超大跨度平面直升钢闸门设计建造关键技术研究

祝胜 程雪辰

摘要：姚江上游余姚西分工程是浙江省重点建设工程，其瑶街弄调控枢纽挡洪闸的工作闸门为露顶式平面直升钢闸门，吊点间距45.0 m，闸门设计建造面临不能整体入槽、质量要求严、外观要求高、现场施工安全风险大等特点和难点。结合工程实际，通过深入分析，提出了闸门分段分节安装方法，解决了闸门不能整体入槽的难题；通过提出闸门拼装质量保证技术，使超大跨度平面钢闸门在门槽内拼装的整体质量依然满足规范要求；通过研究大型景观浮雕与水工钢闸门结合技术，实现了闸门外观与功能的结合；通过发明一种安全防护装置，降低了门槽内拼装闸门的安全风险。研究成果可为类似工程项目提供借鉴和参考。

关键词：平面钢闸门； 超大跨度； 门槽内拼装； 外观设计； 安全防护

中图法分类号： TV663

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.024

0引 言

姚江上游余姚西分工程位于浙江省宁波市余姚市，是浙江省重点建设工程。工程通过在姚江上游瑶街弄兴建调控枢纽，新增姚江分洪出路，丰富流域防洪调控手段，减轻洪水期对余姚城区及姚江干流的防洪压力。工程主要由瑶街弄调控枢纽、新开姚江至“北排”排涝通道及沿途泵闸站等建筑物组成［1］。其中瑶街弄调控枢纽挡洪闸工作闸门的门型为露顶平面直升钢闸门，吊点间距45.00 m，是国内跨度最大的平面直升钢闸门，其设计建造具有显著特点和难点。本文主要介绍该超大跨度平面钢闸门入槽方法、质量保证、外观设计和现场安装防护等关键技术的研究和应用情况，以期为类似闸门设计建造提供参考。

1工程概况

瑶街弄调控枢纽按“三闸联建”方案布置，挡洪闸

位于姚江河道正中间，南侧布置削峰调控闸，北侧布置应急船闸。挡洪闸上下游正对姚江Ⅲ级限制性航道，主要功能是在汛期下闸挡洪，平时常开过流通航，在姚江流域发挥防洪减灾和保持航运畅通的重要作用。

挡洪闸按单孔布置，孔口宽度45.30 m，考虑闸室钢护舷厚度（2×0.15 m），净宽45.00 m，底槛高程-3.67 m，设置工作闸门1扇。门型为露顶平面直升钢闸门，门叶宽47.60 m，门高8.30 m，门厚3.824 m，重量约 340 t。门叶为桁架式结构，设置3榀水平主桁架，水平主桁架间距3.20 m，主要弦杆截面为焊接组合结构，节点间距3.80～4.00 m。水平梁系及纵向联结系等结构材质为Q345B。

工作闸门平时锁定在门槽顶部11.00 m高程处，通过设置在22.00 m高程启闭平台上的固定卷扬式启闭机进行启闭操作。工作闸门和启闭机布置见图1，挡洪闸设计参数见表1。

2闸门设计建造主要特点及难点

（1） 闸门跨度大，运行工况复杂。国内的桁架平面闸门跨度均在35.00 m以下，但该工程桁架闸门吊点跨度为45.00 m，是目前国内跨度最大的平面直升钢闸门。桁架闸门一般用做检修门，静水启闭；而该工程桁架闸门为工作门，需动水启闭，水流条件更为复杂。一般的桁架闸门多采用叠梁形式，分节操作，单节起吊重量小，而该工程闸门重约340 t，采用整体桁架结构，吊点设置在边柱，闸门开启瞬间，除了自重作用，还需叠加水压力作用下产生的内力，边柱应力状态复杂。

