底轴驱动翻板闸门在水闸工程中的应用

徐 强，饶英定，徐礼锋

（江西省水利规划设计院，江西南昌330029）

1 概述

在水利水电建设中，随着城市用水、景观建设及环境整治和灌溉、发电的需要，翻板闸、水闸和橡胶坝得到广泛的运用。然而，橡胶坝制造比较复杂，运行时充水（充气）升坝或放水（放气）塌坝时间较长，影响快速截流或泄洪，再加上橡胶存在易老化、割裂等弊端，质量事故常有发生；老式钢筋混凝土结构水力翻板闸门，运行时当闸门开启后，由于每片门叶间易卡污物，闸门经常不能及时关闭而造成重大损失甚至危及工程安全。另外，传统的钢闸门或翻板闸门，无论是提升式或卧倒式，单孔闸都很难适用较宽的河道。因此，2005年以来，以上海市苏州河河口闸为代表的许多水闸采用了底轴驱动翻板闸门（钢坝）［1］。

底轴驱动翻板闸门是一种新型可调控溢流闸门，它主要由土建结构、圆柱形底轴、固定在底轴上的门叶、支承底轴的若干固定支铰座、底侧止水、闸墩侧墙密封件及启闭机驱动连接拐臂等组成。闸门的启、闭操作由布置在两侧启闭机室内的液压启闭机控制。目前，国内建成或正在建造的此类闸门工程有近百座（如黄山湖边水利枢纽花山坝工程、泰州市水生态环境建设工程、苏州工业园区金鸡湖游艇码头工程、上海市苏州河河口水闸工程等）。

本文根据底轴驱动翻板闸门的工作原理、结构特点和结构布置的要求，以及启闭机控制操作运行的要求，针对城市景观水闸工程的闸门型式进行了比选设计。

图1 底轴驱动翻板闸门示意图

2 底轴驱动翻板闸门的原理及特点

2.1 主要工作原理（图1）

水压力通过悬臂式门叶结构传递到圆柱形底横轴，底横轴作用力可分解为水平力、垂直力和力矩。水平力、垂直力通过固定支铰座传递给土建结构，力矩（扭矩）由底横轴传递给液压启闭机或锁定装置。闸门启闭运行时，液压启闭机通过拐臂驱动底横轴转动，同时使门叶以底横轴中心为圆心作扇形转动实现闸门的开启和关闭。闸门局部开度（或转角）取决于锁定装置的锁定位置或液压启闭机活塞杆持住位置，闸门的开度范围为垂直与水平之间（0°～90°）的任意位置或角度。闸门全部关闭时门顶可溢流以达到景观效果。

2.2 使用条件及优缺点分析

底轴驱动翻板闸门适合于闸孔较宽（10～100 m）而水位差比较小（1～7 m）的城市景观工程，或山区河道洪水急涨，要求快速开闸泄洪的工程[2]。由于可以将孔口设计的比较宽，可以省去数孔中间闸墩，所以不仅结构简单，而且可以节省土建投资。该闸门能够实现双向挡水及立门蓄水或防洪，卧门行洪排涝；闸门启闭灵活快速、开度无级可调且调度方便；启闭设备隐蔽，门顶过水形成人工瀑布，改善工程景观效果；另外，该闸型泄洪能力大，卧门时无碍通航。该闸型的主要缺点：总造价相对较高；要求闸基不存在大的不均匀沉陷；不便设置检修闸门，闸门检修较困难。

3 基本布置要求

3.1 闸孔宽度的确定

目前国内已建工程中，底横轴旋转钢闸门最大闸孔宽度为100 m（苏州河河口水闸）。闸孔宽度确定主要考虑泄量要求、闸基地质条件、经济指标等因素（见图2）。如果闸基地质条件较好不存在不均匀沉陷问题，泄量又有要求，闸孔宽度可适当偏大取值；如果闸基地质条件较差，需要选择较大闸孔宽度时，应对闸基进行打桩、浇筑整体式钢筋混凝土底板以避免闸基产生不均匀沉陷。但当闸孔宽度大于约45 m时，由于扭矩使底横轴产生扭角变形，跨中变形较大，通常将跨中门叶断开设置柔性止水以便避免两侧启闭机不同步而产生的巨大闸门内力。对于高度较小、闸孔宽度较大的闸门，底横轴结构尺寸由刚度控制，因而经济指标较差。

3.2 启闭机室主要尺寸及布置要求

底横轴旋转钢闸门启闭设备一般布置在启闭机室内，启闭机室尺寸应满足启闭、控制及冲淤等设备的布置、操纵和检修等要求(见图3)。如果为了增加过流断面，要求闸顶过流，闸顶高度还应满足泄流要求，通常可取闸顶与闸门顶高程一致（如黄山湖边枢纽花山坝工程闸顶可过流）。

