新型大跨度双拱闸门技术研究与应用

许志刚，杜培文，程国栋，李鹏飞，房金贤

(1.山东省水利勘测设计院，山东 济南 250013；2.山东水总机电工程有限公司，山东 济南 250013)

闸门是水工建筑物的重要组成部分，是蓄水、调流、控泄的关键设备。随着我国水利水电建设事业的不断发展，各种水工建筑物不断兴建，采用闸门的跨度越来越大，传统闸门型式已逐渐无法满足要求。选择合理的闸门型式是大型水闸工程首要考虑的因素，并对其技术经济指标产生重要影响。本文以威海南海新区香水河挡潮闸工程为例对新型大跨度双拱闸门技术进行分析研究。

1 工程概况

威海南海新区香水河挡潮闸工程位于威海市南海新区香水河入海口处，挡潮闸建成后，可大幅提高当地防风暴潮能力，对保障区域供水安全、消除风暴潮侵袭、提升区域生态环境、促进当地经济发展和社会稳定具有重要意义。挡潮闸最大过闸流量4691m3/s，工程等别为Ⅱ等，工程规模为大(2)型，主要建筑物级别为2级，闸室总净宽364.0m。闸底高程-1.0m，墩顶高程6.0m。工作闸门共3个最不利运行工况：①正向挡临海侧最高潮水位2.97m，反向挡香水河侧最低蓄水位-1.0m；②反向挡香水河侧最高蓄水位2.68m，正向挡临海侧多年平均最低低潮位-2.57m；③在工况②时，闸门开启泄洪[1]。

2 工作闸门型式确定

挡潮闸工程位于威海市南海新区生态湿地保护区内，工程周边规划建设以香水河为中心的滨河景观带和滨海休闲养生区，要求工程应具有良好的景观效果。采用大跨度闸门，由于闸墩数量较少，可有效提高河道过流面积，减少对河流生态破坏，而且易与周边环境相协调，景观效果好。

2.1 大跨度闸门不同型式承载结构分析

闸门承载结构承受闸门的全部荷载并将其传递到土建结构，是确定闸门型式、土建结构布置方案首要考虑的因素。

2.1.1 实腹梁格结构

目前普遍使用的传统形式闸门主要有平面闸门、弧形闸门等，其承载结构均为实腹梁格结构，其中大多为以承受弯曲应力为主的实腹主横梁式，该结构受闸门跨度影响较大。当设计水头相同时，作用在闸门上的总荷载随跨度呈线性增大[2]。造成大跨度闸门因主横梁断面尺寸太大，使其闸门结构布置困难。而且由于闸门面板只有部分参与主横梁的作用，同时主横梁在跨中的腹板和支承处的前、后翼板均没有完全发挥材料的作用，使闸门重量和所需启闭设备容量都较大，相应工程投资也较高。

2.1.2 拱形结构

拱形结构在建筑、桥梁等工程领域已有了广泛的应用，由于其合理的结构体系，尤其在大跨度结构和空间结构中应用更为广泛。拱形结构通过拱曲线将外荷载形成的弯矩转化为构件的轴向力，能充分发挥材料性能。由于拱的力学特性，其闸门承载结构主要以承受轴向力为主，且沿跨度受力均匀，在大跨度情况下，不仅材料经济，而且造型美观，闸门结构布置也简单。

拱形承载结构是一种合理的大跨度结构体系，大跨度闸门采用该结构能够获得良好的技术经济效果。

2.2 大跨度闸门不同型式拱形结构分析

近年来随着国民经济的快速发展，建设的大型水闸工程越来越多，不同形式拱形结构在大跨度闸门中也得到了成功应用。

2.2.1 圆拱形结构

该结构主要依据受径向均布荷载的合理拱轴线是圆曲线的原理。广州市荔湾区花地河北闸工程采用单跨宽度达40.0m的上翻式拱形钢闸门，采用液压启闭机启闭[3]；南京市三汊河口闸工程采用单孔净宽40.0m的双孔护镜闸门，采用盘香式启闭机启闭[4]。以上闸门门体均采用由面板、与面板连接的加肋梁组成的圆拱形薄壁结构，圆拱两端通过可绕水平轴转动的支铰支承在两侧闸墩上。该闸门型式由面板、加肋梁共同承受水压荷载引起的轴向力，能够充分发挥材料性能，并且造型美观、闸门重量也较小。但闸门结构属大跨度低刚度结构，系统固有频率低，在水动力荷载作用下容易诱发共振[3]，需采取抗振措施保证闸门运行安全。

