弧形閘門室封閉裝置的設計與應用

于鵬輝，陳赫朋，胡 畔，邢 通，季艷茹

(黃河機械有限責任公司，河南 鄭州 450006)

0 引言

南水北調(diào)中線總干渠全長1 432 km，全線共有64座節(jié)制閘[1]，其中某處節(jié)制閘采用弧形閘門液壓啟閉機，類型為露頂式閘門，弧門半徑6.5 m，弧門頂部為矩形孔口，弧門開啟狀態(tài)下，頂部露出地面1.78 m，孔口兩側安裝有鎖定支座，在孔口四周有防護欄桿圍護。

每到冬季，干渠水體流經(jīng)閘室下方，水溫較室溫高，會產(chǎn)生較多的水汽，侵蝕閘室四周墻體，造成墻皮變黑、脫落，外觀上不符合南水北調(diào)中線干線閘站標準化要求。此外，閘室內(nèi)有電氣控制柜和機電設備，水汽增加空氣濕度，容易發(fā)生電氣控制系統(tǒng)異常和機電設備故障現(xiàn)象。

對弧形閘門室建筑物結構進行分析，發(fā)現(xiàn)在弧門頂部孔口處安裝封閉裝置是防止水汽進入弧形閘門室最有效的措施。封閉裝置本身必須耐水汽侵蝕，且密封性能良好，兼顧南水北調(diào)中線閘站標準化要求，封閉裝置須外形美觀，且不能阻擋查看弧形閘門設備狀況。針對該問題，本文研制了一種封閉裝置。

1 封閉裝置設計

弧門露頂孔口尺寸較大，一般5～8 m，封閉裝置結構強度必須滿足大跨度使用要求，采用不銹鋼拱形結構，在保證強度的同時減輕了自重。

考慮到閘站進出門大小，將封閉裝置分割設計，由拱頂、側墻和底座組成，如圖1所示。多組拱頂順水流方向并排布置，側墻封閉兩端留設檢修門。底座分為上游端底座和下游端底座，分別承載拱頂兩端支腳，阻止拱頂兩端弦長尺寸擴大。

圖1 封閉裝置結構

封閉裝置的拱頂和側墻由不銹鋼骨架和玻璃視窗結合的構造形式制作。不銹鋼骨架采用100 mm×50 mm×3 mm的矩管型材制作，視窗采用5 mm+5 mm的無色夾膠玻璃制作。拱頂2個相同弧形主梁使用短連梁焊接形成一體，沿圓周方向分成8塊相同窗口，在連梁兩側焊接窄擋板，玻璃弧面曲率與主梁一致，四周卡裝U型頂泡密封條，將整塊玻璃壓裝在窗口內(nèi)，并貼緊擋板。玻璃視窗安裝方式如圖2所示。

圖2 玻璃視窗安裝方式

側墻為豎立的片狀結構，玻璃安裝后打膠加固，側墻檢修門附近圍欄切除改造，方便檢修門開啟。上游底座、下游底座采用不銹鋼板條折彎制作，分別使用膨脹螺栓固定在交通橋和閘室墻上。

每組拱頂和側墻上設計吊耳和連接法蘭，使用室內(nèi)橋式起重機吊裝，組件就位后使用螺栓緊固連接法蘭，相鄰組件粘貼橡膠條密封條。鋼結構全部安裝固定后，安裝玻璃視窗，最后處理縫隙。封閉裝置三維模型如圖3所示。

圖3 封閉裝置三維模型

2 封閉裝置有限元靜應力分析

拱頂和側墻骨架為鋼結構，選用06Cr19Ni10不銹鋼材料，在室內(nèi)正常使用狀態(tài)下，主要受重力和地面支撐力作用。封閉裝置屬于分組裝配式結構，分別建立拱頂，側墻鋼結構建立三維模型，并進行有限元靜應力分析[2]，判斷是否滿足使用要求。

2.1 拱頂鋼結構靜應力分析

拱頂骨架重177 kg，夾膠玻璃窗及其他配件近似均布在骨架上，重209 kg，總重386 kg，進行有限元靜應力分析，如圖4所示，最大應力19.48 MPa，遠遠小于材料屈服強度206.8 MPa，滿足強度要求。

如圖5所示，材料最大變形1.25 mm，玻璃視窗與骨架之間密封頂泡壓縮量為5 mm，骨架變形不會擠壓玻璃碎裂，滿足使用要求。

圖4 拱頂骨架應力云圖

圖5 拱頂骨架變形云圖

2.2 側墻鋼結構靜應力分析

側墻骨架重207 kg，夾膠玻璃窗及其他配件近似均布在骨架上，重208 kg，總重415 kg，進行有限元靜應力分析。

如圖6所示，最大應力39.42 MPa，遠遠小于材料屈服強度206.8 MPa滿足強度要求；如圖7所示，材料最大變形1.11 mm，玻璃視窗與骨架之間密封頂泡壓縮量為5 mm，骨架變形不會擠壓玻璃碎裂，滿足使用要求。

3 封閉裝置工程應用

南水北調(diào)中線工程某節(jié)制閘為雙孔弧形閘門室，單個孔口長6 425 mm，寬5 600 mm，該處安裝了2套封閉裝置。單個封閉裝置總重約2 835 kg，由5組拱頂和2組側壁組成。

本設計充分考慮現(xiàn)場情況，將下游底座抬高350 mm，避開現(xiàn)有的監(jiān)控設備，設計拱頂最高點距離地面2 250 mm，不影響閘門最大限度開啟。封閉裝置側墻騎跨在弧門鎖定支座上，使用毛刷遮擋，留足操作空間的同時，防止水汽外逸。閘站運維人員可以方便地通過觀察窗看到閘門情況，將檢修門處欄桿進行改造，也可以方便地打開檢修門進入孔口檢修閘門。相比之前使用彩條布覆蓋孔口防止水汽外溢的方法(見圖8)，封閉裝置大大提高了安全性。封閉裝置應用現(xiàn)場如圖9所示。

圖6 側墻骨架應力云圖

圖7 側墻骨架變形云圖

圖8 彩條布覆蓋孔口

圖9 封閉裝置應用現(xiàn)場

4 結語

封閉裝置經(jīng)過一年半實際使用，證明具備以下功能和特點。

該裝置有效阻擋了水汽外逸，杜絕了水汽侵蝕閘室建筑物的現(xiàn)象，解決了閘室內(nèi)空氣濕度增大造成機電設備故障的問題。封閉裝置采用模塊化設計理念，分組制作，便于運輸、進場、安裝，可以根據(jù)不同弧門閘室的情況量身定做，也可以根據(jù)不同的需求配裝有色玻璃。

裝置的安裝過程僅用膨脹螺栓固定，無需對現(xiàn)有建筑物進行改造，也不會對現(xiàn)有建筑物主體造成損傷。主體使用06Cr19Ni10不銹鋼制作，視窗由玻璃制作，密封條采用硅膠材質(zhì)，均屬耐腐蝕、無毒、衛(wèi)生的材料，避免污染，阻擋水汽，杜絕對干渠水質(zhì)產(chǎn)生有害影響。封閉裝置骨架和視窗玻璃具有一定的強度，可以有效阻擋運維人員意外跌落，安全性高。不銹鋼材料整體拉絲，焊縫打磨處理，封閉裝置外形美觀大氣，符合南水北調(diào)閘站標準化建設的要求。

綜上所述，封閉裝置在南水北調(diào)中線閘站標準化建設起到重要作用，獲得使用方的高度贊揚，具有廣闊的應用前景。