鄭州龍湖調(diào)蓄工程1#出口控制閘閘門(mén)及啟閉機(jī)布置研究

黃哲元 陳雪艷 朱健聰

摘 要：本文介紹了鄭州市引黃灌區(qū)龍湖調(diào)蓄工程1#出口控制閘閘門(mén)和啟閉機(jī)的設(shè)計(jì)及特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)人字門(mén)、鋼壩閘和臥倒閘門(mén)的對(duì)比，闡述了臥倒閘門(mén)在大跨度景觀河道上的應(yīng)用，并通過(guò)模型試驗(yàn)及三維有限元計(jì)算分析，為閘門(mén)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：調(diào)蓄工程;出口控制閘;臥倒閘門(mén);模型試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TV664 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）10-0063-02

Abstract： This paper introduced the design and characteristics of the No.1 exit control gate and hoist in the Longhu Reservoir Project of the Yellow River irrigation District of Zhengzhou City. By comparing miter gate， steel dam gate and recumbent gate， the application of the recumbent gate in the long-span landscape river channel was expounded. Through model test and three-dimensional finite element calculation and analysis， the basis for optimum design of gate structure was provided.

Keywords： regulation and storage project ;exit control gate;recumbent gate; model test

1 工程概述

鄭州龍湖調(diào)蓄工程位于鄭州市城區(qū)的東北部，下游分別與魏河、東風(fēng)渠連接。其中1#河道為通航河道，需要修建1座控制性水閘。1#出口控制閘主要功能為攔蓄調(diào)蓄池水，通航時(shí)開(kāi)啟閘門(mén)，龍湖水體交換時(shí)控泄、調(diào)蓄池水入東風(fēng)渠。運(yùn)行工況如下。

①東風(fēng)渠100年一遇水位87.53m，龍湖調(diào)蓄池正常蓄水85.5m，1號(hào)閘處擋東風(fēng)渠側(cè)水差2.03m;閘門(mén)處于擋水狀態(tài)，啟閉機(jī)不工作。

②龍湖調(diào)蓄池100年一遇水位85.62m，東風(fēng)渠檢修渠道無(wú)水，1號(hào)閘河口處龍湖側(cè)擋水2.92m;閘門(mén)處于擋水狀態(tài)，啟閉機(jī)工作。

③1號(hào)閘正常蓄水位85.50m，東風(fēng)渠與龍湖側(cè)水位差不大于0.5m時(shí)可開(kāi)啟閘門(mén)，此時(shí)河道通航。

2 1#出口控制閘閘門(mén)及啟閉機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 閘型方案比選

控制閘閘門(mén)門(mén)型選擇主要考慮以下幾方面因素：一是閘門(mén)必須滿(mǎn)足使用功能要求;二是閘門(mén)必須滿(mǎn)足景觀要求;三是閘門(mén)必須滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)合理的要求。

設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)上翻門(mén)、鋼壩閘、臥倒閘門(mén)3種閘門(mén)型式進(jìn)行比較[1]。

①上翻門(mén)。該閘門(mén)是閘橋合一的結(jié)構(gòu)形式。閘門(mén)圍繞上鉸軸旋轉(zhuǎn)，開(kāi)啟時(shí)平臥在橋下過(guò)水，閘門(mén)旋轉(zhuǎn)垂直狀態(tài)關(guān)閉擋水。啟閉機(jī)可選擇卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)或液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作。閘橋結(jié)合形式簡(jiǎn)潔，可以充分利用橋下空間，缺點(diǎn)是閘門(mén)局部開(kāi)啟工況較差，沒(méi)有控制流量的功能。

②鋼壩閘。鋼壩閘閘門(mén)擋水可垂直或斜立放置，閘門(mén)門(mén)頂允許過(guò)流，閘門(mén)可動(dòng)水啟閉，也可局部開(kāi)啟。該閘門(mén)的缺點(diǎn)是旋轉(zhuǎn)底軸穿側(cè)墻處的止水長(zhǎng)期使用容易漏水，對(duì)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)造成破壞。

③臥倒閘門(mén)。臥倒閘門(mén)可根據(jù)孔口寬度設(shè)置數(shù)個(gè)安裝在河床底部的鉸座上，閘門(mén)繞該鉸座的鉸軸轉(zhuǎn)動(dòng)。閘門(mén)可雙向擋水，且門(mén)頂允許過(guò)流。閘門(mén)可動(dòng)水啟閉，也可局部開(kāi)啟。該閘門(mén)具有運(yùn)行可靠、制造與安裝方便、啟閉力小、操作方便以及通航凈空不受限制等優(yōu)點(diǎn)。此外，其轉(zhuǎn)動(dòng)支鉸結(jié)構(gòu)比人字門(mén)簡(jiǎn)單，水下沒(méi)有需要經(jīng)常檢修部件，造價(jià)較低。故1#出口控制閘門(mén)采用臥倒閘門(mén)方案。

2.2 臥倒閘門(mén)及啟閉設(shè)備設(shè)計(jì)

1#出口控制閘3孔，設(shè)置3扇臥倒閘門(mén)，孔口寬度28m，高度為5.2m，雙向擋水。

臥倒閘門(mén)由門(mén)葉、支鉸、支臂和止水等組成。開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)，臥倒在閘底板上;在防洪擋水時(shí)，閘門(mén)全關(guān)，與水平面成70°向東風(fēng)渠側(cè)傾斜。

