大跨度旋轉(zhuǎn)扇形門在吳淞江工程上的應(yīng)用

管義兵，顧曉峰，李 燦，施巍巍，姜?jiǎng)傧?/p>

（1.江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 蘇州 215103；2.河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022）

吳淞江是江蘇省蘇南水網(wǎng)中重要的水利和通航河道，是太湖汛期一條重要的行洪通道。吳淞江（江蘇段）整治工程位于太湖流域陽(yáng)澄淀泖區(qū)，吳淞江沿途流經(jīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口集中、財(cái)富密集的蘇州市吳江區(qū)、吳中區(qū)、工業(yè)園區(qū)及昆山市，沿線支河涉及航道包括京杭運(yùn)河、蘇申外港線、界浦江、青秋浦、昆周線、申張線等，這些高等級(jí)航道大孔閘承擔(dān)著吳淞江行洪期間沿線防洪任務(wù)。

水工鋼閘門作為水利樞紐中的重要組成部分，其安全運(yùn)行相當(dāng)重要［1］。閘門門型選擇主要考慮以下幾方面因素：①滿足使用功能要求，即滿足防洪、引排水等要求；②滿足經(jīng)濟(jì)合理的要求，即布置簡(jiǎn)潔、造價(jià)較低、運(yùn)行方便可靠、易于維護(hù)保養(yǎng)；③滿足與樞紐相鄰建筑物的景觀協(xié)調(diào)要求。

青秋浦等高等級(jí)航道口門還需兼顧水利與航運(yùn)利益，具有以下特殊要求：①不設(shè)梯級(jí)、不阻航、特大洪水?dāng)嗪?；②?duì)應(yīng)等級(jí)航道采用不小于60 m或90 m 的設(shè)計(jì)孔徑；③能較迅速地進(jìn)行閘門啟閉；④運(yùn)行管理方便。因此大跨度門型選擇是本工程首先要考慮的問題。隨著近年來(lái)工程施工技術(shù)和金屬結(jié)構(gòu)制造水平的提高，水工鋼閘門朝著大孔徑方向發(fā)展，這就使得對(duì)其運(yùn)行安全性能的要求也大大提高［2］。對(duì)國(guó)內(nèi)外眾多水利工程的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，已建成的大跨度閘門種類較多，如常州鐘樓閘采用的有軌平開弧門、常州新閘采用的浮箱式閘門、上海蘇州河采用的底軸驅(qū)動(dòng)翻板門、南京三汊河口采用的護(hù)鏡門等。這些超大跨度閘門的成功應(yīng)用給其他新建的水利工程閘門門型選擇提供了參考、借鑒，但其種類繁多、優(yōu)缺點(diǎn)各異及適用性不同一定程度上增加了閘門的選型難度。

本文以吳淞江整治工程單孔孔徑60 m 口門為例，對(duì)該工程閘門在設(shè)計(jì)過(guò)程中門型比選、設(shè)備布置及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)。

1 門型分類

可將上述幾種大跨度閘門分為以下幾種類型：上翻式、下翻式和平轉(zhuǎn)式等［3］。上翻或下翻主要是針對(duì)閘門開啟過(guò)程的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作而言，如液壓互為止水式閘門及護(hù)鏡閘門等門型在由擋水位置開啟至全開位過(guò)程中動(dòng)作均為上翻，因此這兩種閘門可歸類為上翻轉(zhuǎn)式閘門；同理，底軸驅(qū)動(dòng)式翻板門及氣盾形門等門型可歸類為上翻式閘門，平面弧形雙開門及大跨度浮體閘門等門型可歸類為平轉(zhuǎn)式閘門。

上翻式閘門具有便于檢修、方便管理等優(yōu)點(diǎn)，但因其自身結(jié)構(gòu)在上翻至全開位時(shí)懸于水面之上，并不能滿足通航過(guò)船要求；下翻式閘門與上翻轉(zhuǎn)式閘門特性剛好相反，閘門全開時(shí)門體結(jié)構(gòu)隱藏于水底，不影響水面船閘通航，當(dāng)閘門需要擋洪時(shí)，關(guān)閉至擋水位即可，但下翻轉(zhuǎn)式閘門轉(zhuǎn)動(dòng)部件大都設(shè)置于水下，檢修維護(hù)難度較大；平轉(zhuǎn)式閘門同時(shí)具備上翻轉(zhuǎn)式閘門及下翻轉(zhuǎn)式閘門的優(yōu)點(diǎn)，閘門在開啟及關(guān)閉過(guò)程中閘門始終位于水平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，全開至門庫(kù)時(shí)不影響船閘通航，但平轉(zhuǎn)式閘門因其自身龐大結(jié)構(gòu)及門庫(kù)占地導(dǎo)致工程占地面積較大，不經(jīng)濟(jì)。

