大跨度平面立轴式弧形钢闸门设计应用

黄有琴

大跨度平面立轴式弧形钢闸门设计应用

黄有琴

一、概述

十五里河位于安徽省合肥市滨湖新区巢湖入口一开敞式河道，是环巢湖四期十五里河干支流小流域治理工程一项重要的水利工程，既有抗洪防汛功能，也肩负着调节保持十五河水位的重任，枯水期闸门关闭为十五里河蓄水，汛期则开闸行洪，同时对调节十五里河水质也具有积极作用。

按照城市防洪要求，在该河道建设一闸站，由于该河道较宽，传统的节制闸闸门需设多孔，且需由启闭机控制，从而设专门的启闭机房，难以与该工程的周边环境和城市建筑风格相协调。闸门设计水头较高，不宜采用目前比较流行的钢坝闸方案，长期挡水难以解决底部淤积问题，且成本较高。因此，该工程选用一种比较新型的闸门—对开式弧形闸门，闸门的结构和运行方式既能满足防洪排涝要求，又能满足城市景观效果的要求，同时扩宽了闸门设计思路。

图1 平面立轴式弧形钢闸门布置图

表1 十五里河河口闸站枢纽节制闸设计条件表

二、平面立轴弧形钢闸门设计应用

1.闸门的结构布置

平面立轴弧形钢闸门门叶上部为空间箱体结构，闸门关闭时，结构呈拱形铰支承，作用在门体上的水压力由门叶、支臂架承担并指向铰心。闸门门体根据防洪水位组合验算，结构强度、刚度，稳定性条件满足设计规范要求。为防止闸门在风浪等不均匀侧向作用下可能发生的漂移，当闸门关闭时，应对闸门中缝顶部设锁定机构进行限制，从而实现节制闸门运行功能要求。

闸门布置如图1所示，主要由左右两扇弧形门体结构组成，支铰中心设在两侧，并设有门库。支铰通过支臂与门体相连，闸门可绕支铰中心旋转，从而实现挡水和泄流要求。

2.闸门的结构设计

根据十五里河防洪排涝工程布局及特征水位分析，十五里河河口闸站枢纽工程节制闸门设计条件见表1。闸门根据规划和水位条件进行设计，从而实现节制闸的功能要求。

十五里河河道宽度45m，底槛6.0m，设平面立轴弧形钢闸门，闸门曲率半径为30m，门体厚度2.5m，门高8.3m，满足规划设计条件。门体左右两扇对称布置。考虑景观要求，门叶面板设在内河侧，左右支铰间距48.6m，设在外河侧，闸门双向挡水。平时蓄水，闸门关闭，泄流时闸门左右对开，门体旋转到门库内，河道畅通，实现泄流要求。河道两侧沿水流方向在闸室侧设有检修挡墙，并配有检修闸门，满足闸门在门库中进行检修的条件。

当闸门开启泄流时，水头差较大，下游出水对河道有较大冲击作用。同时闸门可能出现振动，作为景观建筑是不允许的。考虑到可能出现这样的情况，因此在左、右门体下部设置调节闸门进行控制，解决小流量过流问题，既满足了消能防冲过流的要求，又避免了下游河道水流冲击问题，从而避过了闸门可能振动的工况。在水位差较小、过大流量时，开启大闸门达到预期的过流要求。

门叶结构设置上、下两层结构型式。上层中间为浮箱结构，单扇门叶下部挡水部分各设置6扇调节闸门，调节闸门的净孔口尺寸为1.5m×1.6m，上部为门叶为浮箱式结构，可以利用浮箱在水中自身产生浮力，减轻门体对底槛产生的压力，从而减轻闸门运行过程中底滚轮和底槛的之间的摩阻力，同时作为调节闸门的启闭机室。

闸门的支臂采用3根钢管组成的钢架构件，单扇门叶共两道支臂，张角34°两根主支臂之间设一道格构件连杆，以提高支臂的整体刚度和稳定性。支臂钢管与面板间采用焊接连接，主支臂钢管直接伸入到门体中间，保证门体运行时的结构强度，单扇门叶两道支臂合并后通过支臂连接端部结构和支铰铰链连接，从而和门叶形成整体的主框架结构。