2.2.2 抛物线拱形结构

该结构主要依据受沿弦均布荷载的合理拱轴线是抛物线的原理。浙江绍兴曹娥江大闸28孔，单孔宽度20.0m，工作闸门采用鱼腹式双拱管桁架空间结构，液压启闭机直升式启闭。闸门门体由平面面板、与面板连接的弦杆、双拱间的腹杆和抛物线形正、反向双拱组成，面板通过弦杆与正拱连接。该闸门型式经观测研究证实，具有承载刚度大和抗涌潮冲击的良好特性[5]。弦杆、正、反向双拱等闸门主要受力构件以承受轴向力为主，但平面面板仍需直接承受全部水压荷载引起的弯曲应力，没有完全发挥材料性能。

2.2.3 新型大跨度双拱结构

根据荷载和拱轴线的形式，该结构仍属于圆拱形结构。闸门门体结构包括圆拱形的面板、与面板内弧侧连接的多根由上至下依次间隔设置的上弦圆拱梁、多根由上至下依次间隔设置的下弦圆拱梁，上弦拱梁和下弦拱梁的拱形方向相反，在平面图上形成橄榄状的双拱结构，双拱间通过腹杆连接[6]。双拱两端分别与箱型拱脚结构连接，拱脚结构支承在两侧闸墩上；闸门采用液压启闭机直升式启闭。该结构闸门全部受力构件以承受轴向力为主，能够充分发挥材料性能，并且可以大大提高闸门整体的刚度。

通过以上分析，新型大跨度双拱结构汲取了圆拱形结构和抛物线拱形结构的优点，不仅闸门整体刚度大，而且能够充分发挥材料性能，大大减轻闸门的自重，节省工程投资。

2.3 闸门型式方案比选

根据工程特点选取露顶式平面钢闸门、新型大跨度双拱闸门两种闸门型式方案进行比选确定。根据闸室总宽度，露顶式平面钢闸门方案采用闸门跨度14.0m，新型大跨度双拱闸门方案采用闸门跨度26.0m。

2.3.1 露顶式平面钢闸门方案

挡潮闸共26孔，单孔净宽14.0m，闸室总宽度421.2m，闸室顺水流向长20.0m，闸墩顶设排架和机架桥，机架桥顶设启闭机房，两侧设桥头堡。工作闸门采用26扇14.0m×4.5m-3.97m/1.6m(闸门跨度×闸门高度-正向挡水水头/反向挡水水头)露顶式平面钢闸门，启闭设备采用26台2×400kN双吊点固定卷扬式平面闸门启闭机。

2.3.2 新型大跨度双拱闸门方案

挡潮闸共14孔，单孔净宽26.0m，闸室总宽度399.5m，闸室顺水流向长26.0m，右岸设桥头堡。工作闸门采用14扇26.0m×4.5m-3.97m/1.6m双拱钢闸门，启闭设备采用14台2×800kN双吊点露顶式弧形闸门液压启闭机。每台液压启闭机的两根油缸分别设置在两侧闸墩顶的排架处，每两台启闭机共用1套液压站集控设施进行运行控制，集控设施布置在闸墩顶的机房内。

2.3.3 方案选择

针对各方案不同的闸门型式进行技术及经济各方面分析，以确定最优方案。

(1)闸室过流能力

两个方案的闸室总净宽相同，过流能力相差不大。但方案二较方案一闸墩数量大大减少，在闸室总宽度相同的条件下，方案二的过流能力明显较大。

(2)制造安装

方案一闸门跨度小，门体尺寸较小、结构简单，可整体制造安装。方案二闸门跨度大，考虑到道路运输和现场安装条件，需采用厂内分节制造，工程现场焊接组装的方式。

(3)景观效果

方案一闸门重量较轻，所需启闭力也较小，机架桥、闸墩设计强度要求较低，但闸墩及排架较多，机架桥和机房贯穿整个闸室，景观效果较差。方案二闸墩数量少，启闭设备和机房全部布置在闸墩顶，并且闸门结构新颖，易于与周边环境相协调，具有良好的景观效果。

(4)运行管理

方案一选用的固定卷扬式平面闸门启闭机零部件结构简单，运行操作、维修方便，维护项目也较少，管理及维护费用低。方案二选用的露顶式弧形闸门液压启闭机结构紧凑，精密零部件较多，维修养护较复杂，管理及维护费用较高。

(5)经济性能

方案一工程总投资27995.0万元，其中闸门、启闭设备投资3886.0万元。方案二工程总投资27683.0万元，其中闸门、启闭设备投资4970.0万元。方案二虽闸门、启闭设备投资较高，但其工程总投资较低，具有较好的经济优势。

经过上述综合比较，方案二工程总投资较低，具有良好的景观效果，因此威海南海新区香水河挡潮闸工程工作闸门采用新型大跨度双拱闸门型式。

3 闸门结构设计

新型大跨度双拱闸门的水压荷载全部由门体结构承受，通过拱脚结构将荷载传递到闸墩。以威海南海新区香水河挡潮闸工程工作闸门为例，根据荷载分配和传递方式，将闸门整体结构按门体结构、拱脚结构分别进行阐述。闸门整体结构布置见图1。

