闸门上游侧半楔形结构止水橡皮设计

谢太生　刘妍　陆浩　周永玲　戴芬芬　向初旭　刘俊

摘要：常规平板和弧形闸门启闭时止水橡皮沿着闸墩侧边来回摩擦，闸门启闭力较大，止水橡皮易磨损和出现漏水现象，造成水闸上游库容蓄水量损失和水位降低。为此，创新性地提出了闸门上游侧半楔形结构止水橡皮设计，即在闸门上游两侧设置半楔形结构，与闸门两侧闸墩对应设置的半楔形侧边相互咬合，咬合处间隙设止水橡皮，顶止水、侧止水和闸门其他部分保持以往常规结构不变。实践表明：关闸时，闸门半楔形结构止水橡皮靠近闸墩半楔形侧边，无论闸门是否蓄水，闸门自重分力挤压止水橡皮，止水可靠;闸门开启后，闸门半楔形结构止水橡皮远离闸墩半楔形侧边，不产生摩擦，止水橡皮无磨损。另外，在设计时可通过调整楔形闸门厚度、夹角、底板单位正压缩力和单侧斜边单位正压缩力等参数设计出各种技术上可行、经济合理的止水方案。

关键词：闸门止水; 止水橡皮; 半楔形结构; 正压缩力

中图法分类号： TV663

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.11.022

0引 言

闸门是可以启闭、用于控制孔口水流的挡水结构，是水工建筑物的重要组成部分之一。闸门的作用是用来封闭水工建筑物的孔口，并允许按需要全部或局部开启这些孔口，用于调节上下游水位和流量，从而获得防洪、灌溉、供水、发电、通航、过木过筏等效益。为达到此目的，必须设计好闸门止水，止水的作用是在闸门关闭或动水启闭过程中防止闸门与门槽埋件之间漏水。止水按装设部位可分为顶止水、侧止水、底止水和节间止水。闸门各部位的止水装置应具有连续性和严密性。止水效果不好，会造成闸门严重漏水，带来一系列问题[1]。止水装置的效果好坏，不仅与其结构的选型、布置有关，而且与闸门制造、安装的精度以及正确的运行方式都有很大的关系[2]。

在实际水闸工程中，常规的平板和弧形闸门漏水现象几乎无处不在，严重影响水闸作用的发挥。为解决闸门漏水的问题，施莫泽使用有四氟乙烯（PTFE）外包层的橡皮止水，利用PTFE的润滑作用获得较低的摩擦系数[3]，但PTFE外包层时间较长被磨损后，其润滑作用将消失，摩擦系数将增大，不能有效解决问题;周和平等采用弹压支承强迫闸门止水贴合踏面[4]，止水效果好，但结构复杂，弹压支撑结构易锈蚀，而且由于弹簧压缩增加了止水橡皮正压力，闸门受到门槽的摩擦力较大，闸门启闭困难，弹簧压缩量不好控制，止水橡皮易磨损[5]。刘红伟、李敬文等提出了2种防漏水方法：① 利用优质钢板通过焊接加固闸门底止水橡胶代替使用环氧树脂砂浆黏结橡胶止水的方法，延长了橡胶底止水的使用时间，提高了闸门底止水的使用效果[6];② 新型土工合成膜布吸堵法封堵抢护，但当水位下降以后，闸门漏水问题依然存在，水退后需进行闸门止水维修，并不能解决正常运行时漏水问题[7]，此方法只能解决闸门局部的底止水和临时堵漏方法，没有完全解决闸门漏水问题。张雷等提出了双重止水技术，这种技术是利用钢止水的坚韧性和耐磨性，兼备橡皮止水的柔韧性，形成刚柔并济的止水系统，这种止水技术便于管理，能提升止水设备的使用寿命[8-9]，但在启闭闸门时，止水橡皮与门槽磨损仍然存在;常大巍等[10]设计了嵌入式楔形闸门止水，闸门板与闸槽之间无摩擦，启闭方便，但由于没有采用止水橡皮，仍然不能完全止水。另外，由于嵌入式楔形闸门前后左右呈楔形，开启闸门时，易前后左右摇摆晃动，定位性差，仅适用于平板闸门，不适用弧形闸门。目前常规闸门（平板闸门和弧形闸门）工程中止水多为水力被压式止水结构，上游蓄水时，闸门上游水压力挤壓止水橡皮，橡皮紧贴平直闸门槽或者闸墩侧面预埋件，达到止水目的，但是启闭闸门时，止水橡皮紧贴预埋件，上下滑动磨损橡皮[11]，增加了闸门启闭力容量[12]。

