升卧式平板钢闸门在某水闸中的运用

朱其泉，葛 韬，张继芳

(1.湖北省水利水电规划勘测设计院珠海分院，广东 珠海 519000；2.湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北 武汉 430070)

1 概述

该水闸位于珠海市三灶湾大堤上，是1#主排河入白龙河的控制性建筑物，水闸处于珠海市西部中心城区规划范畴。工程任务为对旧水闸进行拆除重建，主要解决旧闸设计标准偏低、过流能力不足、存在安全隐患、与周边景观极不协调等问题。水闸工程等别为Ⅲ等，规模为中型，主要建筑物级别为2级，次要建筑物为3级。设计排水流量为139m3/s，重建1#水闸的闸孔数为3孔，单孔净宽8.0m，闸孔总净宽24.0m。

工程于2018年5月正式开工建设，2019年初水闸主体工程基本完成，同年11月份工程完工投入正常使用。

2 水闸结构

水闸防潮(洪)标准采用50年一遇设计高潮位3.46m。水闸设计排水流量为139.0m3/s，规模为中型水闸。水闸整体按双向挡水设计，闸孔数为3孔，单孔净宽8.0m，闸孔总净宽24.0m，采用整体钢筋混凝土框架式结构。闸室底板顶面高程为-2.00m，厚度为1.2m，顺水流方向总长度为20.0m，垂直水流方向总宽度为29.40m。闸室底板上下游均设0.7m深齿墙，外海侧齿墙处设置长度6.0m的钢板桩防渗幕墙，增加抗渗稳定性。边墩厚度为1.0m，中墩厚度为1.2m，高度均为6.60m，两侧边墩与中墩将闸室分为3孔。闸室外海侧设置检修闸门槽，闸墩上布设启闭排架，启闭平台高程8.00m，平台上部设置景观造型。

闸室顶部内港侧设6.0m宽交通桥面板，交通桥设计荷载为公路Ⅱ级。桥面板中间厚0.5m，端部厚0.9m，交通桥中线与两岸引堤中心线一致，桥面高程为5.50m；闸室顶部外海侧设检修桥。

水闸工作闸门偏向外海侧布置，采用升卧式平板钢闸门向下游翻转型式。设净高为2.50m的启闭平台，过流时闸门全部开启平卧于启闭排架下方，挡潮时下闸挡水，立于闸槽中。

3 闸门形式选择

水闸处于珠海市西部中心城区范畴，周边已兴建了生态景观公园及高档生活小区，重建水闸在满足自身功能的需求下，需充分兼顾周边环境的景观需求，因此水闸工作闸门和启闭设备的选型至为重要。工程设计中选取了3种较为常用的方案进行综合比选。

(1)垂直提升平板钢闸门

常规的平板钢闸门，在水闸闸墩上方布置排架柱及固定卷扬机启闭平台，通过固定卷扬式启闭机对闸门进行垂直提升。因结构简单、操作简便，自动化运行可靠、易于制造与安装，且闸门和启闭设备检修条件较好，后期的维护管理方便，故此类运用最广泛，工程投资方面也适中；但启闭排架较高，与周边景观协调难度大，不符合现代化城市景观的要求。

(2)带支臂上翻平板钢闸门

带支臂上翻式平板钢闸门，采用集成式液压启闭机启动，需要加液压锁定装置，闸门通过双向作用的液压启闭机，带动闸门绕着支铰旋转，达到开启和关闭闸门。水闸无启闭排架，利于景观布置；尽管具有景观优势，但液压启闭机闸门的零部件较多，安装精度要求高，加上结构复杂，零部件更换频率高，检修维修复杂，对运行管理人员专业水平要求较高，启闭机一旦发生故障，便不能手动操作闸门；且水闸位于沿海地区的咸淡水交替位置，空气潮湿，水质对金属材料腐蚀性强，电气控制设备及机械配件比较容易损坏，且本地区无专业维修液压启闭设备队伍，工程投资方面也更高。

