超大跨度平面直升鋼閘門設(shè)計建造關(guān)鍵技術(shù)研究

祝勝 程雪辰

摘要：姚江上游余姚西分工程是浙江省重點建設(shè)工程，其瑤街弄調(diào)控樞紐擋洪閘的工作閘門為露頂式平面直升鋼閘門，吊點間距45.0 m，閘門設(shè)計建造面臨不能整體入槽、質(zhì)量要求嚴、外觀要求高、現(xiàn)場施工安全風險大等特點和難點。結(jié)合工程實際，通過深入分析，提出了閘門分段分節(jié)安裝方法，解決了閘門不能整體入槽的難題；通過提出閘門拼裝質(zhì)量保證技術(shù)，使超大跨度平面鋼閘門在門槽內(nèi)拼裝的整體質(zhì)量依然滿足規(guī)范要求；通過研究大型景觀浮雕與水工鋼閘門結(jié)合技術(shù)，實現(xiàn)了閘門外觀與功能的結(jié)合；通過發(fā)明一種安全防護裝置，降低了門槽內(nèi)拼裝閘門的安全風險。研究成果可為類似工程項目提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：平面鋼閘門； 超大跨度； 門槽內(nèi)拼裝； 外觀設(shè)計； 安全防護

中圖法分類號： TV663

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.024

0引 言

姚江上游余姚西分工程位于浙江省寧波市余姚市，是浙江省重點建設(shè)工程。工程通過在姚江上游瑤街弄興建調(diào)控樞紐，新增姚江分洪出路，豐富流域防洪調(diào)控手段，減輕洪水期對余姚城區(qū)及姚江干流的防洪壓力。工程主要由瑤街弄調(diào)控樞紐、新開姚江至“北排”排澇通道及沿途泵閘站等建筑物組成［1］。其中瑤街弄調(diào)控樞紐擋洪閘工作閘門的門型為露頂平面直升鋼閘門，吊點間距45.00 m，是國內(nèi)跨度最大的平面直升鋼閘門，其設(shè)計建造具有顯著特點和難點。本文主要介紹該超大跨度平面鋼閘門入槽方法、質(zhì)量保證、外觀設(shè)計和現(xiàn)場安裝防護等關(guān)鍵技術(shù)的研究和應(yīng)用情況，以期為類似閘門設(shè)計建造提供參考。

1工程概況

瑤街弄調(diào)控樞紐按“三閘聯(lián)建”方案布置，擋洪閘

位于姚江河道正中間，南側(cè)布置削峰調(diào)控閘，北側(cè)布置應(yīng)急船閘。擋洪閘上下游正對姚江Ⅲ級限制性航道，主要功能是在汛期下閘擋洪，平時常開過流通航，在姚江流域發(fā)揮防洪減災和保持航運暢通的重要作用。

擋洪閘按單孔布置，孔口寬度45.30 m，考慮閘室鋼護舷厚度（2×0.15 m），凈寬45.00 m，底檻高程-3.67 m，設(shè)置工作閘門1扇。門型為露頂平面直升鋼閘門，門葉寬47.60 m，門高8.30 m，門厚3.824 m，重量約 340 t。門葉為桁架式結(jié)構(gòu)，設(shè)置3榀水平主桁架，水平主桁架間距3.20 m，主要弦桿截面為焊接組合結(jié)構(gòu)，節(jié)點間距3.80～4.00 m。水平梁系及縱向聯(lián)結(jié)系等結(jié)構(gòu)材質(zhì)為Q345B。

工作閘門平時鎖定在門槽頂部11.00 m高程處，通過設(shè)置在22.00 m高程啟閉平臺上的固定卷揚式啟閉機進行啟閉操作。工作閘門和啟閉機布置見圖1，擋洪閘設(shè)計參數(shù)見表1。