2 旋轉(zhuǎn)扇形閘門方案

通航及占地要求也是本工程需要解決的問題，基于上述3 種門型各自的優(yōu)缺點(diǎn)，提出一種新型大跨度旋轉(zhuǎn)門設(shè)計(jì)方案，這種門型既能滿足高等級(jí)航道的通航要求，又便于檢修維護(hù)，同時(shí)工程占地又很小。該大跨度旋轉(zhuǎn)門門葉結(jié)構(gòu)為扇形形狀，其工作示意圖如圖1 所示，開門時(shí)閘門臥于水下門庫(kù)之中，以保證船只正常通航，關(guān)門時(shí)閘門旋轉(zhuǎn)至擋水位置，以承擋外河側(cè)洪水；當(dāng)閘門需檢修維護(hù)時(shí)，閘門由全開位開啟180°平臥于水面正上方即可具備檢修條件。

圖1 閘門工作示意

在型式上該門型屬于下翻式閘門類別，較其他同類門型不同的是：其旋轉(zhuǎn)中心位于中間位置，可以稱之為“中軸旋轉(zhuǎn)”。中旋轉(zhuǎn)軸與圓盤固連，在中旋轉(zhuǎn)軸中間部位設(shè)置一對(duì)關(guān)節(jié)軸承。在支撐軸端部設(shè)置一對(duì)星輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以驅(qū)動(dòng)閘門的啟閉運(yùn)行。星輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)置一系列行星齒輪，均布在大齒輪周圍，當(dāng)洪水來(lái)臨時(shí)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)行星齒輪，行星齒輪再將力矩傳遞給大齒輪，以帶動(dòng)閘門整體旋轉(zhuǎn)到擋水位置。

3 門型比選

鑒于設(shè)計(jì)任務(wù)要求為單孔孔口凈寬不小于60 m的大孔徑閘，因此門型選擇上僅考慮大孔徑閘門門型。對(duì)前面介紹的各類大孔閘門工程運(yùn)用的特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，見表1。綜合比較不同門型的優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合本工程實(shí)際需求做出合理選擇。

護(hù)鏡式閘門和液壓互為止水式閘門的門型因上部建筑物或自身結(jié)構(gòu)限制不具備通航能力，故不參與方案比選。底軸驅(qū)動(dòng)翻板門的運(yùn)行維護(hù)及檢修條件較為苛刻，甚至?xí)霈F(xiàn)打壩斷航進(jìn)行檢修情況，氣動(dòng)盾形閘門氣袋充滿介質(zhì)所需時(shí)間較長(zhǎng)，閘門控制難度較大，且現(xiàn)有的產(chǎn)品和技術(shù)水平都不能滿足工程需要，因此這兩種門型也不參與比選。

平面弧形雙開閘門、浮箱式閘門及中軸旋轉(zhuǎn)扇形門在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都是可行的，3 個(gè)方案共同優(yōu)點(diǎn)是：（1）布局上不影響通航，特大洪水時(shí)控水擋洪，能兼顧水利和航運(yùn)的需要；（2）均能在一定程度上滿足大孔徑要求；（3）設(shè)計(jì)思路合理，技術(shù)先進(jìn)。

3 個(gè)方案不同優(yōu)點(diǎn)：浮箱式閘門方案門體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造安裝技術(shù)難度較??；平面弧形雙開門啟閉能耗小、造型美觀；中軸旋轉(zhuǎn)扇形門布置緊湊，占地小，投資省。

3 個(gè)方案可能存在的問題：浮箱式就位操作難度大，受淤積影響大；平面弧形雙開門結(jié)構(gòu)巨大占地大、對(duì)啟閉要求高；中軸旋轉(zhuǎn)扇形門啟閉系統(tǒng)較為復(fù)雜，金屬結(jié)構(gòu)部分投資略高。

綜合以上比選分析，中軸旋轉(zhuǎn)扇形門啟閉時(shí)間短，常規(guī)檢修維護(hù)方便，工程投資節(jié)省，方案略優(yōu)，因此，采用中軸旋轉(zhuǎn)扇形門方案。