启闭机室为水下结构，机室侧墙的防渗，机室的通风、采光（照明）、防雨不可忽视，其直接影响工程的运行管理。当闸顶需要过流时，应进行密封处理（如黄山湖边枢纽花山坝工程），并应在闸底板下部布置维护、管理交通廊道。另外，启闭机室底板应布置集水井，设置自动排水泵。

3.3 闸底板布置

当采用闸底坎低于底横轴布置时，闸底坎上游通常设置沉砂池，当河流泥砂较多，还应设置拦砂坎，拦砂坎和闸底坎可分别、也可结合起来布置（如泰州市水生态环境建设工程拦砂坎和闸底坎结合布置，坎高2.0 m）。底坎下游闸底板高程的确定，应考虑闸门平卧后下部缓冲垫、冲淤管道设置空间及泄流消能等要求，一般下游闸底板高程也低于闸底坎。

图2 底轴驱动翻板闸门立面布置图

3.4 冲淤

对于泥砂较多的河流，除在闸底坎上游布置沉砂池、拦沙坎外，还应在底坎下游布置高压冲淤管道（利用高压水泵冲淤）、在适当位置布置拦砂闸。如黄山湖边枢纽花山坝工程针对于泥砂多的情况，在闸门前设有拦沙坎，拦沙坎与闸底坎相结合，底横轴底高程以下坎高1.7 m；在5孔底横轴旋转钢闸门右侧设有一孔排砂闸，防止闸前泥砂堆积对闸门启闭的影响。又如泰州市水生态环境建设工程底横轴旋转钢闸门闸坎下游均布置了冲淤管道及高压喷嘴。

图3 底轴驱动翻板闸门纵剖面布置图

3.5 侧墙二期浇注密封

闸门底横轴需要穿过闸孔两侧墙套管进入启闭机室，侧墙套管与侧墙采用二期混凝土固定，二期混凝土可用膨胀水泥浇筑，确保浇筑质量，防止渗水。底横轴与侧墙套管之间采用橡皮（或石棉盘根）止水和钢压板压紧固定。

闸门侧止水接触的侧墙钢埋件采用二期浇筑。钢埋件有局部和整体之分：整体钢埋件范围为在启闭过程中闸门侧止水与接触的四分之一圆面积 （扇形）；局部钢埋件为条状扇形布置，设置在闸门几个固定开度所对应的位置。另外，侧墙也有不设置钢埋件的工程实例，如在侧墙涂刷一定厚度的环氧地平涂料或表面平滑的石板。总之，比较而言设置钢埋件更可靠。

4 基本结构要求

4.1 底横轴

底横轴作为门叶悬臂梁的纵向固端和闸门启闭驱动轴是闸门最重要结构之一，主要承受门叶水压力作用产生的扭转（矩）和弯曲（矩）。横轴为圆形钢管截面，管径较小时可选用定型标准无缝钢管加工，管径较大时可采用钢板卷制焊接结构。由于底横轴整体较长，在厂内分段制造加工，分段长度根据支承间距、加工及运输条件确定，一般长约6～10 m，在工地现场进行组装。拼接方式为焊接和高强螺栓连接两种。底横轴的制造、安装时应保证同心度，轴外表尽可能进行精加工。一般跨度较大时底横轴在中间一分为二，采取柔性连接，不仅有效减少闸底板变形变位的影响，还可有效避免启闭机不同步带来的问题。

底横轴的截面尺寸应按承受门叶水压力作用、门叶重量、门顶水重及底横轴自重产生的扭矩和弯矩初选、复核和确定，确定截面尺寸时注意留有余地。

4.2 底轴铰座

铰座主要承受门叶水压力作用、门叶重量、门顶水重及底横轴自重产生的推力及启闭时摩擦阻力，并将其传递到土建结构。通常铰座的布置间隔约6～10 m，底轴与铰座之间采用低摩擦系数的自润滑球轴承，铰座材料一般使用铸钢。铰座与土建结构固定采用锚栓，使用二期砼浇筑。

4.3 密封止水

与传统闸门比较，底横轴旋转钢闸门的止水要复杂得多。因此，止水设计应作为设计工作的重点。止水主要包含门叶与侧墙止水、穿墙套管与底横轴止水、底轴与门叶止水、底轴与闸底坎止水等，而且有单向和双向止水之分。门叶与侧墙通常用P型橡皮止水，外加弹簧钢板调节橡皮压缩；门叶与底轴之间常用I型橡皮止水带配钢压板，橡皮压缩量不超过5 mm，否则底轴旋转时，橡皮容易翻转，并会增加启闭的摩阻力。底轴与穿墙套管的止水应加强设计，尽量做到滴水不漏。止水材料要求耐磨性能好。