2閘門設(shè)計建造主要特點及難點

（1） 閘門跨度大，運行工況復雜。國內(nèi)的桁架平面閘門跨度均在35.00 m以下，但該工程桁架閘門吊點跨度為45.00 m，是目前國內(nèi)跨度最大的平面直升鋼閘門。桁架閘門一般用做檢修門，靜水啟閉；而該工程桁架閘門為工作門，需動水啟閉，水流條件更為復雜。一般的桁架閘門多采用疊梁形式，分節(jié)操作，單節(jié)起吊重量小，而該工程閘門重約340 t，采用整體桁架結(jié)構(gòu)，吊點設(shè)置在邊柱，閘門開啟瞬間，除了自重作用，還需疊加水壓力作用下產(chǎn)生的內(nèi)力，邊柱應(yīng)力狀態(tài)復雜。

（2） 閘門的巨大體積和重量使制造、運輸及安裝難度加大。按工程進度計劃，此閘門安裝工期短，現(xiàn)場存在交叉作業(yè)，施工干擾多；受門槽周圍土建結(jié)構(gòu)和環(huán)境條件所限，閘門不能整體入槽；因閘門水封、支承滑塊系統(tǒng)等受I型門槽限制，對閘門空間三維方向尺寸都有很高的精度要求，閘門制造和安裝面臨較多難題。

（3） 如此規(guī)模的閘門僅在汛期較短時段下閘擋水，平時懸掛鎖定在姚江主航道上，位于樞紐建筑外立面中央，具有很強的視覺沖擊，其外觀需與樞紐整體現(xiàn)代風格相協(xié)調(diào)，應(yīng)具有良好的質(zhì)感和視覺效果，對閘門外觀提出了極高要求。

鑒于上述特點和難點，超大跨度平面直升鋼閘門設(shè)計建造具有較大的挑戰(zhàn)性，特別是閘門入槽方法、質(zhì)量控制、外觀設(shè)計和現(xiàn)場施工安全等關(guān)鍵技術(shù)問題，需開展專項研究。

3關(guān)鍵技術(shù)研究及主要成果

3.1超大跨度閘門單元體劃分及入槽方法

針對現(xiàn)場作業(yè)面狹窄、閘門不能整體入槽的難題，考慮將閘門分節(jié)分段為單元體，在工廠制造后運至現(xiàn)場，分單元體吊運入槽，在門槽內(nèi)完成整體拼裝。因此，從以下方面進行了專項研究。

3.1.1閘門單元體運輸方案

通過實地調(diào)研，閘門單元體運輸可采用全公路運輸方案和水路運輸為主的方案。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較，最終采用全公路運輸方案。

經(jīng)過路線勘察，調(diào)查沿途橋梁、涵洞、收費站等控制站點的通行情況，確定單元體運輸尺寸按寬度不大于4.50 m、長度不大于18.00 m、高度不大于3.83 m控制；單元體重量控制在50 t以內(nèi)。采用車輛底板高度為0.60 m的大型特種專用車輛在指定公路范圍內(nèi)運輸。

3.1.2閘門三維有限元結(jié)構(gòu)分析

工作閘門具有跨度大、動水啟閉、起吊重量大、鎖定環(huán)境差的特點。為使閘門分節(jié)分段避開應(yīng)力應(yīng)變大、應(yīng)力復雜、安全系數(shù)相對較小的區(qū)域，需弄清桁架平面閘門各部位受力狀態(tài)。采用數(shù)值模擬方法，通過有限元軟件對桁架平面閘門結(jié)構(gòu)進行靜力計算和穩(wěn)定分析，為閘門分段分節(jié)提供技術(shù)支撐。

