串场河防洪闸人字闸门设计

刘 良 李华伟

串场河防洪闸人字闸门设计

刘 良 李华伟

一、工程概况

串场河防洪闸工程地处盐城市市区东南部，为市区Ⅲ＃防洪区骨干封闭工程之一，位于串场河与三墩港交汇处的串场河上，闸址中心线距三墩港河口约200m，主要功能是汛期挡洪和排涝，同时结合串场河航道要求，兼有Ⅵ级航道的通航功能，工程规模根据串场河航道要求确定，设计闸孔净宽24.0m，底板顶面高程-2.10m，通航净高不小于4.5m，2级建筑物。

二、门型选择

根据盐城市城市防洪规划要求，串场河防洪闸总体布置不但要满足通航和汛期挡洪要求，而且要满足景观和绿化要求，从而改善城市风貌，创建生态型美丽城市。

根据以上原则，采用传统的平面直升钢闸门和平面升卧钢闸门等门型很难满足景观要求，为此设计提出采用人字闸门。如果采用人字闸门方案，可把桥梁建在建筑物上方，启闭机安装在桥下，这样河道两侧景观和桥梁景观有机结合在一起，并具有层次感。

为了确保工程安全运行，并节省投资，设计采用两侧墩墙下布设管桩基础的双铰底板结构型式，此结构会因不均匀沉降影响人字闸门运行。经设计人员计算并委托河海大学采用有限元分析，两侧沉降差为5mm。同时，该闸门处于常开状态，仅在汛期需拦洪时才关闭，采用人字闸门方案是合适的。后经施工期沉降观测，两侧沉降差为3mm，基本避免了沉降变形不利于人字闸门运行的风险，

经过认真分析，最终确定采用人字闸门设计方案。

三、人字闸门设计

串场河防洪闸人字闸门单扇尺寸为14.18m×6.10m×1.4m（宽×高×厚），门扇的轴线与闸室横轴线的夹角为22.5°，左右两扇闸门对称于闸孔中心线，共计1孔，2扇闸门，门叶结构材料Q235B，焊条采用E4303。设计水位：圩外3.30m，圩内1.20m。闸门采用单向止水，底、侧止水均采用P50-6型橡皮止水，材料SF6674。

1.人字闸门宽高比

人字闸门宽高比为2.32，宽高比偏大，门体悬臂端易下垂，门体矩形轮廓容易变形，为了解决此问题，设计采用在靠近悬臂端最下两道主梁之间增设浮箱和采用预应力背斜杆等措施，不但解决了门体下垂问题，而且保护了顶枢和底枢装置，加强了门体的抗弯刚度和抗扭刚度。

2.主梁设计

考虑顶主梁可能受到船舶或漂浮物的撞击，并为了加强闸门整体刚度，顶、底主梁采用与其他主梁相同截面，因此设计采用6主梁实腹式变截面结构型式，主梁与门轴柱和斜接柱连接部位采用开口截面，便于焊接和支枕垫座安装调试。主梁荷载跨度L0=14.18m，主梁荷载强度q=23.1kN/m。主梁的计算截面及主要计算成果见表1。

3.顶枢和底枢设计

顶枢和底枢的作用是保证门体能够绕着竖轴旋转启闭，并且支承整个门体，是人字闸门非常重要的部件。

顶枢形式主要有两种：双拉杆顶枢和三根拉杆组成的三角形桁架式顶枢。前者构造简单，但不能承受和传递较大的作用力；后者构造复杂，制造精度要求高，但承载能力大。经过计算顶枢拉杆最大拉力为494kN，两种结构形式均满足设计要求，综合考虑顶枢采用双拉杆式，双拉杆夹角为80°，拉杆直径为120mm，材料45号钢。为保证门扇的转轴始终处于垂直位置，拉杆上需设可调整拉杆长度的花篮螺母，但拉杆的花篮螺母会因壅水波浪涌动等原因，导致螺帽松动甚至脱落而造成事故，故设计采用下列措施：顶枢调整到位后，用钢筋 6φ12×500mm把两个止动螺母焊死，钢筋分别焊在止动螺母六个边上。锚定构件预埋螺栓采用M42×1000mm，在满足锚固长度的基础上，在混凝土内设置钢筋网，把预埋螺栓焊在钢筋网上。

底枢形式主要有两种：固定式底枢和可动式底枢。固定式顶枢一般与连续式支枕垫座配套使用，可动式顶枢一般与分段式支枕垫座配套使用。虽然采用分段式支承装置，但考虑主梁比较密、关门时间比较短和采用耐磨损的钢支承，设计底枢采用固定式，底枢承座与底梁腹板采用23只φ24mm铰制孔螺栓连接，并在底梁上设抗剪板，底枢承座材料ZG270-500；蘑菇头采用球R130mm，材料ZG310-570，表面焊3mm0Cr26Ni5Mo不锈钢；蘑菇头衬垫采用钢基铜塑复合材料。考虑人字闸门运用不频繁，底枢检修概率低，为了节约投资，设计仅考虑在人字闸门前后设置检修门槽，未配置检修闸门。

表1 主梁的计算截面及主要计算成果

表2 顶、底枢计算成果

表3 启门力计算成果

顶、底枢计算成果见表2。

4.支承装置

支枕垫座按构造不同分为分段式和连续式，前者受限于承载能力多用于中等船闸人字闸门，但也能用于大型闸门中；后者承载能力大，但安装调试复杂。针对本工程特点，虽然跨度大，但是设计水头小，闸门高度小，各主梁轴力小，因此设计采用分段式支承装置，各主梁端部对应设置支枕垫座，材料ZG310-570。

土建墩墙不均匀沉降和闸门焊接变形会影响门轴柱与斜接柱支枕垫座有效接触，从而改变闸门受力状态，设计采用下列措施：待沉降基本稳定后，再调整门轴柱与斜接柱支枕垫座，保证闸门受力轴线正确，全部支枕垫块接触在同一垂线上，再灌入环氧砂浆。

5.启闭设备

一般壅水高度对人字闸门所产生的阻力占总启闭力70%以上，因此壅水高度取值非常关键。取值过低，闸门开启困难；取值过高，不仅造成顶枢和底枢断面尺寸增大，而且造成启闭设备造价偏高。针对本工程运行工况要求，确定最不利工况为设计水位1.70m时，壅水高度取0.20m。启门力计算成果见表3。

为了满足城市防洪景观需要，启闭设备采用YJQ-RC250I-4382B液压集成式启闭机，具有结构紧凑、经济性好、安全可靠、安装维修方便等优点。

四、结语

自2007年6月金属结构设备投入运行至今，人字闸门运行状况正常。

永久缝设置在闸室底板上时，只要处理好地基和根据地基情况考虑地基的不均匀沉降对闸门强度、止水和启闭的影响，采用人字闸门方案是可行的。

对于宽高比较大的人字闸门，建议在闸门开门状态下，在闸门悬臂端底梁下增设楔块，使闸门由一端固定一端自由变成一端固定一端简支，以防止闸门下垂，保护闸门顶、底枢装置

中水淮河规划设计研究有限公司 233001）