大跨度平面立軸式弧形鋼閘門設(shè)計(jì)應(yīng)用

黃有琴

大跨度平面立軸式弧形鋼閘門設(shè)計(jì)應(yīng)用

黃有琴

一、概述

十五里河位于安徽省合肥市濱湖新區(qū)巢湖入口一開敞式河道，是環(huán)巢湖四期十五里河干支流小流域治理工程一項(xiàng)重要的水利工程，既有抗洪防汛功能，也肩負(fù)著調(diào)節(jié)保持十五河水位的重任，枯水期閘門關(guān)閉為十五里河蓄水，汛期則開閘行洪，同時(shí)對調(diào)節(jié)十五里河水質(zhì)也具有積極作用。

按照城市防洪要求，在該河道建設(shè)一閘站，由于該河道較寬，傳統(tǒng)的節(jié)制閘閘門需設(shè)多孔，且需由啟閉機(jī)控制，從而設(shè)專門的啟閉機(jī)房，難以與該工程的周邊環(huán)境和城市建筑風(fēng)格相協(xié)調(diào)。閘門設(shè)計(jì)水頭較高，不宜采用目前比較流行的鋼壩閘方案，長期擋水難以解決底部淤積問題，且成本較高。因此，該工程選用一種比較新型的閘門—對開式弧形閘門，閘門的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式既能滿足防洪排澇要求，又能滿足城市景觀效果的要求，同時(shí)擴(kuò)寬了閘門設(shè)計(jì)思路。

圖1 平面立軸式弧形鋼閘門布置圖

表1 十五里河河口閘站樞紐節(jié)制閘設(shè)計(jì)條件表

二、平面立軸弧形鋼閘門設(shè)計(jì)應(yīng)用

1.閘門的結(jié)構(gòu)布置

平面立軸弧形鋼閘門門葉上部為空間箱體結(jié)構(gòu)，閘門關(guān)閉時(shí)，結(jié)構(gòu)呈拱形鉸支承，作用在門體上的水壓力由門葉、支臂架承擔(dān)并指向鉸心。閘門門體根據(jù)防洪水位組合驗(yàn)算，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度，穩(wěn)定性條件滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。為防止閘門在風(fēng)浪等不均勻側(cè)向作用下可能發(fā)生的漂移，當(dāng)閘門關(guān)閉時(shí)，應(yīng)對閘門中縫頂部設(shè)鎖定機(jī)構(gòu)進(jìn)行限制，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)制閘門運(yùn)行功能要求。

閘門布置如圖1所示，主要由左右兩扇弧形門體結(jié)構(gòu)組成，支鉸中心設(shè)在兩側(cè)，并設(shè)有門庫。支鉸通過支臂與門體相連，閘門可繞支鉸中心旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)擋水和泄流要求。

2.閘門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)十五里河防洪排澇工程布局及特征水位分析，十五里河河口閘站樞紐工程節(jié)制閘門設(shè)計(jì)條件見表1。閘門根據(jù)規(guī)劃和水位條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)制閘的功能要求。

十五里河河道寬度45m，底檻6.0m，設(shè)平面立軸弧形鋼閘門，閘門曲率半徑為30m，門體厚度2.5m，門高8.3m，滿足規(guī)劃設(shè)計(jì)條件。門體左右兩扇對稱布置?？紤]景觀要求，門葉面板設(shè)在內(nèi)河側(cè)，左右支鉸間距48.6m，設(shè)在外河側(cè)，閘門雙向擋水。平時(shí)蓄水，閘門關(guān)閉，泄流時(shí)閘門左右對開，門體旋轉(zhuǎn)到門庫內(nèi)，河道暢通，實(shí)現(xiàn)泄流要求。河道兩側(cè)沿水流方向在閘室側(cè)設(shè)有檢修擋墻，并配有檢修閘門，滿足閘門在門庫中進(jìn)行檢修的條件。