綜合擋水、起吊、鎖定3種控制工況下的閘門應(yīng)力應(yīng)變分析結(jié)果，對閘門分節(jié)分段提出如下要求：

① 閘門水平主桁架跨中一定范圍應(yīng)保持完整，不應(yīng)分段，跨中段長度宜為跨度的1/3，即15.00 m左右；

② 水平主桁架靠近閘門邊柱腹板區(qū)域不應(yīng)分段，至少應(yīng)在桁架梁邊柱第一節(jié)間以外分段；

③ 邊柱腹板受力復雜，應(yīng)保持邊柱上下完整和整體剛度，邊柱不應(yīng)上下分節(jié)。

3.1.3閘門單元體劃分及入槽方法

根據(jù)前述分析，結(jié)合閘門特點及要求，將閘門以分節(jié)、分段方式劃分為8個單元體，其中左右2件是垂直單元體、中間6件是水平單元體，如表2及圖2所示。

（1） 1號和8號單元體是閘門結(jié)構(gòu)的剛性區(qū)塊，主要由厚50 mm鋼板構(gòu)成。主要構(gòu)件承受閘門在起吊、擋水、鎖定3種控制工況下的全部荷載，應(yīng)力情況復雜。這兩個剛性區(qū)塊同時是側(cè)水封和主支承滑塊的設(shè)置區(qū)，整個區(qū)塊要求有極高的平面度、直線度和加工精度。所以上下應(yīng)保持完整，不應(yīng)分節(jié)。

對這兩段的分割方式也是按照閘門分單元體入槽方案的要求考慮的。閘門分體入槽時，要有一個在寬度方向盡量小的垂直單元體從門槽頂部落槽后，再同其他已入槽的組合單元體進行焊接拼裝。

（2） 根據(jù)閘門結(jié)構(gòu)受力分析成果，閘門在擋水、起吊、鎖定3種控制工況下，跨度方向的中心處左右2組結(jié)點之間區(qū)段內(nèi)的水平主桁架和面板會產(chǎn)生相對較大的Mises應(yīng)力和上下、前后兩個方向的變形，其中前后順水流方向最大變形達到25.30 mm。為確保閘門安全可靠，保持跨度中心兩側(cè)2組結(jié)點之間的區(qū)段完整是必要的。按此要求，閘門兩側(cè)垂直單元體之間有9組結(jié)點的長度范圍將分割成3件單元體，上節(jié)和底節(jié)分割方式相同，共分為6件單元體。

（3） 閘門高度為8.30 m，由3榀水平主桁架從上往下均布構(gòu)成。因為閘門底部有止水要求，閘門底部2～4號這3件單元體由兩榀水平桁架為主構(gòu)成，這樣形成的封閉結(jié)構(gòu)會使底部2～4號單元體剛度和穩(wěn)定性比上節(jié)各單元體明顯提高，底部3件同兩側(cè)共5件單元體在工廠內(nèi)預拼裝成門字型剛性結(jié)構(gòu)，具備在工廠內(nèi)進行水封和支承滑塊定位安裝的條件，滿足出廠預驗收的要求，也為工地入槽后焊接拼裝先形成剛性區(qū)塊創(chuàng)造了有利條件。

因閘門上節(jié)的5～7號單元體中僅有一榀水平主桁架無法形成封閉結(jié)構(gòu)，易產(chǎn)生彎曲和扭曲變形，應(yīng)采取臨時加固措施解決。

（4） 為了防止各單元體分節(jié)分段處在現(xiàn)場焊接拼裝時出現(xiàn)交叉焊縫，造成應(yīng)力集中，對閘門中部2～7號單元體之間垂直分割面錯開0.80 m以上。

8件單元體在工廠制造完成，整體預拼裝并驗收合格，拆分后直接運輸至現(xiàn)場，按1→2→3→4→5→6→7→8順序依次吊裝入槽，在門槽內(nèi)完成閘門整體焊接拼裝。

閘門分段分節(jié)入槽安裝關(guān)鍵技術(shù)解決了超大跨度閘門不能整體入槽的問題，有效減少現(xiàn)場焊接工作量和工作面占壓時間，縮短了工期，既實現(xiàn)了閘門跨中不被分段，也保持了兩端剛性區(qū)塊完整和側(cè)向水封安裝面不被分割，有力保證了兩端水封、支承滑塊的安裝精度。

