝置不布置在門槽內(nèi)，而布置在面板兩側(cè)，靠與閘墩表面的導(dǎo)軌預(yù)壓封水。

f.吊點(diǎn)布置在閘門上游側(cè)或下游側(cè)的面板下部，以保證閘門在啟升中門頂向下游或上游轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)，將吊點(diǎn)向上游或下游伸出面板一段距離，其作用：?預(yù)留啟閉機(jī)動(dòng)滑輪組的安裝空間；?使啟門力作用線與閘門重心線有一個(gè)偏心距，保證在閘門開啟上升過程中，無(wú)論是否受到水壓力，都能產(chǎn)生一個(gè)向上游或下游的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。

3　升臥式閘門的優(yōu)點(diǎn)和存在的問題

3.1優(yōu)點(diǎn)

與直升式閘門相比，升臥式閘門能顯著降低啟閉機(jī)臺(tái)排架高度，提高水工建筑物的抗震能力，尤其對(duì)地震設(shè)防烈度較高的地區(qū)，有很大優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，其側(cè)封水不伸入門槽內(nèi)，門葉的寬度比直升式閘門要小、閘墩厚度較薄，減小工程量，降低了工程造價(jià)。

弧形閘門要求閘墩較長(zhǎng)，閘門承受的全部水壓力集中于閘墩上部的牛腿上，閘墩受力條件不好，閘門制作、安裝較復(fù)雜。與弧形閘門相比，升臥式閘門能顯著縮短閘墩長(zhǎng)度，閘墩受力條件好，閘門制作、安裝較簡(jiǎn)單。

3.2存在的主要問題

a.向下游側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)的升臥式閘門吊點(diǎn)需布置在上游側(cè)面板下部，閘門關(guān)閉擋水后，啟閉機(jī)的動(dòng)滑輪組和鋼絲繩長(zhǎng)期浸泡在水中，容易銹蝕，縮短了動(dòng)滑輪組和鋼絲繩的使用壽命。

b.向上游側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)的升臥式閘門，在小開度時(shí)與水壓力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，不利于閘門轉(zhuǎn)動(dòng)，故要求較大的啟門力，且閘門平臥后面板朝下，不方便除銹涂漆。

4　工程實(shí)例

4.1工程概況

安徽省懷洪新河新胡洼閘樞紐工程位于固鎮(zhèn)縣境內(nèi),澥河入澥河洼的河口處,距固鎮(zhèn)縣新馬橋鎮(zhèn)6km。胡洼閘樞紐工程包括新胡洼閘工程與老胡洼閘改建工程。其中新胡洼閘按淮河百年一遇洪水分洪時(shí)過閘流量2000m3/s設(shè)計(jì)，相應(yīng)閘上、閘下水位分別為20.07m和19.87m；閘上、閘下防洪水位分別為16.87m和18.97m；閘上、閘下蓄水位分別為18.37m和12.87m。水閘共11孔，每孔凈寬10m，閘底檻高程12.87m；門葉尺寸(寬×高)9.96m×6.4m。工程位于7度地震區(qū)。經(jīng)方案比選新胡洼閘閘門采用升臥式平面鋼閘門。

4.2門葉結(jié)構(gòu)

升臥式平面鋼閘門的門葉結(jié)構(gòu)與普通平面定輪門的受力傳力模式基本一致，都是通過面板將水壓力依次傳給次梁、縱梁、主橫梁，再由主橫梁傳給邊梁，最后由邊梁傳給四個(gè)懸臂式滾輪，滾輪再將作用力傳遞給混凝土閘墩。不同的是門葉寬度必須要小于孔口寬度，每側(cè)宜各留20～40mm空隙，側(cè)封水必須布置在門槽外，且必須控制側(cè)封水的安裝精度，以保證其與軌道上側(cè)封水座之間有一定的預(yù)壓縮量。