在此背景下，迫切需要研究一种能有效减少止水橡皮磨损和阻止闸门漏水的新型止水结构。

1设计思路

本次研究拟采用闸门上游侧半楔形结构止水橡皮，即在闸门上游两侧设置半楔形结构，与闸门两侧闸墩对应设置半楔形侧边相互咬合，咬合处间隙设止水橡皮，顶止水、底止水和闸门其他部分保持常规设计不变。

按门顶与上游水位蓄水位相对位置，可将闸门分为露顶式闸门和潜孔式闸门[13]：① 露顶式闸门，在平板和弧形闸门上游侧两端分别添加三角形和弯曲弧形半楔形结构止水橡皮，底端采用平直止水橡皮;② 潜孔式闸门，在平板和弧形闸门上游侧两端分别添加三角形和弯曲弧形半楔形结构止水橡皮，同时闸门顶部盖板和底端采用平直止水橡皮。以上闸门都是利用闸门自重挤压闸门半楔形结构止水橡皮，紧贴闸墩半楔形结构凹槽边，达到止水目的。闸门开启时，平板闸门下游侧沿门槽下游侧平直边向上滑动，弧形闸门绕支臂铰心向上旋转，闸门半楔形结构止水橡皮与闸墩半楔形结构凹槽边脱离，摩擦力为零;关闭闸门时，闸门半楔形结构止水橡皮紧贴闸墩半楔形凹槽边，达到止水目的。该止水结构设计无论闸门是否蓄水，闸门自重始终挤压止水橡皮，止水可靠，闸门其他部分都不改变，跟以往常规设计一样，特别适用现有闸门改造，当然也可以新设计具有闸门上游侧半楔形结构止水橡皮的闸门。

2结构设计

2.1露顶式闸门

露顶式闸门止水需要在闸门两侧和底部设置止水橡皮。在常规平板和弧形闸门上游侧两端分别添加三角形和弯曲弧形半楔形结构止水橡皮，底端采用平直止水橡皮，在闸门两侧闸墩，设置与半楔形止水橡皮结构相对应的半楔形槽边，相互咬合。当闸门提升开启时，止水橡皮远离门槽处半楔形边，没有磨损;当闸门下降关闭时，止水橡皮下降，与半楔形闸门槽边接触，完全放松启闭机钢丝绳时，闸门自重挤压半楔形结构止水橡皮，紧贴闸墩半楔形槽边，达到止水目的。该结构较为简单，主要通过闸门的自重来关闭闸门，当然也包含了很小部分间隙水压力，闸门与门槽贴合自如、密闭可靠，止水效果好，平板闸门如图1～3所示，弧形闸门如图4～6所示。

2.2潜孔式闸门

潜孔式闸门止水相对露顶式闸门而言增设了胸墙，提高了闸门作用水头，除了要在两侧和底部设置止水橡皮外，还需要增设顶止水，防止闸门顶部漏水，其工作原理与露顶式闸门差别不大。

3受力分析及吊绳作用点计算

3.1闸门关闭时门槽对止水橡皮的反力分析

由于闸门上游侧两端分别添加了三角形和弯曲弧形半楔形结构，因此闸门止水橡皮受力与以往比较有所不同。为简单起见，下面以简单均质等厚模型平板闸门为例（见图7），说明闸门止水橡皮受力计算方法。

