弧形鋼閘門改造設計要點淺論—以懷柔水庫西溢洪道閘為例

丁峰 關金良 劉月剛

（北京市水利規劃設計研究院 北京 100048）

弧形鋼閘門改造設計要點淺論—以懷柔水庫西溢洪道閘為例

丁峰 關金良 劉月剛

（北京市水利規劃設計研究院 北京 100048）

弧形鋼閘門是常見的閘門型式之一。近年來北京地區針對弧形鋼閘門的改造設計工程較多，為梳理改造設計中的設計要點。本文以懷柔水庫西溢洪道閘為例，詳細闡述了弧形鋼閘門改造設計過程中的主框架、支鉸、止水和啟閉機選型設計，經改造設計后的閘門系統運行狀況良好，可為同類工程提供參考。

弧形鋼閘門 改造 設計要點

引言

閘門是水工建筑物中重要的擋泄水設備之一。平面鋼閘門、弧形鋼閘門、人字閘門是最為常見的3種閘門型式。其中弧形鋼閘門以其結構簡單、啟閉力較小、流態較好等突出優勢而被廣泛應用在水利工程中。以北京市的水利工程為例，弧形鋼閘門的應用有20余處，但是這些閘門大部分修建較早，當初遵循的技術標準與現在有很大出入。近年來隨著水利行業的飛速發展，較多數量的弧形鋼閘門由于防洪標準的提高或因銹蝕嚴重導致的功能喪失等原因，不得不進行重新改造設計，因此有必要對弧形鋼閘門這一類的閘型改造設計過程中的設計要點進行梳理。本文以懷柔水庫西溢洪道閘為例，對其中的改造設計部分要點進行詳細說明，從而為同類工程設計提供參考。

1 工程概況

懷柔水庫西溢洪道閘建于1964年，防洪標準為百年設計，千年校核。閘室段全長750m，最大泄量Q=880m3/s（300年一遇洪水），閘門共設2孔，每孔凈寬12m，閘門底檻高程56.0m，支鉸高程60.0m，正常蓄水位62.0m；閘門型式采用露頂式斜支臂弧形鋼閘門，設計水頭6.0m，門高6.3m；閘門采用2×100kN固定卷揚式啟閉機啟閉。1991年水庫防洪標準提高后，啟閉機安裝高程和閘門提升門底高程增加，西溢洪道最大泄量增至Q=1491m3/s（2000年一遇洪水），但閘門及啟閉設備沒有更新。懷柔水庫西溢洪道閘室布置見圖1。

圖1 懷柔水庫西溢洪道閘室布置圖

懷柔水庫西溢洪道閘自建成運行以來，一直對懷河下游的防洪安全及潮白河的削峰錯峰發揮著重大作用。2002年12月水利部水工金屬

結構質量檢驗中心對懷柔水庫西溢洪道閘門及啟閉機進行安全檢測，主要檢測結論如下：

（1）閘門支臂、面板、主梁、次梁等構件外觀檢測局部銹蝕嚴重。

（2）次梁、主梁、縱梁腹板等構件最小蝕余厚度小于6mm。

（3）閘門無損探傷檢驗中，閘門焊縫質量不合格，多處出現裂紋和超標缺陷。

（4）閘門材料大部分檢測為沸騰鋼，部分構件S含量超標。

（5）固定卷揚啟閉機屬淘汰機型，能耗高，效率低，性能差，啟閉機缺少必要的自動控制性能。

檢測報告表明，閘門需更換或補強的構件已超過30%，大修不經濟且難以根除如焊縫內部缺陷等隱患，而且閘門使用年限遠超過其折舊年限為20年，按照相關規范規定，閘門及埋件應報廢更新。固定卷揚式啟閉機應進行維修改造，更換電機，增設負載控制器、鎖定裝置、高度顯示器及限位裝置。