新胡洼閘工作閘門孔口尺寸為10.0m×6.4m(寬×高),底檻高程12.87m,門頂高程19.27m。閘門為面板梁系結(jié)構(gòu),尺寸為9.96m×6.4m(寬×高)，比閘孔凈寬小40mm，每側(cè)各預(yù)留20mm的空隙，保證門葉在閘孔內(nèi)靈活轉(zhuǎn)動(dòng)。面板厚度10mm。梁系同層布置,設(shè)置實(shí)腹式雙主橫梁,等荷載布置,受力明確，制作簡(jiǎn)單，且能充分發(fā)揮材料性能，使造價(jià)最低。主橫梁焊接工字形截面，采用變截面，跨中部梁高900mm,兩端漸變減小為550mm；次橫梁采用槽型鋼梁，共5根；門葉頂部設(shè)置一根焊接成型的頂橫梁；縱梁共5根，為焊接工字形截面，與主橫梁同高；邊梁采用焊接“Π”字型截面，高度為550mm。

4.3門槽軌道線型

升臥式閘門與其他閘門最大的區(qū)別在于其獨(dú)特的軌道型式。軌道線型的特征參數(shù)主要包括軌道鉛直段長(zhǎng)度S、弧軌半徑R、弧軌長(zhǎng)度及起弧點(diǎn)的高度Z值(閘門在關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，上主輪中心至起弧點(diǎn)的距離)等，其關(guān)系到升臥式閘門在開啟中開始出現(xiàn)傾斜時(shí)的開度大小、啟閉機(jī)平臺(tái)高度、閘門上主輪行至弧軌段時(shí)是否出現(xiàn)自動(dòng)上滑以及閉門時(shí)在弧軌段是否出現(xiàn)不能靠自重閉門等問題。因此，軌道直升段長(zhǎng)度S、弧軌半徑R及起弧點(diǎn)的高度Z值的確定至關(guān)重要。S、R與Z值太大，將增加啟閉機(jī)平臺(tái)高度，不能充分發(fā)揮升臥式閘門的優(yōu)勢(shì)；太小則可能導(dǎo)致閘門在啟閉過程出現(xiàn)自動(dòng)上滑或卡阻現(xiàn)象。

升臥式閘門分向上游轉(zhuǎn)動(dòng)和向下游轉(zhuǎn)動(dòng)兩種情況，以下主要針對(duì)閘門向下游轉(zhuǎn)動(dòng)情況進(jìn)行分析。

根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)往下游側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)的升臥式閘門，S、R的值一般先按S≥0.8H，R≥0.2H(H為擋水高度，取6.1m)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值選用，然后計(jì)算啟閉力對(duì)其進(jìn)行復(fù)核。據(jù)此計(jì)算得出S≥4.88m,R≥1.22m。

另外，考慮到新胡洼閘需要控制閘門小開度泄洪(閘門小開度控泄)，此時(shí)上主滾輪若運(yùn)行至弧軌段，閘門呈傾斜狀，則泄洪流態(tài)不好，可能引起閘門震動(dòng)。因此，在小開度控泄時(shí)，閘門宜保持在軌道鉛直段運(yùn)行。

根據(jù)控泄流量大小，經(jīng)計(jì)算分析，閘門小流量控泄開度在0～2.6m范圍，則起弧點(diǎn)的高度Z≥2.6m。上主滾輪中心至閘底坎的距離為3.31m，故滿足該要求的S≥2.6+3.31=5.91m。綜合以上因素，確定S=6.06m,R=1.4m。

軌道最高點(diǎn)高程按閘門平臥后底部高出泄洪水位不小于0.3m確定，取21.02m。最高點(diǎn)確定后，向圓弧段作切線，計(jì)算出弧軌段圓心角為69°。至此，軌道各段線型均已確定，見圖1。

圖1　閘門軌道線型(單位：m)