當(dāng)閘門開啟泄流時(shí)，水頭差較大，下游出水對河道有較大沖擊作用。同時(shí)閘門可能出現(xiàn)振動，作為景觀建筑是不允許的?？紤]到可能出現(xiàn)這樣的情況，因此在左、右門體下部設(shè)置調(diào)節(jié)閘門進(jìn)行控制，解決小流量過流問題，既滿足了消能防沖過流的要求，又避免了下游河道水流沖擊問題，從而避過了閘門可能振動的工況。在水位差較小、過大流量時(shí)，開啟大閘門達(dá)到預(yù)期的過流要求。

門葉結(jié)構(gòu)設(shè)置上、下兩層結(jié)構(gòu)型式。上層中間為浮箱結(jié)構(gòu)，單扇門葉下部擋水部分各設(shè)置6扇調(diào)節(jié)閘門，調(diào)節(jié)閘門的凈孔口尺寸為1.5m×1.6m，上部為門葉為浮箱式結(jié)構(gòu)，可以利用浮箱在水中自身產(chǎn)生浮力，減輕門體對底檻產(chǎn)生的壓力，從而減輕閘門運(yùn)行過程中底滾輪和底檻的之間的摩阻力，同時(shí)作為調(diào)節(jié)閘門的啟閉機(jī)室。

閘門的支臂采用3根鋼管組成的鋼架構(gòu)件，單扇門葉共兩道支臂，張角34°兩根主支臂之間設(shè)一道格構(gòu)件連桿，以提高支臂的整體剛度和穩(wěn)定性。支臂鋼管與面板間采用焊接連接，主支臂鋼管直接伸入到門體中間，保證門體運(yùn)行時(shí)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，單扇門葉兩道支臂合并后通過支臂連接端部結(jié)構(gòu)和支鉸鉸鏈連接，從而和門葉形成整體的主框架結(jié)構(gòu)。

在閘門關(guān)閉時(shí)，左右門體的頂部均設(shè)置機(jī)械鎖定結(jié)構(gòu)，避免在閘門關(guān)閉擋水時(shí)門體由于風(fēng)浪等原因發(fā)生飄移而開啟。鎖定機(jī)構(gòu)和啟閉機(jī)進(jìn)行電氣聯(lián)鎖，在鎖定未解除之間，啟閉機(jī)不能運(yùn)作。

門葉的頂部采用蓋板進(jìn)行密封，考慮到以后調(diào)節(jié)閘門啟閉機(jī)及艙室內(nèi)的檢查巡視等，在蓋板上設(shè)置的活動水密艙口蓋，并設(shè)置了上下鋼質(zhì)直梯，方便工作人員及部分設(shè)備的進(jìn)出，同時(shí)在門葉甲板上設(shè)有欄桿扶手等附件。

圖2 支鉸結(jié)構(gòu)圖

圖3 止水結(jié)構(gòu)圖

3.支鉸的設(shè)計(jì)

支鉸安裝于下游側(cè)河道兩側(cè)岸邊的閘墩預(yù)埋件上，為水平放置，如圖2所示。根據(jù)支鉸的受力結(jié)構(gòu)，在支鉸支墩埋件上增加一剛性可拆卸調(diào)整式支承結(jié)構(gòu)，確保支鉸在垂直方向的受力結(jié)構(gòu)合理。

支鉸由支鉸座和鉸鏈組成，軸承采用自潤滑球關(guān)節(jié)軸承，能夠在垂直平面內(nèi)上下偏擺±2°，適應(yīng)閘門在垂直平面內(nèi)的上下偏擺需要。支鉸鉸鏈和支臂端部結(jié)構(gòu)通過螺栓和門體連接成整體結(jié)構(gòu)。

4.閘門止水的設(shè)計(jì)

閘門的止水結(jié)構(gòu)見圖3。閘門側(cè)止水采用新型的插拔式止水結(jié)構(gòu)，止水安裝在門體面板上的止水座、止水支撐架、止水座埋件等構(gòu)件組成。當(dāng)閘門擋水時(shí)，由止水座底部的彈簧鋼板彈力將止水支撐架將止水橡皮與止水支撐架及側(cè)止水座埋件基面緊密結(jié)合，達(dá)到止水的密封效果。當(dāng)止水需要更換時(shí)，從門頂將止水支撐架抽出，更換橡皮等。