图1 闸门整体结构布置图

3.1 门体结构

门体结构主要包括面板、上、下弦拱梁和两拱间的腹杆。沿圆拱形面板高度方向间隔设置5根上弦圆拱梁，拱梁间沿跨度方向间隔设置9道竖直次梁，面板与拱梁、次梁焊接连接。下弦圆拱梁共2根，与上弦圆拱梁拱形方向相反，拱梁间同样设置9道竖直次梁。每根下弦圆拱梁在竖直次梁处通过水平、斜向腹杆分别与3根上弦圆拱梁连接。拱梁、次梁和腹杆均采用不同型号的H型钢。面板和上、下弦拱梁的两端均分别与闸门左、右两侧的箱型拱脚结构连接。

3.2 拱脚结构

拱脚结构是由前翼缘板、后翼缘板、设置在前、后翼缘板之间的内侧腹板和外侧腹板、设置在内侧腹板和外侧腹板间的中间隔板构成的日字形箱型结构，拱脚结构与闸门高度相同；该拱脚结构布置简单，受力条件好，抗腐蚀能力高，且能够节省工程投资[7]。

拱脚结构前翼缘板、后翼缘板、中间隔板垂直于水流方向设置，内侧腹板、外侧腹板平行于水流方向设置。面板、上、下弦拱梁的端部分别与拱脚结构前翼缘板、后翼缘板、内侧腹板焊接连接，中间隔板的位置和数量与上弦拱梁对应设置。拱脚结构的前翼缘板处设反向支承滑块、侧止水，后翼缘板处设正向支承滑块、侧向滑块。

4 闸门空间结构体系有限元分析

有限元分析选用ANSYS程序进行建模和计算。闸门门体、拱脚结构的主要材料为Q345，根据闸门的3个运行工况进行分析计算。

4.1 分析模型

闸门有限元模型选取一个由壳单元、梁单元组成的有限元模型，将闸门门体、拱脚结构构件都用中面处的八节点二次壳单元模拟，用偏心壳单元模拟上弦拱梁与面板位置之间的差别。有限元模型共66467个结点，22271个壳单元，4个梁单元。闸门坐标系原点位于闸门底部中心，X轴为闸门跨度方向，Y轴为水流方向，Z轴为闸门高度方向。闸门中心线处约束X向位移；拱脚结构支承滑块处约束Y向位移，挡海水时，正向支承滑块作为支承，挡河水时，反向支承滑块作为支承；闸门面板、拱脚结构底部约束Z向位移。闸门模型有限元网格图见图2。

图2 闸门模型有限元网格图

4.2 计算结果分析

(1)有限元计算结果

闸门主要承受水压荷载和自重。水压荷载为面梯度荷载，不同位置的面荷载大小是由基准位置的面荷载大小、面荷载梯度和梯度方向决定的；闸门自重按惯性荷载设置。闸门有限元计算结果见表1。

表1 闸门有限元计算结果表

(2)计算结果分析

闸门结构位移分析：工况①闸门位移最大，最大位移位于闸门底部跨中处，方向为海水涨潮水流方向；工况②、③最大位移与工况①位置基本相同，位移方向相反。各工况闸门位移均呈现两侧向跨中逐渐增大的趋势，最大位移与跨度的比值最大仅为1/2096，显示出闸门结构具有较大的刚度，有效的减小了闸门位移。

闸门结构受力分析：闸门受力较大的构件为上、下弦拱梁和拱脚。受力最大的上、下弦拱梁均位于闸门底部，沿跨度方向应力变化幅度不大，受力均匀，只在接近拱脚处应力显著增大并在与拱脚连接处有应力集中。拱脚整体应力都在70.0MPa以下，中间隔板与前、后翼缘板连接处有应力集中。腹杆应力都不大，整体应力都在20.0MPa以下，在节点处有应力集中。闸门各构件最大应力均小于材料Q345容许应力[8]。

5 结论

(1)将新型大跨度双拱闸门与不同拱形结构闸门进行了比较分析，并结合工程实例将其与传统形式闸门进行了技术经济比选，确定该闸门型式具有刚度大、材料利用率高、景观效果好等优点。

(2)结合工程实例对新型大跨度双拱闸门进行了空间结构体系有限元分析，根据计算结果可知各运行工况下闸门结构的强度、刚度设计安全。

(3)水工钢闸门大多都存在使闸门产生振动的因素，大孔口闸门存在振动时，则可能产生有害振动[9]。共振效应是闸门结构疲劳损伤和失稳的重要原因，提高闸门结构刚度可达到提高低阶自振频率的目的，避免诱发闸门共振[10]。新型大跨度双拱闸门结构具有较大的刚度，闸门在挡水运行过程中，未检测到闸门产生有害振动。