3.2超大跨度平面閘門質(zhì)量保證關(guān)鍵技術(shù)

現(xiàn)行GB/T 14173-2008《水利水電工程鋼閘門制造、安裝及驗收規(guī)范》規(guī)定了平面閘門制造、組裝的公差或極限偏差要求，對于寬度不超過20 m的平面閘門，從寬度5 m開始，每增加5 m，允許偏差同步增加1～3 mm；而對于寬度超過20 m的平面閘門，不論寬度多大，僅在20 m允許偏差基礎(chǔ)上增加1～3 mm。寬度47.6 m的擋洪閘門允許偏差與寬度25 m的閘門允許偏差相同，即寬度增加了5檔，允許偏差僅增加1檔。此外，對于門葉橫向直線度、豎向直線度、底緣直線度、底緣傾斜度及兩邊梁底緣平面度等的允許偏差，不論跨度大小，僅規(guī)定了一個限制數(shù)，這不僅對閘門單元體制作，更對單元體槽內(nèi)整體拼裝提出了極為嚴苛的質(zhì)量標準。

對于將超大跨度閘門同時分節(jié)、分段，主梁4次分割成為8件單元體，運到工地現(xiàn)場再用焊接方式拼接的方案，因主梁被多次分割后經(jīng)焊接拼接形成整體的累積誤差會增大，其允許偏差也不可避免地存在線性增加的客觀事實，這是擋洪閘門制造安裝必須面臨的一個關(guān)鍵性問題。

為保證超大跨度工作閘門質(zhì)量滿足規(guī)范要求，在閘門制造、安裝過程中首次采用智能測量及BIM虛擬拼裝技術(shù)，通過激光跟蹤智能測量，對每件單元體進行外形尺寸的測量和定位，取得相應(yīng)的三維形位數(shù)據(jù)，并進行BIM虛擬拼裝，復核單元體虛擬拼裝形成整體后的相關(guān)尺寸，通過高精度大件三維測量，能輸出可靠和精確的測量數(shù)據(jù)，為大跨度閘門整體拼裝質(zhì)量滿足規(guī)范要求提供關(guān)鍵性的技術(shù)支撐。在此基礎(chǔ)上，通過“控制單元體形位公差、整體預拼裝精確定位裝置、門槽設(shè)置可調(diào)拼裝平臺、門葉約束控制、控制焊接次序、精準預留焊接收縮量”等一系列關(guān)鍵技術(shù)，使超大跨度閘門在門槽內(nèi)拼裝的整體質(zhì)量滿足GB/T 14173-2008《水利水電工程鋼閘門制造、安裝及驗收規(guī)范》中20 m寬度平面閘門質(zhì)量標準要求，詳見表3。

3.3大型景觀浮雕與水工鋼閘門結(jié)合技術(shù)

西分工程擋洪閘工作閘門寬47.60 m，高8.30 m，整幅面板面積約395 m2。如此規(guī)模的閘門僅在汛期較短時段下閘擋水，平時懸掛鎖定在姚江主航道上，具有很強的視覺沖擊效果。結(jié)合擋洪閘工作閘門使用功能，在閘門面板上首次采用浮雕飾面。閘門上游側(cè)配置的浮雕畫面是以中國漢代傳統(tǒng)的畫像磚為造型基礎(chǔ)和構(gòu)圖原則，整幅畫面由3幅景象內(nèi)容組成：中間人物為大禹及其所代表的偉大勞動人民，左側(cè)是河姆渡文化最為顯著的儲存器皿制作景象，右側(cè)是治水之后所帶來的安寧農(nóng)耕文明。