4.4 闸门顶部破水及补气措施

门顶过流的底横轴旋转钢闸门，由于门顶过流形成连续的水面瀑布，门体背面容易产生负压，门顶易产生气蚀。通常在门顶设置破水器（板）和补气孔，破水器高度应根据门顶溢流水深确定（一般门顶溢流水深≦0.5 m）。如泰州市水生态环境整治工程、黄山湖边枢纽花山坝工程和上海市苏州河河口水闸门顶均设了破水器（板）和补气孔。

4.5 闸门锁定方式

闸门的锁定基本依靠对驱动拐臂的固定来实现闸门位置的锁定。目前有两种锁定方式：一是在拐臂上布置液压推杆，液压推杆将活塞杆推入墙体的定位孔锁定住闸门，此种锁定型式的缺点在于推杆缸体直径有限，抵抗锁定剪力较小，如苏州工业园区金鸡湖游艇码头闸就是采用这种锁定；二是在拐臂上设置挡板，并根据拐臂的转动轨迹，用升降式锁定钢梁与拐臂上的挡板接触锁定闸门，如泰州市水生态环境整治工程。

4.6 防腐

底横轴旋转钢闸门跨度较大，上、下游不便设置检修闸门。通常闸门检修时需要做上、下游围堰，代价较大，因此闸门的防腐十分重要。目前主要防腐措施有3种：一是喷锌加涂料防腐，喷锌厚度不小于0.2 mm，应采用耐磨性能较好涂料，如氯化橡胶防锈漆等，厚度不小于0.4 mm；二是泥砂较多，流速较高的河流闸门，面板采用复合不锈钢板材料制造，不锈钢层不小于3 mm。如黄山湖边枢纽地处于新安江水库上游新安江上，泥砂较多，闸门面板采用了复合不锈钢板材料；三是采用防腐涂料加阴极保护，如泰州市生态景观工程和上海市苏州河河口水闸均安装了阴极保护装置。

4.7 检修

由于单闸孔宽度大，通常不设置检修闸门。因此，对于无条件检修的闸门，应按照免维修、少维护的要求设计底横轴，适当增加底横轴轴壁厚度及水下部分使用年限，如苏州河口闸，水下部分按30年设计。这样虽增加了投资，但大大减轻了运行管理的工作量。对于通过采取措施形成检修条件的闸门，可适当简化底横轴等结构构件及防腐设计。

5 启闭机控制操作运行和管理

液压启闭机的电控柜布置于启闭机室内，通常采用二层控制方式，即现地控制和远程控制。另外，可编制闸门开启、关闭及各个开度所对应的水位关系，进入计算机程序控制系统，计算机系统根据闸门上、下游设置的水位仪传输的水位资料实现闸门的自动开启、关闭，确保洪水来时能及时敞泄，洪水退后能及时关闭蓄水，能够实现自动化管理。当控制设备出现故障时可以紧急手动开启闸门。

闸门启、闭时主要通过行程传感器和纠偏装置实现左、右两台液压启闭机的同步。计算机自动收集左、右启闭机行程量测系统的行程数据，当启闭机行程同步误差大于10 mm（一般设置值）时，开始纠偏，行程同步误差大于20 mm（一般设置值）时，自动停机检查。若行程误差大于20 mm继续工作时，会造成底横轴较大扭转变形。

6 结 语

通过对底轴驱动翻板闸门的特点及结构布置要求的论述，能够使水利水电工程设计者在水闸等大跨度泄水工程设计选型时选出更适合工程需要的闸门及启闭机设备型式，处理好水工结构布置要求，使底轴驱动翻板闸门能够发挥应有的作用。在设计时应注意闸底板不均匀沉陷引起的底横轴变形变位，避免闸门卡阻造成启闭困难的问题。为了适应城市现代化发展，对城市河道治理等水闸工程的景观、功能需求也日益提高，建议在金属结构设备选型时能充分考虑工程需要，结合工程特点，根据底轴驱动翻板闸门等新型闸门的特点，使金属结构成为水闸工程的核心设计，既解决工程要求泄洪与蓄水的矛盾，又利于生态环境的保护，注重景观效果。

［1］卢新杰，石守津，韩 晶，陈文伟.苏州河河口水闸底轴驱动式翻板闸门设计［J］.水利水电科技进展，2007（4）.

［2］江 飞.钢坝闸门在城市景观河道中的应用［J］.中国农村水利水电，2011（12）.