拱形闸在城市水系中的应用研究

黄哲元

摘 要：本文以郑州龙湖工程拱形闸为例，阐述了拱形闸在大跨度景观河道上的应用。大跨度、低水头、闸门门顶过水、闸墩少、兼顾河道景观是本工程的设计难点。通过水工模型试验研究了拱形闸门流态以及各工况下的压强分布;采用三维有限元模型和流激振动分析方法，论证了闸门门顶溢流、闸门局部开启运行及启闭过程中的安全性及可靠性。

关键词：拱形闸;大跨度;模型试验;流激振动

中图分类号：TV663+.1 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）13-0075-02

Abstract： Taking the arch gate of Longhu project in Zhengzhou as an example， this paper expounded the application of arch gate in large-span landscape river. The design difficulty of this project is large span， low head， gate top over water， less piers， and river landscape. Through hydraulic model test， the flow pattern and pressure distribution of arch gate under various working conditions were studied. The safety and reliability of overflow of gate top， partial opening and closing of gate were demonstrated by using three-dimensional finite element model and flow-induced vibration analysis method.

Keywords： arch gate;large span;model test;flow induced vibration

1 工程概述

近年来，城市河道的功能从单纯的防洪排涝向防洪排涝与游憩相互结合转变。开敞式、大跨度、低水头的景观闸应运而生。但目前，国内外大跨度拱形闸仍较为少见。

郑州龙湖调蓄工程拱形闸是一座控制型水闸，位于郑州市郑东新区龙湖龙尾部出口河道上，满足龙湖蓄水、调节湖区水位，且兼顾旅游、景观等。闸门平时关门挡水，汛期来临或湖区换水时则开闸放水。拱形闸采用3孔拱形闸门布置，底槛高程82.50m，正常蓄水位85.50m。单孔净宽度为24.0m，总孔口净宽为72.0m，闸室长度为30m。

2 闸门的操作运行工况

①正常运用1：调蓄池水位维持正常蓄水位85.50m，关闸蓄水。②正常运用2：调蓄池水体交换，闸门控泄。③非正常运用1：龙湖调蓄池不参与城市防洪，调蓄池水位100年一遇最高蓄水位85.76m，关闸蓄水。④非正常运用2：龙湖调蓄池参与城市防洪，汛前开闸，将调蓄池水位降至85.00m或84.50m，然后关闸。

3 闸门和启闭设备设计

闸门为半圆拱形，圆拱直径24m，拱内圆半径为12.4m，拱外圆半径为13.6m，展开长度40.8m，闸门厚度1.2m。圆拱两端通过可绕水平轴转动的支铰支承在闸墩上。为减少闸门制造和安装误差以及温度等变化对门体的影响，闸门在跨中铰接连接，使闸门整体成三铰拱结构。拱形门的面板圆弧凸向龙湖侧，在挡水时为受压拱，如图1所示。

为满足拱形门在关闸挡水时能调节闸上（龙湖侧）水位的要求，拱形门的顶部设有可升降的活动小门叶，使整个拱形门的高度可在3.00～3.50m调节。闸门设3根主梁，侧止水型式采用V1型止水橡皮，底止水采用H9型止水橡皮;支承采用绕水平轴转动支铰，支铰轴承采用自润滑关节轴承。上主梁以上、主梁翼缘及拱形门面板之间形成的空腔为活动小门安装、操作空间;活动小门为圆拱形，沿圆弧长度方向分成10扇，左右各5扇，每扇约4°，孔口尺寸（宽×高）2.2m×0.6m。小闸门和拱形门之间设置前止水，止水采用P形橡皮止水，止水橡皮固定在拱形闸门上。拱形门上部设有人行通道，两侧设置护栏，供旅游观光使用，通道桥面高程为86.0m。为避免在换水工况下，拱形门局部开启时水流在闸门底缘处产生负压，拱形门的底缘在龙湖侧（上游侧）的倾角布置成大于35°，下游侧的倾角布置成大于40°，但随着闸门开启，上游侧角度将逐渐增大。拱形门可在全开、全关以及局部开启的条件下运行，拱形门全开后与水平向的夹角约为60°。

因拱形闸门的设计特点，启闭设备既要保证起重容量和起升扬程，又必须节省位置减少重量，启闭机的设计必须结构紧凑。盘香式启闭机是一种多根铜丝绳多层缠绕的卷扬式启闭机，每根钢丝绳在同一断面重叠多层缠绕，形如“盘香”，故称盘香式启闭机。盘香式启闭机直接同吊耳相连，钢丝绳分支数可多达14根，卷筒为半径差值的两个半圆盘，均匀缠绕多层钢丝绳。将盘香式卷扬机固定在排架顶部平台上，卷扬机的钢丝绳通过托轮转向后固定在拱形闸门吊耳上。钢丝绳共6根，通过调节螺栓使每根钢丝绳的受力趋于相同，钢丝绳仅与托轮接触，钢丝绳和卷扬机传递给排架结构的内力明确。最终启闭设备选用2×1 000kN盘香卷扬式启闭机，扬程为12m，门顶活动小门的操作选用2×50kN的螺杆启闭机（电动螺杆升降机），将螺杆固定，螺母安装在下闸门底部，通过螺杆旋转带动螺母和小闸门升降。小闸门总高度0.75m，小门开启调节高度0.6m，即螺杆受拉（压）长度0.6m。电动螺杆升降机具有启闭锁定功能，在启闭机的有效工作范围内，活动小门可停留在任意位置而不会造成下滑。

4 拱形闸门水工模型试验

拱形门门顶过流时，闸门开启及局部开启运行状态水流流态复杂。利用水工模型试验，研究拱形闸门在各工况和开启角度和动水启闭时的压强分布。

4.1 各开启状态的闸门压强分布

试验量测了不同上下游水位下拱形闸门各开启状态（1°、1.5°、2.5°、5°）的闸门压强分布。试验结果表明：同一工况，闸门相同高度位置层，距中间铰越近，压力越小;同一水位，拱形闸门开度越小，闸门相同位置处的压力越大;不同水位，上游水位越高，闸门相同位置的压力越大。

4.2 活动门叶全开时拱形闸门压强分布

试验量测了上游水位85.76m、下游水位85.12m，上游水位85.5m、下游无水两种工况下活动门叶全部开啟时拱形闸门上下游面板及底缘压强分布。试验结果表明，当活动门叶全开过流时，拱形闸门下游面板不会出现负压。

5 结语

大跨度的空间结构是当前土木工程的一个重要发展方向，目前正在越来越多地运用于水工建筑物领域。郑州龙湖工程已经蓄水，拱形闸门已投入正常运用，城市景观效应逐渐显现。闸门闭合时，形成弧形水上瀑布景观，滔滔不绝;闸门开启时，犹如三道彩虹，横贯天幕，蔚为壮观。拱形闸景观与周围交通桥、水系、岸边绿化做到和谐统一，水乳相融，充分展示了水利建筑设计的不同境界，赋予了水工建筑物不同的风格。

参考文献：

[1]拱形结构在大跨度闸门中的应用研究[D]. 上海：同济大学，2009.

[2]杨永森. 人工湿地在城市景观水系水质净化中的应用研究：以贵州六盘水西铺河为例[J]. 湿地科学与管理，2015（1）：12-16.

[3]许涛. 城市水系规划的环境学途径研究及应用[D]. 天津：天津大学，2010.