下卧式闸门设计

蒋德成，龙朝晖，徐万妮

（中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072）

1 下卧式闸门门型介绍

下卧式闸门是一种可以绕安装在闸室底板的转动轴转动以适应不同水位和流量控制要求的新型闸门。闸门的启闭采用安装在闸墩两侧的液压启闭机系统，其管路系统可通过河床底部廊道（也可通过上部桥面系统），上部不需要单独设置支承结构，容易与周边的环境相协调。闸门全开时，闸门隐藏在水下门库内，不干扰水流；闸门挡水运行时，水流从闸门顶溢流，形成跌水瀑布，不仅形成河床水面的一道景观，跌水还卷入了大量空气，增加了水体的溶解氧，改善了河流水质。下卧式闸门及启闭机布置详见图1。

图1 下卧式闸门及启闭机布置Fig.1 Layout of gate and hoist

下卧式闸门的优点主要有：（1）工程造价低廉，投资低于橡胶坝。（2）门顶溢流，能准确控制水位。（3）闸门藏于底部门库内，对行洪影响较小。（4）采用液压启闭机操作，控制精准，液压启闭机设于校核洪水位以上，便于检修的要求，并且采用闸门联合调节等措施解决了单孔闸门单宽下泄流量较大形成的波浪冲击冲刷问题。（5）拓宽了钢闸门的应用范围，可广泛应用于各种拦河闸、冲沙闸、节制闸、进排水闸、挡潮闸、水库泄洪闸中。

2 闸门设计

本文为某城市打造水环境景观拦河闸的下卧式闸门。水闸设计参数：正常蓄水位525.00 m、设计洪水位525.60 m、闸顶高程528.70 m、闸底高程521.20 m。9孔泄洪闸每孔设置1扇下卧式工作门，闸门尺寸为10.0 m×3.9 m，设计水头3.8 m。

2.1 门型比选

城市水环境景观拦河闸的主要功能是拦蓄河水，遇各种洪水时安全泄洪，同时兼顾景观需要，总体布置与周围环境相协调。能适应以上要求的门型有很多，考虑水闸位于将来的城市中心，融入周围的地理环境，其门型选择就屈指可数了。有两种成功的门型比较适合该工程，一是英国伦敦泰晤士河防潮水闸；二是法国水闸系统应用较多的活动翻板坝（即下卧式闸门）。这两种门型的共同特点：操作简单方便，启闭灵活可靠，闸门开度可无极调节，方便调度，工程隐蔽性强，对原有河道及两岸景观影响不大。不同之处在于：下卧式闸门支铰布置于河床底板，检修和维护比较困难，但与景观结合较好，工程造价相对较低；泰晤士河旋转扇形闸门的支铰位于水面以上，且闸门可旋转至全部露出水面，因此检修和维护都较为方便，主要缺点是投资较大，自重较大。本项目拦河闸工作门采用投资和施工难度较小的下卧式平面闸门。

2.2 下卧式闸门的工作原理

下卧式闸门是绕底枢旋转，利用重力、水压力和启闭力力矩平衡的原理工作的，其工作状态分为静态和动态两种。所谓静态，指闸门在某一开度静止不动，作用在门上的各个力构成一静定平衡力系的状态。钢闸门处于静态时，闸门的上、下游水位稳定不变，且过闸的流量为常量。当水位不满足需要时，闸门的开度就需要随需求而改变。闸门根据实际需求从某一开度过渡到另一开度的过程，称之为下卧式闸门的动态过程。处于动态过程中运动着的下卧式闸门，作用在门上的各个力是变化的，而且是不平衡的。由于下卧式闸门启闭速度较小，闸门惯性动量不大，可以按静态平衡体系进行考虑。

下卧式闸门启闭过程中绕底枢转动，门叶通过支臂与操作油缸连接。上游水位升高时，上游水压力增大，门叶向下游倾倒的力矩增加。若此时不开启闸门，加大油缸的受拉力即可保持平衡；反之，若要增大闸门的开度，则需降低油缸受拉力，使闸门向下游滑动，最终闸门停留在需要开度。当上游水位回落后，同样通过控制油缸拉动支臂上行使闸门关闭。因而，闸门能够稳定于某一开度或某一特定位置，闸门的开度能平稳地随水位的变化而变化。