該閘門的底止水采用雙面L型橡皮，在門葉面板底部呈八字型布置，主要是確保上下游雙向擋水?？紤]到閘門合攏擋水要求，中縫止水采用止水橡皮和尼龍進(jìn)行封水，滿足閘門動態(tài)止水要求，底止水與側(cè)止水拐角處及中縫止水均采用連接在門體底部的方型橡皮進(jìn)行過渡。

5.閘門底支承和運(yùn)行方式設(shè)計(jì)

閘門底支承考慮了兩種結(jié)構(gòu)方式：滑塊及偏心滾輪。如采用滑塊支承，則滑塊要分段加工成圓弧形，加工成本比較高，滑塊材料也要選用價(jià)格較貴的高性能材料，相應(yīng)啟閉機(jī)容量較大。綜合比較，采用偏心滾輪，轉(zhuǎn)動閘門時(shí)滾動的運(yùn)行方式更靈活，摩擦系數(shù)最小，可以最大限度地減小啟閉機(jī)容量。

閘門的啟閉方式可采用液壓馬達(dá)齒輪齒圈驅(qū)動，考慮到該驅(qū)動設(shè)備要安裝在門頂甲板，設(shè)備制作精度較高，位置固定，影響美觀，故閘門啟閉采用直拉式雙向卷揚(yáng)啟閉機(jī)。該啟閉機(jī)結(jié)合管理房位置布置在河道的兩側(cè)，通過固定在閘門上門葉面板和啟閉機(jī)滾筒上的鋼絲繩，并利用土建基礎(chǔ)安裝的轉(zhuǎn)向滑輪形成一個(gè)整體運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，以不同的方向運(yùn)轉(zhuǎn)滿足的啟閉，確保閘門的安全運(yùn)行，降低了成本，且不影響景觀。

6.調(diào)節(jié)閘門的設(shè)計(jì)

調(diào)節(jié)門型為實(shí)腹式平面滑動鋼閘門，止水采用工程塑料合金剛性止水型式，兼作支承，實(shí)現(xiàn)長時(shí)間免維護(hù)功能。均由液壓啟閉機(jī)控制操作運(yùn)行。為了保證閘門在運(yùn)行過程中的限位及支承止水密封效果，在閘門設(shè)雙支承結(jié)構(gòu)型式，利用軌道的垂直面及傾斜面配合閘門楔形滑塊在閘門啟閉過程中自動調(diào)整閘門和軌道的間隙，達(dá)到閘門的限位和封水效果。

考慮啟閉設(shè)備在浮箱內(nèi)，安裝空間緊湊，調(diào)節(jié)閘門的啟閉機(jī)選用液壓式啟閉機(jī)，滿足閘門啟閉及設(shè)備布置要求。

7.其他

為了保證閘門的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等要求，對閘門的各種控制運(yùn)行工況進(jìn)行三維有限元分析計(jì)算，優(yōu)化結(jié)構(gòu)和板梁布置。同時(shí)在閘門的門體上設(shè)置永久性監(jiān)測點(diǎn)，通過自動化系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測閘門運(yùn)行情況并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確保閘門可靠安全運(yùn)行。

三、結(jié)語

平面立軸弧形鋼閘門是結(jié)合城市景觀要求而設(shè)計(jì)一種較新型的閘門結(jié)構(gòu)形式。同時(shí)采用新型直拉式卷揚(yáng)啟閉機(jī)來實(shí)現(xiàn)閘門的轉(zhuǎn)動，突破了傳統(tǒng)的閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路和閘門運(yùn)行方式。閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理新穎，運(yùn)行可靠，對大跨度孔口閘門設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值■

（作者單位：安徽省水利水電勘測設(shè)計(jì)院 230088）