郑州龙湖调蓄工程1#出口控制闸闸门及启闭机布置研究

黄哲元 陈雪艳 朱健聪

摘 要：本文介绍了郑州市引黄灌区龙湖调蓄工程1#出口控制闸闸门和启闭机的设计及特点，通过对人字门、钢坝闸和卧倒闸门的对比，阐述了卧倒闸门在大跨度景观河道上的应用，并通过模型试验及三维有限元计算分析，为闸门结构优化设计提供依据。

关键词：调蓄工程;出口控制闸;卧倒闸门;模型试验

中图分类号：TV664 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）10-0063-02

Abstract： This paper introduced the design and characteristics of the No.1 exit control gate and hoist in the Longhu Reservoir Project of the Yellow River irrigation District of Zhengzhou City. By comparing miter gate， steel dam gate and recumbent gate， the application of the recumbent gate in the long-span landscape river channel was expounded. Through model test and three-dimensional finite element calculation and analysis， the basis for optimum design of gate structure was provided.

Keywords： regulation and storage project ;exit control gate;recumbent gate; model test

1 工程概述

鄭州龙湖调蓄工程位于郑州市城区的东北部，下游分别与魏河、东风渠连接。其中1#河道为通航河道，需要修建1座控制性水闸。1#出口控制闸主要功能为拦蓄调蓄池水，通航时开启闸门，龙湖水体交换时控泄、调蓄池水入东风渠。运行工况如下。

①东风渠100年一遇水位87.53m，龙湖调蓄池正常蓄水85.5m，1号闸处挡东风渠侧水差2.03m;闸门处于挡水状态，启闭机不工作。

②龙湖调蓄池100年一遇水位85.62m，东风渠检修渠道无水，1号闸河口处龙湖侧挡水2.92m;闸门处于挡水状态，启闭机工作。

③1号闸正常蓄水位85.50m，东风渠与龙湖侧水位差不大于0.5m时可开启闸门，此时河道通航。

2 1#出口控制闸闸门及启闭机设计

2.1 闸型方案比选

控制闸闸门门型选择主要考虑以下几方面因素：一是闸门必须满足使用功能要求;二是闸门必须满足景观要求;三是闸门必须满足经济合理的要求。

设计过程中，对上翻门、钢坝闸、卧倒闸门3种闸门型式进行比较[1]。

①上翻门。该闸门是闸桥合一的结构形式。闸门围绕上铰轴旋转，开启时平卧在桥下过水，闸门旋转垂直状态关闭挡水。启闭机可选择卷扬式启闭机或液压启闭机操作。闸桥结合形式简洁，可以充分利用桥下空间，缺点是闸门局部开启工况较差，没有控制流量的功能。

②钢坝闸。钢坝闸闸门挡水可垂直或斜立放置，闸门门顶允许过流，闸门可动水启闭，也可局部开启。该闸门的缺点是旋转底轴穿侧墙处的止水长期使用容易漏水，对液压启闭机造成破坏。

③卧倒闸门。卧倒闸门可根据孔口宽度设置数个安装在河床底部的铰座上，闸门绕该铰座的铰轴转动。闸门可双向挡水，且门顶允许过流。闸门可动水启闭，也可局部开启。该闸门具有运行可靠、制造与安装方便、启闭力小、操作方便以及通航净空不受限制等优点。此外，其转动支铰结构比人字门简单，水下没有需要经常检修部件，造价较低。故1#出口控制闸门采用卧倒闸门方案。

2.2 卧倒闸门及启闭设备设计

1#出口控制闸3孔，设置3扇卧倒闸门，孔口宽度28m，高度为5.2m，双向挡水。

卧倒闸门由门叶、支铰、支臂和止水等组成。开启状态时，卧倒在闸底板上;在防洪挡水时，闸门全关，与水平面成70°向东风渠侧倾斜。

卧倒闸门沿孔口宽度方向上布置2个支铰。支铰安装在闸门底部大梁和闸底板预埋件上，使闸门与闸底板保持铰接状态。在闸门两侧靠近闸墙处设置2个支臂，启闭设备通过驱动支臂，使支臂带动闸门绕支铰轴线转动，从而达到启闭闸门的功能（见图1）。

闸门操作运行方式为动水启闭。由于液压启闭机具有结构紧凑、体积小、重量轻、传动平稳、可靠性能好等有点，启闭设备最终选用2×（1 600/2×1 000）kN的液压启闭机操作。液压启闭机泵站和现地控制柜设置在两岸，泵组、阀组、油箱为一体式结构。每个泵站设2套油泵电动机组，互为备用。液压系统应具有使闸门同步、自动复位的功能。为保证闸门绕支铰轴转动时始终同步，且同步误差不大于2cm，启闭机液压系统设有闭环同步纠偏控制系统。

2.3 闸门设计创新

卧倒门结构由门叶、支铰、止水和锁定装置组成。

由于闸门允许顶部过流，在闸门的顶部设破水器，当闸门启闭时，破水器将水幕分开。闸门内部设置通气孔，使门下空腔与大气连通，防止因产生负压引起闸门震动。

闸门两支铰采用固定式，轴承采用自润滑关节轴承，作为闸门的轴向基准点，可承受一定的轴向力。支铰通过锚栓固定在闸底板上。

由于闸门支铰完全淹没于水下，因此水下维护保养比较困难。对自润滑关节轴承而言，保证轴承安全有效地工作，防止污水和泥沙对轴承的侵蚀和破坏是关键。支铰采用了O型密封圈、J型密封圈及J型止水等密封装置。选择的关节轴承应具备较高的防腐能力，即对有污染的河水有抗腐能力。关节轴承的滑动面除有较低的摩擦系数外，对可能进入的少量泥沙有一定的适应能力，其使用寿命大于30年。

闸门运行状态是长期卧倒放置，水中的门体有可能出现淤积现象。为了能正常启闭，应设置冲淤装置。冲淤主要是对门体下部的泥沙进行冲刷。冲淤装置采用高压水枪自动冲淤为主，人工清淤为辅的方式。

3 结构计算

考虑到大跨度液压下翻转式卧倒门受力状态复杂，且需要局部开启闸顶过水，传统的平面计算难以反映整体的受力状态，结构计算根据闸门的结构特点，依据设计图纸建立闸门几何模型，采用三维有限元对其进行空间结构复核。

根据前文确定的边界条件，综合考虑各种计算荷载，借助有限元分析软件对各种设计工况分别进行计算，计算结果如表1所示。

经计算得知，工况1和工况2由于挡水方向相同，应力和位移等值线分布具有相似性。由于工况2为闸门局部开启闸顶过水工况，因此，其应力和变形量最大，为控制工况。工况3为挡内河水位工况，与工况1和工况2挡水方向相反，由于闸门倾斜于挡水侧，闸门自重可抵消部分水压力，虽然挡水高度较大，但变形量较小。

4 结语

目前，郑州市引黄灌区龙湖调蓄工程1#控制闸已投入使用，龙湖已经蓄水，城市景观效应逐渐显现。

生态城市是人们对未来城市发展趋势的一种理论构想，城市河道也从单纯的防洪排涝向防洪排涝与游憩相结合的功能转变，营造既人性又生态的驳岸型式，合理设置休闲设施，营造人与河流的互动空间。在此基础上，城市水系中景观闸得到广泛的运用，特别是大跨度翻转式卧倒门景观闸以其独特的优势，更发挥出越来越重要的作用。

参考文献：

[1]郑东新区龙湖1、2、3号出口控制闸闸门静动力试验研究报告[R].天津：天津大学，2011.