4.4門槽弧軌幾何尺寸驗(yàn)算

擬定的門槽弧軌線型和幾何尺寸是否滿足運(yùn)行要求，即閘門關(guān)閉過程中，當(dāng)上主輪運(yùn)行至弧軌時(shí)，能否靠自重下降；開啟時(shí)，當(dāng)上主輪運(yùn)行至弧軌時(shí)，是否會(huì)自行上滑，需要進(jìn)行驗(yàn)算。驗(yàn)算方法是分別計(jì)算閘門在開啟和關(guān)閉時(shí)的啟閉機(jī)持住力，持住力大于零時(shí)，滿足運(yùn)行要求，門槽幾何尺寸合適；持住力小于零時(shí)，不滿足運(yùn)行要求，需要重新確定門槽軌道線型和幾何尺寸，再核算，直到滿足為止。

延長(zhǎng)上、下主輪軌道反力作用線，設(shè)其交點(diǎn)為O點(diǎn)，先計(jì)算出閘門自重G、水壓力P、止水摩擦力F等力和O點(diǎn)到各力的力臂g、p、f，以及持住力的力臂d，利用∑Mo=0為條件求持住力D。公式如下：

式中，閘門開啟時(shí)，F(xiàn)前取“+”,閘門關(guān)閉時(shí)，F(xiàn)前取“-”； 其中F、f、P、p、g和d的值，均是閘門開啟度和φ角(上主輪軸心和弧軌圓心連線與水平線的夾角)的函數(shù)，即隨φ角大小而變化。具體計(jì)算時(shí)，取不同的φ角值，如5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°等分別計(jì)算出對(duì)應(yīng)的F、f、P、p、g、d和D值。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，繪制出D-φ函數(shù)圖，見圖2。

圖2　D-φ函數(shù)關(guān)系

從圖2可以看出，閘門開啟和關(guān)閉過程中，啟閉機(jī)持住力均大于零，即閘門在弧軌段運(yùn)行時(shí)，能靠自重關(guān)閉，且在開啟時(shí)又不會(huì)自行上滑。所以確定的弧軌尺寸S=6.06m,R=1.4m是合適的。

4.5啟閉機(jī)平臺(tái)高程的確定

啟閉機(jī)平臺(tái)高程應(yīng)滿足：?閘門全開時(shí)，吊點(diǎn)軸中心至平臺(tái)橋底的距離應(yīng)滿足所選用啟閉機(jī)規(guī)定的最小尺寸要求；?閘門在開啟和關(guān)閉過程中，門葉上緣側(cè)封水頂部不能觸碰平臺(tái)橋下游梁及橋面板下游邊緣。建立以閘底板線為x軸、門槽上軌線為z軸、兩線交點(diǎn)為原點(diǎn)的直角坐標(biāo)系，可以列出門頂上游邊緣A點(diǎn)的軌跡方程，繪制出A點(diǎn)的軌跡線。考慮一定的安全超高值，綜合確定出啟閉機(jī)平臺(tái)高程。該工程確定啟閉機(jī)平臺(tái)高程為25.57m，詳見圖1。

5　結(jié)　語(yǔ)

與平面直升閘門和弧形閘相比，升臥式閘門在降低啟閉機(jī)平臺(tái)排架高度和提高水工建筑物抗震能力等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，在各地水利工程建設(shè)中將越來越多地被采用。方案設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)各工程的具體情況和特點(diǎn)，合理確定閘門軌道線型和幾何尺寸等設(shè)計(jì)參數(shù)，保證閘門安全正常運(yùn)行。

Application of lift horizontal plane steel gate in Anhui Huaihongxin River Project

YU Baiyou

(Anhui Water Resources Planning Office, Hefei 230022, China)

Lift horizontal plane steel gate is in vertical state when it is closed for blocking water. It is horizontal to the top of gate pier after it is completely opened. It has advantages of plane vertical lift gate and arc gate. It biggest difference from other gates lies in its gate slot rail line type as a kind of characteristic gate type. In the paper, engineering practice is combined for introducing the characteristics of lift horizontal gate. Its rail line type and geometry determination are analyzed and studied.

lift horizontal steel gate; rail line type; geometry; characteristics

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2016.08.016

TV663+.9

B

1005- 4774(2016)08- 0066- 03