2.3 结构设计

2.3.1 总体布置设计

闸门面板布置于上游侧，侧水封采用P45A橡塑复合水封。闸门在平常挡水时，门顶可小流量溢流，但允许溢流水深最大不得超过0.5 m。为了使溢流瀑布在门后不形成负压，特在闸门顶部设置破水器，同时在两侧墙上预埋4根通气管。由于洪水期间会使闸门门槽产生淤积，在门槽底部布置冲淤管。每扇工作门均可动水启闭，小开度局部开启，通过闸门开启高度和开启数量满足调节库水位、宣泄洪水的要求。每扇闸门采用2×400 kN悬挂式液压启闭机操作。

油缸采用中间支承固定于侧墙上，支铰采用箱型十字铰，有利于适应闸门受力产生的微小变形。支铰采用螺栓连接方式与预埋支铰架固定，同时便于日后油缸的检修拆卸。为了检修油缸时不放空闸前景观用水，闸门设置有机械锁定，闸门关闭时锁定将闸门锁住后，油缸可以拆离闸门进行检修。液压启闭机泵站系统布置于右岸泵房内，5台启闭机共用一套泵站系统，共2套泵站系统。泵站系统、电气控制系统均满足每扇工作门自动同步纠偏及沉降自动回升的要求。为保证工程安全，启闭机的动力电源除专用双回路外，还应配备柴油发电机组或手动。由于枯期该河流流量很小，上游水位不足1 m，工作闸门及底枢装置检修时，考虑采用临时措施挡上游水，未设置检修闸门。

2.3.2 闸门结构设计

闸门采用3支座底枢，相对孔口中心线对称布置，门叶结构采用横向主梁布置，主梁支承在边梁上；闸门边梁与支臂采用高强螺栓连接。油缸与支臂连接处设有球面关节轴承，可以适应闸门安装误差和受力变形产生的位移和转角。闸门底枢轴套采用工程塑料合金材料MGA，该材料为耐磨高分子材料，具有自润滑效果。

下卧式闸门底板处制作成圆弧滚筒状，在底坎埋件上设置一道底水封，底水封采用P45A橡塑水封，利用水封转角预压可以实现自动磨损补偿。侧水封采用整体可拆卸结构，方便更换，同时利用水封转角预压实现自动磨损补偿，也适应闸门温度变形等自调节功能。侧水封布置见图2。

图2 水封Fig.2 Water seal

下卧式闸门可以灵活启闭，允许门顶小开度溢流。为避免闸门局部开启运行时门顶过流造成门后负压，门顶设置有破水器，并在侧墙两侧设置不同高程的补气管道。破水器高度500 mm，采用三角形破水结构，其功能是劈开水流。同时为了避免因门叶亲水性而爬升，在三角破水器顶部设置阻水挡板。破水器结构布置见图3。

图3 破水器Fig.3 Turbulence generating instrument

2.3.3 埋件设计

下卧式闸门由于底枢为主要受力构件，闸门承受水压之后，几乎全部力集中在底枢上，同时底枢的受力方向为受拉。为了稳固底枢支承，底部埋件设置了多重插筋，防止底部混凝土因受拉开裂。同时为了提高三个底枢的同心度，底枢采用单独支承座制造，在现场与埋件进行焊接。

下卧式闸门允许门顶小开度溢流，也就是允许局部开启。下卧式闸门为旋转闸门，局部开启时侧水封将会划过一个扇形区域。侧止水为大面积止水面，采用流动性较好的环氧高强砂浆粘结不锈钢复合钢板设计，同时提供小开度时多位置止水。侧止水埋件见图4，底部埋件见图5。

图4 侧止水埋件Fig.4 Embedded lateral water seal

图5 底部埋件Fig.5 Structure of the slot

2.3.4 金属结构防腐蚀设计

闸门门叶及其门槽埋件等，长期处于干湿交替、浸没水下及水流冲刷等环境中，受到大气、日光、温度和水生物的侵蚀以及泥沙和其它漂浮物的冲击摩擦，钢材表面极易发生腐蚀。钢结构发生腐蚀后承载强度会逐渐降低，严重影响工程的安全运行。为有效控制钢材的腐蚀，延长闸门的使用寿命，必须采取有效的防腐措施。