擋洪閘門下游側(cè)配置文字，閘門上、下游飾面設(shè)計見圖3。

該浮雕安裝于閘門面板，懸掛在航道上方，主要供過往船只乘客和兩岸行人觀賞，屬于高部位、中遠距離觀賞的大型浮雕。浮雕采用多層次結(jié)構(gòu)，人物和動物浮高控制在150～200 mm，其它景觀（如山脈、流水、星星、云彩等）浮高控制在50～150 mm，利用層次重疊效果，使畫面上產(chǎn)生明顯的納光和納陰效果，有輪廓清晰、立體感強、形象逼真的視覺沖擊。

上游側(cè)浮雕面積360 m2，連同底架總重量約8 t。工作閘門啟閉及擋水過程中，如何保證浮雕在江水浸泡沖刷、漂浮物沖擊和淤泥頂托擠壓等情況下牢固不脫落、不開裂、不變形，是水工鋼閘門采用浮雕飾面必須解決的問題。采用“內(nèi)襯底架+空腔填充”的工藝可提高浮雕強度、剛度；采用浮雕底架與閘門螺栓連接、浮雕板周邊與閘門面板焊接的雙重組合連接方式，以及在浮雕底部設(shè)置防護裝置等技術(shù)措施，解決了工作閘門運行各種工況下的浮雕強度、剛度，以及浮雕與閘門聯(lián)結(jié)可靠性問題。

3.4超大跨度閘門拼裝安全防護關(guān)鍵技術(shù)

因工期極為緊張，在門槽內(nèi)拼裝閘門的時段，門槽正上方的樞紐人行廊橋及觀光幕墻也在安裝。怎樣消除上、下工作面同時作業(yè)帶來的安全隱患，是門槽內(nèi)拼裝閘門必須解決的又一個難題。如從閘室底板滿堂搭設(shè)安全防護棚和人行廊橋幕墻安裝平臺，高度將達30 m，不僅會使閘室空間區(qū)域運輸?shù)跹b受限，而且搭拆工作量大、周期長、費用高。為此研究采用“懸吊式門槽防護棚兼做人行廊橋及幕墻安裝平臺”方案（圖4），即在人行廊橋主體桁架吊裝就位情況下，在其下方滿堂懸吊封閉防護棚，既為門槽閘門拼裝提供安全防護，有效消除立體交叉作業(yè)所帶來的安全隱患，且閘室運輸空間未受影響，也為人行廊橋及幕墻安裝提供了施工平臺，顯著減少工期和施工費用。

4結(jié) 論

瑤街弄調(diào)控樞紐項目超大跨度平面鋼閘門設(shè)計建造面臨不能整體入槽、質(zhì)量要求嚴、外觀要求高、現(xiàn)場安全風險大等特點和難點，并且作為EPC總包項目，既要考慮技術(shù)可行性，還需要綜合考慮工期和經(jīng)濟性，這對EPC總承包方是一個嚴峻挑戰(zhàn)。本文結(jié)合項目的特點和難點，通過深入分析研究，提出了適宜的解決方案：

（1） 提出了一種超大跨度平面鋼閘門分段分節(jié)安裝方法，解決了閘門不能整體入槽的難題。

（2） 提出了一種在門槽內(nèi)拼裝閘門的質(zhì)量保障技術(shù)，并形成平面鋼閘門建造質(zhì)量保證技術(shù)體系，使超大跨度平面鋼閘門在門槽內(nèi)拼裝的整體質(zhì)量滿足規(guī)范要求。

（3） 研究了大型景觀浮雕與水工鋼閘門結(jié)合技術(shù)，既實現(xiàn)與樞紐整體風格相協(xié)調(diào)的觀賞效果，又達到安全可靠、經(jīng)久耐用的目標。

（4） 發(fā)明了一種閘門現(xiàn)場拼裝的安全防護裝置，使門槽上、下工作面可同時施工，有效降低施工安全風險，顯著縮短工期，減少施工費用。

參考文獻：

［1］宋志忠，王程，余勝祥，等.姚江上游余姚西分項目-瑤街弄調(diào)控樞紐工程初步設(shè)計報告［R］.武漢：長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責任公司，2018.

（編輯：胡旭東）