（2） 闸门的巨大体积和重量使制造、运输及安装难度加大。按工程进度计划，此闸门安装工期短，现场存在交叉作业，施工干扰多；受门槽周围土建结构和环境条件所限，闸门不能整体入槽；因闸门水封、支承滑块系统等受I型门槽限制，对闸门空间三维方向尺寸都有很高的精度要求，闸门制造和安装面临较多难题。

（3） 如此规模的闸门仅在汛期较短时段下闸挡水，平时悬挂锁定在姚江主航道上，位于枢纽建筑外立面中央，具有很强的视觉冲击，其外观需与枢纽整体现代风格相协调，应具有良好的质感和视觉效果，对闸门外观提出了极高要求。

鉴于上述特点和难点，超大跨度平面直升钢闸门设计建造具有较大的挑战性，特别是闸门入槽方法、质量控制、外观设计和现场施工安全等关键技术问题，需开展专项研究。

3关键技术研究及主要成果

3.1超大跨度闸门单元体划分及入槽方法

针对现场作业面狭窄、闸门不能整体入槽的难题，考虑将闸门分节分段为单元体，在工厂制造后运至现场，分单元体吊运入槽，在门槽内完成整体拼装。因此，从以下方面进行了专项研究。

3.1.1闸门单元体运输方案

通过实地调研，闸门单元体运输可采用全公路运输方案和水路运输为主的方案。经技术经济比较，最终采用全公路运输方案。

经过路线勘察，调查沿途桥梁、涵洞、收费站等控制站点的通行情况，确定单元体运输尺寸按宽度不大于4.50 m、长度不大于18.00 m、高度不大于3.83 m控制；单元体重量控制在50 t以内。采用车辆底板高度为0.60 m的大型特种专用车辆在指定公路范围内运输。

3.1.2闸门三维有限元结构分析

工作闸门具有跨度大、动水启闭、起吊重量大、锁定环境差的特点。为使闸门分节分段避开应力应变大、应力复杂、安全系数相对较小的区域，需弄清桁架平面闸门各部位受力状态。采用数值模拟方法，通过有限元软件对桁架平面闸门结构进行静力计算和稳定分析，为闸门分段分节提供技术支撑。

综合挡水、起吊、锁定3种控制工况下的闸门应力应变分析结果，对闸门分节分段提出如下要求：

① 闸门水平主桁架跨中一定范围应保持完整，不应分段，跨中段长度宜为跨度的1/3，即15.00 m左右；

② 水平主桁架靠近闸门边柱腹板区域不应分段，至少应在桁架梁边柱第一节间以外分段；

③ 边柱腹板受力复杂，应保持边柱上下完整和整体刚度，边柱不应上下分节。

3.1.3闸门单元体划分及入槽方法

根据前述分析，结合闸门特点及要求，将闸门以分节、分段方式划分为8个单元体，其中左右2件是垂直单元体、中间6件是水平单元体，如表2及图2所示。

（1） 1号和8号单元体是闸门结构的刚性区块，主要由厚50 mm钢板构成。主要构件承受闸门在起吊、挡水、锁定3种控制工况下的全部荷载，应力情况复杂。这两个刚性区块同时是侧水封和主支承滑块的设置区，整个区块要求有极高的平面度、直线度和加工精度。所以上下应保持完整，不应分节。

对这两段的分割方式也是按照闸门分单元体入槽方案的要求考虑的。闸门分体入槽时，要有一个在宽度方向尽量小的垂直单元体从门槽顶部落槽后，再同其他已入槽的组合单元体进行焊接拼装。

（2） 根据闸门结构受力分析成果，闸门在挡水、起吊、锁定3种控制工况下，跨度方向的中心处左右2组结点之间区段内的水平主桁架和面板会产生相对较大的Mises应力和上下、前后两个方向的变形，其中前后顺水流方向最大变形达到25.30 mm。为确保闸门安全可靠，保持跨度中心两侧2组结点之间的区段完整是必要的。按此要求，闸门两侧垂直单元体之间有9组结点的长度范围将分割成3件单元体，上节和底节分割方式相同，共分为6件单元体。