闸门埋件的防腐蚀处理，应先去除表面的铁锈、污物、氧化皮等杂物，直至显露接近银白色的金属本色，外露部分涂刷涂料，与混凝土接触部位涂刷无机改性水泥浆。涂漆表面采用喷砂（丸）处理，表面清洁度应达到GB8923-88中规定的Sa2 1/2～Sa2级，表面粗糙度应达到Ry40～70μm；涂刷无机改性水泥浆表面采用喷砂（丸）处理，表面清洁度应达到GB8923-88中规定的Sa2 1/2～ Sa2级，表面粗糙度应达到Ry60～100 μm。与混凝土接触表面涂刷无机改性水泥浆，厚度不小于250 μm。涂料的底漆为环氧富锌漆，干膜厚度80 μm；中间漆为环氧云铁防锈漆，干膜厚度60 μm；面漆为耐磨环氧漆，膜厚度80 μm，总厚度不得小于200 μm。

闸门门叶、支臂和锁定等防腐蚀处理采用热喷Ce铝＋封闭涂料。防腐涂装前，应对非涂装部位，如楔槽、油孔、轴孔、加工面和工地焊缝两侧进行遮蔽。喷涂表面采用喷砂（丸）处理，表面清洁度应达到GB8923-88中规定的Sa2 1/2级，表面粗糙度应达Ry 60～100 μm。喷层最小厚度为120 μm，最小局部厚度为100 μm。喷层必须分多次；封闭涂料的底漆为环氧富锌漆，干膜厚度80μm；中间漆为环氧云铁防锈漆，干膜厚度60 μm；面漆为耐磨环氧漆，膜厚度80 μm，总厚度不得小于200 μm。面漆颜色为银灰色，底漆两道、每道干膜厚度为30 μm；面漆两道、每道干膜厚度为30～40 μm。

2.3.5 启闭设备

下卧式闸门启闭操作设备采用2×400 kN液压启闭机，9孔共设置两个泵站系统，每个泵站系统设置两台油泵电机组，用于闸门在各种正常运行工况下压力供给，油泵电机组运行方式为一主一备设计。每支油缸均布置有行程检测装置，为现地控制室提供实时的闸门开度信号，同时也为液压油缸上下极限位的保护信号。

液压启闭机由油缸、液压系统、控制设备、保护设备等组成，主要液压控制回路有：油泵空载启动回路、压力控制回路、方向控制回路、速度控制回路。系统还设置有超压和欠压保护、备用油泵自动切换、高压软管破裂保护、油液高度油温报警等。控制启动回路由三位四通电磁换向阀（带中位机能H）和两个压力控制阀组成双调压控制回路，设定压力分别为20 MPa和4.0 MPa。油泵启动时，液压油先经三位四通电磁换向阀中位直接回流油箱，延迟约10 s后，根据所需执行的操作动作，使相应电磁铁得电，系统随即建压。方向控制回路即前面介绍的采用三位四通电磁换向阀，并带中位机能以减少换向阀动作时引起的系统压力冲击，启闭运行更平稳。速度控制回路采用一套手动流量控制阀加桥式整流块，同时主回路采用同步马达控制进油量。同步马达采用意大利Ronzio公司产品，液压同步马达采用同轴齿轮分流，同步流量精度可控制在1.5%以内。为提高系统同步可靠性，速度控制回路另设置电磁球阀泄油回路备用，同时利用电磁球阀泄油回路调节多孔油缸之间的同步。

2.3.6 冲淤预留设计

下卧式闸门开启后平卧在河床底部，此处高程较低，而门顶溢流可能在门下产生回水漩涡等，门底易淤积，影响闸门的开启到位。为此，在每孔闸门底枢预埋有冲淤管道，考虑到下游平常无大量回水至门底，未设置冲淤泵等设备。建议汛前应检查闸门下游门底部位，若有砂石、淤泥等淤积，应及时清除，保证汛期闸门顺利下放到底。清除时可以利用临时水泵配合预埋冲淤管进行冲淤，也可以利用低水位、小流量时通过其他孔导流进行人工清淤。

3 结 语

项目竣工后的实景见图6。

图6 项目实景Fig.6 Scenes of the project

目前项目已基本完成，并通过两个洪水期的考验。运行单位反馈闸门设计及布置较为合理，但也有些小缺陷，如闸门底水封更换较难、油缸检修较难等。这些反馈信息也是下一个类似景观工程闸门设计的参考意见及依据。

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