接下来需要验算：① 闸门、门槽强度和刚度;② 止水橡皮压缩量δ（止水橡皮压缩量由胡克定律δ=F/E求得），其中止水橡皮弹性模量为E[14]，止水橡皮受力为F。若两项条件均满足设计要求即可，否则需改变闸门参数，重新计算，直至满足设计要求。

而闸门开启时，止水橡皮完全脱离开门槽，楔形门槽边对止水橡皮反力为零。

3.2闸门吊绳作用点位置计算

楔形弧形闸门吊点仍然可以设置在闸门低端。平板闸门上游侧两端添加三角形楔形块和盖板，则闸门吊绳作用点位置就发生改变。为简单起见，下面以简单模型均质楔形平板闸门为例（见图8），说明楔形平板闸门吊绳作用点位置计算方法。

（1） 模型图形说明。

该楔形平板闸门由平板门、左右两楔形块、盖板组成。因此，可以将这个楔形平板闸门看成是一个组合体，通过组合法来计算它的重心。要求出组合图形的重心位置，首先把图形分成几个分图形，分别计算各分图形的体积和重心坐标，然后利用重心坐标公式计算组合图形的重心。

4设计实例

为了进一步印证上面定性分析，下面以结构简单的楔形露顶平板闸门为例进行定量计算分析，闸门结构尺寸如图9所示，计算过程中，数据小数点后最多保留9位数字。闸门材料采用均质钢材，容重为7 850 kg/m3，重心坐标即形心坐标，闸门高1 m，宽1 m，闸门板材全部等厚为0.103 339 558 m，楔形块底宽0.15 m，楔形块斜边与Z轴正向夹角θ=4.1°，闸门上游蓄水高度1 m，下游无水，水容重为1 000 kg/m3。闸门背水侧设有滑轮，摩擦力F1=0，取闸门楔形块橡皮与混凝土门槽斜边摩擦系数f=0.7。

4.1闸门几何参数计算

（1） 平板门。平板门几何参数计算见表5。

（2） 左右楔形块。

为了方便计算，将每侧楔形块分为矩形和三角形两部分计算，几何参数计算见表6～10。

4.2闸门受力分析计算

4.2.1计算简图

根据圣维南原理，将楔形块所受边界力简化为等效集中力计算，不影响闸门整体受力分析计算，如图10所示，计算过程中，数据小数点后保留5位小数。Y方向闸门以中截面为对称面，左右方向受力对称，左右外侧没有水压作用，中截面剪力、弯矩皆为零，轴力大小与本次设计研究目标无关。

4.2.2受力分析计算

闸门底端及斜边受力分析计算结果见表13～14。

整体楔形闸门斜边受力分析计算结果见表15。

从表15可以看出：闸门合力X，Z，M均约为零，满足静力平衡条件，闸门Y轴方向受力左右对称，自然平衡。

楔形闸门与闸槽接触面宽度为闸门板厚度为0.103 339 558 m，即为接触面受力宽度，接触面压应力计算结果见表16。

闸门或者门槽制作材料通常用钢筋混凝土、钢材或者两者结合，表16中所有平均压应力值均小于最低标号C15混凝土fc=7.2 N/mm2和碳素结构钢Q235最低抗压强度设计值（200 N/mm2），最小肖氏硬度HS为35～40度的止水橡皮弹性模量E平均值为1.589 22～1.962 N/mm2，小于极限强度（12.753～14.715 N/mm2），满足设计要求。

该算例中，闸门参数夹角θ=4.1°，自重G=12 287.831 48 N，结构布置、其他尺寸、制作材料、其他应力大小等均在合理范围，在实际工程中可行，该方案可以实现。