（3） 闸门高度为8.30 m，由3榀水平主桁架从上往下均布构成。因为闸门底部有止水要求，闸门底部2～4号这3件单元体由两榀水平桁架为主构成，这样形成的封闭结构会使底部2～4号单元体刚度和稳定性比上节各单元体明显提高，底部3件同两侧共5件单元体在工厂内预拼装成门字型刚性结构，具备在工厂内进行水封和支承滑块定位安装的条件，满足出厂预验收的要求，也为工地入槽后焊接拼装先形成刚性区块创造了有利条件。

因闸门上节的5～7号单元体中仅有一榀水平主桁架无法形成封闭结构，易产生弯曲和扭曲变形，应采取临时加固措施解决。

（4） 为了防止各单元体分节分段处在现场焊接拼装时出现交叉焊缝，造成应力集中，对闸门中部2～7号单元体之间垂直分割面错开0.80 m以上。

8件单元体在工厂制造完成，整体预拼装并验收合格，拆分后直接运输至现场，按1→2→3→4→5→6→7→8顺序依次吊装入槽，在门槽内完成闸门整体焊接拼装。

闸门分段分节入槽安装关键技术解决了超大跨度闸门不能整体入槽的问题，有效减少现场焊接工作量和工作面占压时间，缩短了工期，既实现了闸门跨中不被分段，也保持了两端刚性区块完整和侧向水封安装面不被分割，有力保证了两端水封、支承滑块的安装精度。

3.2超大跨度平面闸门质量保证关键技术

现行GB/T 14173-2008《水利水电工程钢闸门制造、安装及验收规范》规定了平面闸门制造、组装的公差或极限偏差要求，对于宽度不超过20 m的平面闸门，从宽度5 m开始，每增加5 m，允许偏差同步增加1～3 mm；而对于宽度超过20 m的平面闸门，不论宽度多大，仅在20 m允许偏差基础上增加1～3 mm。宽度47.6 m的挡洪闸门允许偏差与宽度25 m的闸门允许偏差相同，即宽度增加了5档，允许偏差仅增加1档。此外，对于门叶横向直线度、竖向直线度、底缘直线度、底缘倾斜度及两边梁底缘平面度等的允许偏差，不论跨度大小，仅规定了一个限制数，这不仅对闸门单元体制作，更对单元体槽内整体拼装提出了极为严苛的质量标准。

对于将超大跨度闸门同时分节、分段，主梁4次分割成为8件单元体，运到工地现场再用焊接方式拼接的方案，因主梁被多次分割后经焊接拼接形成整体的累积误差会增大，其允许偏差也不可避免地存在线性增加的客观事实，这是挡洪闸门制造安装必须面临的一个关键性问题。

为保证超大跨度工作闸门质量满足规范要求，在闸门制造、安装过程中首次采用智能测量及BIM虚拟拼装技术，通过激光跟踪智能测量，对每件单元体进行外形尺寸的测量和定位，取得相应的三维形位数据，并进行BIM虚拟拼装，复核单元体虚拟拼装形成整体后的相关尺寸，通过高精度大件三维测量，能输出可靠和精确的测量数据，为大跨度闸门整体拼装质量满足规范要求提供关键性的技术支撑。在此基础上，通过“控制单元体形位公差、整体预拼装精确定位装置、门槽设置可调拼装平台、门叶约束控制、控制焊接次序、精准预留焊接收缩量”等一系列关键技术，使超大跨度闸门在门槽内拼装的整体质量满足GB/T 14173-2008《水利水电工程钢闸门制造、安装及验收规范》中20 m宽度平面闸门质量标准要求，详见表3。