(3)升卧式平板钢闸门，

为带悬臂轮支承的平板钢闸门，采用固定卷扬式启闭机启动，吸取了垂直提升平板钢闸门和带支臂上翻平板钢闸门的优点，如结构简单、操作简便。通过设计在闸墩上部的弧形轨道及在启闭机的作用下，使平板钢闸门向下游进行翻转，闸门在全部开启时平放于闸墩的上部，并高出最高运行水位1.6m，满足运行管理及正常使用要求。另外，考虑到景观整体要求，水面上不宜有较大的建筑物，所以升卧式平面钢闸门能使水闸的启闭机平台的净高由8.5m降为2.5m，启闭机排架高度显著降低，加强了水闸整体的的防风抗震能力，优化了工程造价，同时解决了排洪挡潮、道路交通、生态蓄水与城市景观协调等诸多矛盾问题；与带支臂上翻平板钢闸门比较，具有闸墩轻巧，结构简单，工程造价小的优点。但也存在一定的缺点，如管理运行中钢丝绳长期泡水，易于锈蚀，缩短了钢丝绳的使用寿命，但可通过选用更高防腐等级钢丝绳或者增加钢丝绳更换频率来解决。

综合考虑运行、检修、景观效果及工程投资等因素，最终闸门的形式选定升卧式平板钢闸门方案。

4 升卧式平板钢闸门设计要点

4.1 设计工况

(1)闸门正向挡水强度设计控制工况：外海防洪设计水位(p=2%)为3.46m，相应内渠低水位0.60m，水头差2.86m。

(2)闸门反向挡水强度设计控制工况：水闸内港侧远期最高蓄涝水位2.70m，相应外海设计低潮位-0.13m，水头差2.83m。

(3)闸门启闭控制水位组合：启门时闸门高水位侧最大为2.59m，启闭水头差不大于0.5m。

(4)检修工况：外海取5年一遇高潮位2.53m，闸室内无水。

4.2 门叶

因闸门门叶在闸孔内转动，需要向上游或者下游进行翻转，所以本水闸门叶的宽度要略小于闸孔净宽，为7950mm，其两边预留有25mm的间隙，方便闸门正常工作和使用。间隙过大会使悬臂式主轮轴加大，也不利于止水装置的安设，如图1所示。

图1 门叶与止水橡胶安装示意图

门叶结构由面板、主梁、水平次梁、纵梁、边梁、滚轮支承装置、导向轮、止水装置组成。闸门采用焊接板梁结构，主材为Q235B，止水螺栓材料为不锈钢。面板设于内港侧，主梁采用变截面不对称组合工字型，双吊点启闭。为防止闸门启闭时侧向移动，采用侧轮作侧向定位，与门槽单侧间隙5mm。

4.3 主轮

升卧式平板钢闸门采用4个直径520mm的悬臂式主轮(每侧2个)。可以调节主轮轨面的偏心轴、轴的大、小的末端分别固定在主轮轨面的侧面和纵横梁的中间，便于主轮轨面设置在平面内，如图2所示。

图2 主轮安装示意图

4.4 吊耳

吊耳的安装位置，分2种安装方式：①对向下游进行转动的闸门，闸门的吊耳要设计在门叶上游侧的下部，安装位置不能太低，在沿海地区或者泥沙含量过高的河流易被淤泥埋没，启闭时会加重闸门总体重量，影响启闭机动滑轮组的正常运转，所以其安装高度一般在门叶下主梁附近；位置太高时，闸门全开平卧后启闭机钢丝绳的倾斜角度加大，不便于机架桥的布置。②对向上游进行转动的闸门，吊耳安装在门叶下游面的下部，其余情况与上文论述一样。设计过程进行受力分析，要使闸门启闭时能向上游或者下游进行翻转，则需要闸门的吊点与闸门重心点形成一个偏心矩，这样闸门在启动时会产生一个力偶，使闸门进行翻转。所以吊耳轴中心至面板外缘的距离，要能容纳启闭机的动滑轮组，并应留20～50mm的裕余度。

本水闸设计为向下转的闸门，吊耳轴中心至面板底部的距离为500mm，吊耳轴中心至面板外缘的距离30mm，如图3所示。

图3 吊耳安装示意图

4.5 止水装置

闸门止水装置的安装，设在闸门内河面的两侧，采用双向封水的双头Р型止水橡胶。角钢与面板之间加橡胶垫板，以增加止水装置的弹性，提高止水的效果，如图4所示。闸门底部设计的止水装置采用刀型橡胶，伸出闸门底缘10mm，利用闸门自重压紧，止水材料选用氯丁防水橡胶。