在闸门关闭时，左右门体的顶部均设置机械锁定结构，避免在闸门关闭挡水时门体由于风浪等原因发生飘移而开启。锁定机构和启闭机进行电气联锁，在锁定未解除之间，启闭机不能运作。

门叶的顶部采用盖板进行密封，考虑到以后调节闸门启闭机及舱室内的检查巡视等，在盖板上设置的活动水密舱口盖，并设置了上下钢质直梯，方便工作人员及部分设备的进出，同时在门叶甲板上设有栏杆扶手等附件。

图2 支铰结构图

图3 止水结构图

3.支铰的设计

支铰安装于下游侧河道两侧岸边的闸墩预埋件上，为水平放置，如图2所示。根据支铰的受力结构，在支铰支墩埋件上增加一刚性可拆卸调整式支承结构，确保支铰在垂直方向的受力结构合理。

支铰由支铰座和铰链组成，轴承采用自润滑球关节轴承，能够在垂直平面内上下偏摆±2°，适应闸门在垂直平面内的上下偏摆需要。支铰铰链和支臂端部结构通过螺栓和门体连接成整体结构。

4.闸门止水的设计

闸门的止水结构见图3。闸门侧止水采用新型的插拔式止水结构，止水安装在门体面板上的止水座、止水支撑架、止水座埋件等构件组成。当闸门挡水时，由止水座底部的弹簧钢板弹力将止水支撑架将止水橡皮与止水支撑架及侧止水座埋件基面紧密结合，达到止水的密封效果。当止水需要更换时，从门顶将止水支撑架抽出，更换橡皮等。

该闸门的底止水采用双面L型橡皮，在门叶面板底部呈八字型布置，主要是确保上下游双向挡水。考虑到闸门合拢挡水要求，中缝止水采用止水橡皮和尼龙进行封水，满足闸门动态止水要求，底止水与侧止水拐角处及中缝止水均采用连接在门体底部的方型橡皮进行过渡。

5.闸门底支承和运行方式设计

闸门底支承考虑了两种结构方式：滑块及偏心滚轮。如采用滑块支承，则滑块要分段加工成圆弧形，加工成本比较高，滑块材料也要选用价格较贵的高性能材料，相应启闭机容量较大。综合比较，采用偏心滚轮，转动闸门时滚动的运行方式更灵活，摩擦系数最小，可以最大限度地减小启闭机容量。

闸门的启闭方式可采用液压马达齿轮齿圈驱动，考虑到该驱动设备要安装在门顶甲板，设备制作精度较高，位置固定，影响美观，故闸门启闭采用直拉式双向卷扬启闭机。该启闭机结合管理房位置布置在河道的两侧，通过固定在闸门上门叶面板和启闭机滚筒上的钢丝绳，并利用土建基础安装的转向滑轮形成一个整体运转结构，以不同的方向运转满足的启闭，确保闸门的安全运行，降低了成本，且不影响景观。

6.调节闸门的设计

调节门型为实腹式平面滑动钢闸门，止水采用工程塑料合金刚性止水型式，兼作支承，实现长时间免维护功能。均由液压启闭机控制操作运行。为了保证闸门在运行过程中的限位及支承止水密封效果，在闸门设双支承结构型式，利用轨道的垂直面及倾斜面配合闸门楔形滑块在闸门启闭过程中自动调整闸门和轨道的间隙，达到闸门的限位和封水效果。

考虑启闭设备在浮箱内，安装空间紧凑，调节闸门的启闭机选用液压式启闭机，满足闸门启闭及设备布置要求。

7.其他

为了保证闸门的结构强度等要求，对闸门的各种控制运行工况进行三维有限元分析计算，优化结构和板梁布置。同时在闸门的门体上设置永久性监测点，通过自动化系统实时监测闸门运行情况并对监测数据进行分析，确保闸门可靠安全运行。

三、结语

平面立轴弧形钢闸门是结合城市景观要求而设计一种较新型的闸门结构形式。同时采用新型直拉式卷扬启闭机来实现闸门的转动，突破了传统的闸门结构设计思路和闸门运行方式。闸门结构设计合理新颖，运行可靠，对大跨度孔口闸门设计有一定的参考价值■

（作者单位：安徽省水利水电勘测设计院 230088）