臥倒閘門(mén)沿孔口寬度方向上布置2個(gè)支鉸。支鉸安裝在閘門(mén)底部大梁和閘底板預(yù)埋件上，使閘門(mén)與閘底板保持鉸接狀態(tài)。在閘門(mén)兩側(cè)靠近閘墻處設(shè)置2個(gè)支臂，啟閉設(shè)備通過(guò)驅(qū)動(dòng)支臂，使支臂帶動(dòng)閘門(mén)繞支鉸軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到啟閉閘門(mén)的功能（見(jiàn)圖1）。

閘門(mén)操作運(yùn)行方式為動(dòng)水啟閉。由于液壓?jiǎn)㈤]機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、傳動(dòng)平穩(wěn)、可靠性能好等有點(diǎn)，啟閉設(shè)備最終選用2×（1 600/2×1 000）kN的液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作。液壓?jiǎn)㈤]機(jī)泵站和現(xiàn)地控制柜設(shè)置在兩岸，泵組、閥組、油箱為一體式結(jié)構(gòu)。每個(gè)泵站設(shè)2套油泵電動(dòng)機(jī)組，互為備用。液壓系統(tǒng)應(yīng)具有使閘門(mén)同步、自動(dòng)復(fù)位的功能。為保證閘門(mén)繞支鉸軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)始終同步，且同步誤差不大于2cm，啟閉機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)有閉環(huán)同步糾偏控制系統(tǒng)。

2.3 閘門(mén)設(shè)計(jì)創(chuàng)新

臥倒門(mén)結(jié)構(gòu)由門(mén)葉、支鉸、止水和鎖定裝置組成。

由于閘門(mén)允許頂部過(guò)流，在閘門(mén)的頂部設(shè)破水器，當(dāng)閘門(mén)啟閉時(shí)，破水器將水幕分開(kāi)。閘門(mén)內(nèi)部設(shè)置通氣孔，使門(mén)下空腔與大氣連通，防止因產(chǎn)生負(fù)壓引起閘門(mén)震動(dòng)。

閘門(mén)兩支鉸采用固定式，軸承采用自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承，作為閘門(mén)的軸向基準(zhǔn)點(diǎn)，可承受一定的軸向力。支鉸通過(guò)錨栓固定在閘底板上。

由于閘門(mén)支鉸完全淹沒(méi)于水下，因此水下維護(hù)保養(yǎng)比較困難。對(duì)自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承而言，保證軸承安全有效地工作，防止污水和泥沙對(duì)軸承的侵蝕和破壞是關(guān)鍵。支鉸采用了O型密封圈、J型密封圈及J型止水等密封裝置。選擇的關(guān)節(jié)軸承應(yīng)具備較高的防腐能力，即對(duì)有污染的河水有抗腐能力。關(guān)節(jié)軸承的滑動(dòng)面除有較低的摩擦系數(shù)外，對(duì)可能進(jìn)入的少量泥沙有一定的適應(yīng)能力，其使用壽命大于30年。

閘門(mén)運(yùn)行狀態(tài)是長(zhǎng)期臥倒放置，水中的門(mén)體有可能出現(xiàn)淤積現(xiàn)象。為了能正常啟閉，應(yīng)設(shè)置沖淤裝置。沖淤主要是對(duì)門(mén)體下部的泥沙進(jìn)行沖刷。沖淤裝置采用高壓水槍自動(dòng)沖淤為主，人工清淤為輔的方式。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

考慮到大跨度液壓下翻轉(zhuǎn)式臥倒門(mén)受力狀態(tài)復(fù)雜，且需要局部開(kāi)啟閘頂過(guò)水，傳統(tǒng)的平面計(jì)算難以反映整體的受力狀態(tài)，結(jié)構(gòu)計(jì)算根據(jù)閘門(mén)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙建立閘門(mén)幾何模型，采用三維有限元對(duì)其進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)復(fù)核。

根據(jù)前文確定的邊界條件，綜合考慮各種計(jì)算荷載，借助有限元分析軟件對(duì)各種設(shè)計(jì)工況分別進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

經(jīng)計(jì)算得知，工況1和工況2由于擋水方向相同，應(yīng)力和位移等值線分布具有相似性。由于工況2為閘門(mén)局部開(kāi)啟閘頂過(guò)水工況，因此，其應(yīng)力和變形量最大，為控制工況。工況3為擋內(nèi)河水位工況，與工況1和工況2擋水方向相反，由于閘門(mén)傾斜于擋水側(cè)，閘門(mén)自重可抵消部分水壓力，雖然擋水高度較大，但變形量較小。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，鄭州市引黃灌區(qū)龍湖調(diào)蓄工程1#控制閘已投入使用，龍湖已經(jīng)蓄水，城市景觀效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)。

生態(tài)城市是人們對(duì)未來(lái)城市發(fā)展趨勢(shì)的一種理論構(gòu)想，城市河道也從單純的防洪排澇向防洪排澇與游憩相結(jié)合的功能轉(zhuǎn)變，營(yíng)造既人性又生態(tài)的駁岸型式，合理設(shè)置休閑設(shè)施，營(yíng)造人與河流的互動(dòng)空間。在此基礎(chǔ)上，城市水系中景觀閘得到廣泛的運(yùn)用，特別是大跨度翻轉(zhuǎn)式臥倒門(mén)景觀閘以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，更發(fā)揮出越來(lái)越重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭東新區(qū)龍湖1、2、3號(hào)出口控制閘閘門(mén)靜動(dòng)力試驗(yàn)研究報(bào)告[R].天津：天津大學(xué)，2011.