图4 止水装置安装示意图

4.6 门槽

升卧式平板钢闸门的门槽轮廓尺寸(包括铅直段的高度S、弧轨段曲率半径R、弧轨上方斜坡段与水平方向夹角B的大小)，是闸门能否灵活运行的关键。

若弧轨铅直段太短，弧轨段半径太小，闭门时，当闸门运行到弧轨段时可能使闸门停滞不能凭自重下降；启门时，也可能发生在该段闸门自动上滑，失去控制。如果弧轨的铅直段过高、弧轨段半径过大，又会使得闸墩顶高程和启闭平台抬高，失去了本方案的升卧式平板钢闸门优势，如降低启闭平台高度、减少工程投资、城市景观等。对于高度小于孔口宽度的中小型钢闸门的弧轨段几何尺寸可按以下经验数值选用：

向下游转动时，一般可取S≥0.8H，R≥0.2H；

向上游转动时，一般可取S≥H，R≥0.3H[6]；

式中，S—闸底板顶面距弧轨段起点的距离，cm；R—弧轨段半径，cm；H—启闭闸门时挡水高度，cm。

弧轨上方斜坡段与水平方向夹角B。闸门上主轮沿斜坡段运行时，闸门重力分解为垂直于斜坡面和平行于斜坡面的两个分力。为不使闸门重力在平行于斜坡面方向上的分力过大，25°≤B≤55°为宜。

1#水闸有排洪、挡潮、生态蓄水、道路交通及满足与周围景观协调等多种功能。闸门须双向挡水、交通桥需要与现状道路顺接(闸门必须向外海侧转动)、闸墩顶高程及启闭机平台高程均不能太高。

闸门的运行工况也较为复杂，闭门时外海水位高，内河水位低，闸门则为向上游转动型式；启门时内河水位高，外海水位低，闸门则为向下游转动型式。根据水闸的整体设计及结合闸门运行工况，选定闸门向外海侧(下游)转动的形式。水闸设计高度为6.0m，闸墩顶部高程5.5m，闸底槛高程-2.0m，高差仅有7.5m。弧轨段几何尺寸无法满足上述经验数值选取的条件，需通过计算来确定。

本工程中，H=470cm，取S=490cm=1.04H，R=120cm=0.255H，B=15°。经闭门验算和闸门提升中上滑验算，闭门时闸门起吊力为10.5t，闸门提升中起吊力为13.6t，均大于零，即闸门在弧行轨道段可凭自重下降及启门时又不会自行上滑，故选用S=4.9m，R=1.2m，B=15°是可行的。

门槽的宽度为550mm，比主轮直径大30mm。从圆弧段开始，门槽宽度逐步加大，弧轨段的末端位于启闭机平台正下方，为了便于闸门整体吊出闸孔，启闭机平台的每孔上方预留了1个8.9m×1.5m(长×宽)的洞口，洞口上方用活动钢格栅盖板覆盖。如图5所示。

图5 水闸门槽轨道示意图

4.7 启闭平台高程与启闭设施

闸门运行过程全部开起时，吊点中心至桥面的距离不应小于所选用启闭机所规定的滑轮组的吊轴中心至机座底缘的最小距离。另外闸门在开启、关闭过程中，闸门的顶部不能与工作桥的下缘相碰。通过对本闸门门轨运行轨迹计算，绘制侧水封顶部外缘轨迹，最终确定启闭机工作桥的高程为8.00m。

经计算，每扇闸门重量14.83t，闸门启门力为23.03t，选择启闭容量为2×160kN固定卷扬式启闭机。

5 结语

三灶湾大堤1#水闸位于珠海市中心城区，在满足水闸自身功能的前提下如何与周边城市景观相融合至为重要。本工程经综合比选最终采用卷扬启闭升卧式平板钢闸门，一方面充分考虑了后期运行管护和检修方便的使用需求，另一方面有效降低排架高度以减小视线阻碍和与周边环境相协调。水闸建成至今运行3年多，综合运行状况良好，水闸风貌与周边景观环境较为和谐，虽然钢丝绳长期泡在水中易发生锈蚀，但必要时可通过更换钢丝绳解决，不影响水闸正常使用，总体上实现了原设计方案的各项需求，可为类似工程提供参考和借鉴。