4 閘門布置與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 閘門布置

水閘工程河道寬度60 m，閘門采用星輪驅(qū)動(dòng)中軸旋轉(zhuǎn)門結(jié)構(gòu)，主要由扇形門葉、聯(lián)接圓盤和中旋轉(zhuǎn)軸3 個(gè)部分組成，扇形門葉由平面和弧形面板包裹而成，并在兩面板之間設(shè)置隔板，主梁和次梁以支撐其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，弧形面板與圓盤外圈相切；擋水門體連接在兩側(cè)的圓盤結(jié)構(gòu)上，圓盤結(jié)構(gòu)圍繞支承軸和軸承實(shí)現(xiàn)自由的旋轉(zhuǎn)。閘門承受的水壓力及閘門的自重通過(guò)門體和圓盤結(jié)構(gòu)傳遞至支承軸上、再通過(guò)軸承傳遞至土建閘墩上。閘門結(jié)構(gòu)可設(shè)置浮箱及在圓盤上施加配重，以減小啟閉機(jī)的容量。閘門采用液壓馬達(dá)輸出端的小齒輪驅(qū)動(dòng)圓盤上大齒輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)門葉實(shí)現(xiàn)閘門的啟、閉和檢修。閘門結(jié)構(gòu)布置見圖2。

圖2 閘門結(jié)構(gòu)布置

在門葉底部設(shè)置U 型槽，閘門上設(shè)置Ω型止水。當(dāng)開啟閘門時(shí)，在啟閉機(jī)的驅(qū)動(dòng)下閘門平臥于河道底部的門槽中，此時(shí)河道敞開，可以泄流和通航；當(dāng)閘門需要檢修時(shí)，可以將門體結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)平臥至頂部進(jìn)行檢修。

4.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

對(duì)大跨度中軸旋轉(zhuǎn)扇形門的設(shè)計(jì)主要采用平面設(shè)計(jì)分析與三維有限元分析相結(jié)合的研究方法，通過(guò)對(duì)扇形門門體進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)等計(jì)算分析并優(yōu)化設(shè)計(jì)。平面設(shè)計(jì)分析主要依據(jù)現(xiàn)行鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 74—2019）中相關(guān)要求［4］進(jìn)行，同時(shí)通過(guò)相關(guān)有限元軟件對(duì)閘門結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算分析。

閘門設(shè)計(jì)荷載按以下水位組合進(jìn)行：吳淞江側(cè)水位4.58 m，內(nèi)河側(cè)水位2.99 m，其中閘門弧形面板布置在吳淞江側(cè)，平面面板布置于內(nèi)河側(cè)。

主梁是閘門主要的受力構(gòu)件，且跨度較大，在閘門頂部區(qū)域主梁較為薄弱，此處運(yùn)用平面體系計(jì)算方法對(duì)閘門主梁進(jìn)行撓度和應(yīng)力計(jì)算，取閘門頂部第二道主梁，其截面簡(jiǎn)化成工字型，兩邊面板兼做翼緣。主梁載荷按簡(jiǎn)支梁受均布載荷考慮，易知簡(jiǎn)支梁最大撓度和最大彎矩均在跨中位置［5］，經(jīng)計(jì)算，主梁最大撓度及應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

運(yùn)用有限元分析軟件，建立大孔徑中軸旋轉(zhuǎn)扇形門的三維有限元模型，如圖3所示。其中，X方向?yàn)殚l門水流方向，Y方向豎直向上，Z方向?yàn)殚l門軸向。閘門圓盤、門葉、主梁及隔板均采用板單元進(jìn)行模擬；閘門主梁上設(shè)置L型次梁，閘門弧形面板上主梁隔板之間設(shè)置T 型次梁，且2 種次梁均采用梁?jiǎn)卧M。

圖3 中軸旋轉(zhuǎn)扇形門有限元模型

閘門關(guān)門擋水時(shí)，軸承外圈采用固定約束，軸外端外表面節(jié)點(diǎn)約束Y向的切向自由度，軸承內(nèi)外圈之間設(shè)置接觸對(duì)。通過(guò)附加外部水作用及自身重力作用荷載，星輪驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)閘門的恒定載荷包括其自身重力及靜水壓力。

通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬分析，閘門有限元模型的應(yīng)力、撓度在各工況下均滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文重點(diǎn)對(duì)吳淞江整治工程高等級(jí)航道口門大孔徑閘門在設(shè)計(jì)過(guò)程中結(jié)構(gòu)型式比選、主要設(shè)備布置及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹，提出了一種大跨度旋轉(zhuǎn)鋼閘門設(shè)計(jì)方案，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)方面進(jìn)行方案比選論證，最終選定采用中軸旋轉(zhuǎn)扇形門方案。所研究的星輪驅(qū)動(dòng)閘門結(jié)構(gòu)新穎，技術(shù)先進(jìn)，可為類似閘門設(shè)計(jì)研究提供借鑒。