3.3大型景观浮雕与水工钢闸门结合技术

西分工程挡洪闸工作闸门宽47.60 m，高8.30 m，整幅面板面积约395 m2。如此规模的闸门仅在汛期较短时段下闸挡水，平时悬挂锁定在姚江主航道上，具有很强的视觉冲击效果。结合挡洪闸工作闸门使用功能，在闸门面板上首次采用浮雕饰面。闸门上游侧配置的浮雕画面是以中国汉代传统的画像砖为造型基础和构图原则，整幅画面由3幅景象内容组成：中间人物为大禹及其所代表的伟大劳动人民，左侧是河姆渡文化最为显著的储存器皿制作景象，右侧是治水之后所带来的安宁农耕文明。

挡洪闸门下游侧配置文字，闸门上、下游饰面设计见图3。

该浮雕安装于闸门面板，悬挂在航道上方，主要供过往船只乘客和两岸行人观赏，属于高部位、中远距离观赏的大型浮雕。浮雕采用多层次结构，人物和动物浮高控制在150～200 mm，其它景观（如山脉、流水、星星、云彩等）浮高控制在50～150 mm，利用层次重叠效果，使画面上产生明显的纳光和纳阴效果，有轮廓清晰、立体感强、形象逼真的视觉冲击。

上游侧浮雕面积360 m2，连同底架总重量约8 t。工作闸门启闭及挡水过程中，如何保证浮雕在江水浸泡冲刷、漂浮物冲击和淤泥顶托挤压等情况下牢固不脱落、不开裂、不变形，是水工钢闸门采用浮雕饰面必须解决的问题。采用“内衬底架+空腔填充”的工艺可提高浮雕强度、刚度；采用浮雕底架与闸门螺栓连接、浮雕板周边与闸门面板焊接的双重组合连接方式，以及在浮雕底部设置防护装置等技术措施，解决了工作闸门运行各种工况下的浮雕强度、刚度，以及浮雕与闸门联结可靠性问题。

3.4超大跨度闸门拼装安全防护关键技术

因工期极为紧张，在门槽内拼装闸门的时段，门槽正上方的枢纽人行廊桥及观光幕墙也在安装。怎样消除上、下工作面同时作业带来的安全隐患，是门槽内拼装闸门必须解决的又一个难题。如从闸室底板满堂搭设安全防护棚和人行廊桥幕墙安装平台，高度将达30 m，不仅会使闸室空间区域运输吊装受限，而且搭拆工作量大、周期长、费用高。为此研究采用“悬吊式门槽防护棚兼做人行廊桥及幕墙安装平台”方案（图4），即在人行廊桥主体桁架吊装就位情况下，在其下方满堂悬吊封闭防护棚，既为门槽闸门拼装提供安全防护，有效消除立体交叉作业所带来的安全隐患，且闸室运输空间未受影响，也为人行廊桥及幕墙安装提供了施工平台，显著减少工期和施工费用。

4结 论

瑶街弄调控枢纽项目超大跨度平面钢闸门设计建造面临不能整体入槽、质量要求严、外观要求高、现场安全风险大等特点和难点，并且作为EPC总包项目，既要考虑技术可行性，还需要综合考虑工期和经济性，这对EPC总承包方是一个严峻挑战。本文结合项目的特点和难点，通过深入分析研究，提出了适宜的解决方案：

（1） 提出了一种超大跨度平面钢闸门分段分节安装方法，解决了闸门不能整体入槽的难题。

（2） 提出了一种在门槽内拼装闸门的质量保障技术，并形成平面钢闸门建造质量保证技术体系，使超大跨度平面钢闸门在门槽内拼装的整体质量满足规范要求。

（3） 研究了大型景观浮雕与水工钢闸门结合技术，既实现与枢纽整体风格相协调的观赏效果，又达到安全可靠、经久耐用的目标。

（4） 发明了一种闸门现场拼装的安全防护装置，使门槽上、下工作面可同时施工，有效降低施工安全风险，显著缩短工期，减少施工费用。

参考文献：

［1］宋志忠，王程，余胜祥，等.姚江上游余姚西分项目-瑶街弄调控枢纽工程初步设计报告［R］.武汉：长江勘测规划设计研究有限责任公司，2018.

（编辑：胡旭东）