若闸门设计高度不变，上游水平水压力F4是定值，闸门背水侧设有滑轮，摩擦力F1=0，而闸门底端支承合力F2、盖板向上水浮力F31、楔形侧板三角棱体向上水浮力F32、楔形侧板斜边摩擦力水平分力F51、楔形侧板斜边摩擦力竖向分力F52、楔形侧板斜边正压缩力水平分力F61、楔形侧板边正压缩力竖向分力F62和闸门背水槽边支承反力F7等力均为被动力，随闸门其他尺寸和相应角度θ改变，即改变闸门自重，上述8个力均可改变，能够找到满足设计要求的闸门。

设计时，若出现止水橡皮受力F反力过大，解决办法是：① 采取加宽闸門底端或接触门槽边部分厚度补救措施，便于设计限位凸起，限制橡皮压缩量，承受一部分受力F凸起。止水橡皮厚度δ，限制凸起高度δ2，止水橡皮实际压缩量δ1=δ-δ2，止水橡皮受力F橡皮=F反力-F凸起=Eδ1，其中闸门底端或接触门槽边宽度为b，止水橡皮宽度为b1，限位凸起宽度为b2。② 稍微提升闸门吊绳高度。③ 改变参数重新计算。若出现F反力合适，则令b2=0即可满足设计要求。若出现F反力太小，则调节闸门板厚度、夹角θ和其他参数（见图11），直至满足设计要求。

5不同闸门计算参数比较

分别改变楔形闸门厚度、夹角θ、底板单位正压缩力和单侧斜边单位正压缩力等4个参数，闸门其他结构尺寸、布置、材料不变，仍满足静力平衡方程，因试算工作量大，下面仅对7种闸门的8个参数进行对比，结果见表17。

从表17可知：① 从闸门1～5，角度θ逐渐增加，其中板厚度、底板单位正压缩力、单侧斜边单位正压缩力和重量都逐渐减小，应力值变化幅度小;② 从闸门5～7，刚好相反，应力值变化幅度较小;③ 表17中闸门重量最小的是闸门5;④ 闸门4～6之间是否有比闸门5重量更小的闸门，仍需多次试算比较。

6結 语

在闸门上游两侧设置半楔形结构，上游侧半楔形结构外缘设置止水橡皮，闸门两侧闸墩设置半楔形侧边，与闸门半楔形结构止水橡皮咬合。这样，改变了闸门结构和止水橡皮安装位置，

闸门自重挤压止水橡皮，闸门止水可靠;

闸门启闭时，止水橡皮无长距离滑动磨损，

减小了闸门启闭力，比较常规闸门启闭力小，启闭灵活;

大面积止水橡皮外侧面被隐藏在暗处，避免阳光照射，延长老化;

设计原理清楚，结构简单，施工方便，造价低廉。

参考文献：

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（编辑：胡旭东）

Abstract：When opening and closing the conventional flat plate and arc gate，the water-sealing rubber is rubbed back and forth along the side of the gate pier.Due to the gate opening and closing force is large，the water-sealing rubber is easy to wear and leak，resulting in the loss of water storage capacity and the decrease of water level in the upstream of the gate.To this end，the design of semi-wedge structure water-sealing rubber on the upstream side of the gate was innovatively proposed，that is，the semi-wedge structure was set on both sides of the upstream gate，and the semi-wedge side was set corresponding to the gate piers on both sides of the gate to bite each other.The water-sealing rubber was set at the gap of the bite，and the top water-sealing，side water-sealing and other parts of the gate remained the same as the conventional structure.Practice showed that when the gate was closed，the semi-wedge structure water-sealing rubber of the gate was close to the semi-wedge side of the pier whether the gate was impounded or not，the self-weight of the gate squeezed the water-sealing rubber by force，reaching reliable water-sealing effect.When the gate was open，the semi-wedge structure water-sealing rubber of the gate was away from the semi-wedge side of the pier，and there was no friction and wear.In addition，by adjusting the thickness of the wedge gate，angle，the unit positive compression force of the bottom plate and the unit positive compression force of the unilateral bevel，a variety of technically feasible，economical and reasonable water-sealing schemes can be designed.

Key words：water-sealing of gate;water-sealing rubber;semi-wedge structure;positive compression force