2 改造原則

現狀啟閉機房外觀及使用功能良好，為節省投資，本次工程不予拆除。另外為確保懷柔水庫的正常運行及安全度汛，最大限度壓縮現場施工工期，爭取汛前投入使用，西溢洪道閘閘門和埋件全部拆除進行更新改造，閘門固定鉸座保留，啟閉機更換。

3 改造設計要點

表1 閘門特性表

改造后工作閘門型式仍采用斜支臂弧形鋼閘門，共2扇，閘門設計標準不變，孔口尺寸為12m×6.3m—6.0m（寬×高—設計水頭）。

改造前閘門主體及埋件材料為舊標準材料A3，本次改造為全面提升閘門整體性能，主體材料選用Q345B，埋件主體材料為復合不銹鋼板。閘門面板外緣半徑7.5m，閘門重20t/扇，閘門埋件2.4t/扇，閘門運行方式為動水啟閉。閘門特性參數見表1。

3.1 整體結構設計

由于閘門寬高比較大，閘門主框架采用雙主橫梁式結構。主梁形式采用實腹式組合梁，兩主梁布置并未嚴格按照總水壓力作用線對稱布置，而是將上主梁稍偏離總水壓力作用線一點，這主要考慮到門重對支臂的影響導致上支臂增載，下支臂受力減載的原因。總水壓力作用線距底坎弧長2.2m，上、下支臂距離總水壓力作用線分別為1.6m和1.4m。閘門結構布置圖如圖2所示：

圖2 閘門結構布置圖

圖3 閘門門葉結構圖

原閘門面板厚度為8mm，本次閘門面板設計經計算復核，8mm厚鋼板滿足設計要求，本次設計面板厚度不變。為加強閘門整體剛度，梁格布置采用復式布置，閘門梁格共布置2道主橫梁，7道水平次梁，5道縱梁，2道邊梁。閘門梁格連接型式采用齊平連接，水平次梁、縱梁和主梁

的上翼緣表面齊平，直接與閘門面板相連，有效保證閘門整體結構的穩定性。頂梁、底梁選用槽鋼[28a，水平次梁選用槽鋼[22a。水平次梁槽鋼肢背和主梁腹板開排水孔排水以減輕閘門梁格積水腐蝕。邊梁型式采用單腹板式，邊梁腹板與面板焊接相連，邊梁翼緣與主梁下翼緣焊接相連。邊梁腹板上開孔，側滑塊通過螺栓連接固定在邊梁上，起運行導向作用。側滑塊材料選用工程塑料MGA，側滑塊與邊墻保留6mm間隙。閘門門葉結構圖見圖3。

3.2 主框架設計

圖4 主梁截面圖

圖5 支臂截面圖

主框架是弧形鋼閘門主梁和支臂的統稱。一方面主梁承擔總水壓力，另一方面大量事實表明支臂喪失穩定性可導致弧形閘門失事，而且有學者研究發現弧形鋼閘門主框架對閘門體系可靠性貢獻最大，貢獻權重可達57.3%，因此弧形閘門主框架的設計尤為重要。斜支臂弧形閘門實腹式主橫梁與支臂的單位剛度比K0應在3～7之間，K0采用以下公式計算，主框架截面見圖3、圖4。主框架截面特性計算參數及結果見表2。

式中，K0—為主梁與支臂線剛度比；

I1—主梁截面慣性矩，mm4；

b—主梁中間跨度，m；

I2—支臂截面慣性矩，mm4；

S—支臂長度，取鉸軸中心到主梁截面形心距離，m。

表2 主框架截面特性計算表

3.3 支鉸設計

支鉸是弧形閘門的轉動裝置，常見形式有圓柱鉸、圓錐鉸和球鉸。其中圓柱鉸構造簡單、制造安裝方便，應用最為廣泛。原閘門支鉸型式為圓柱鉸，本次改造支鉸固定座不更換，活動座部分更換。原閘門活動座材料為ZG270-500，鉸軸材料為45號鋼，軸套材料為19CN5。改造設計中活動座材料選用ZG310-570，鉸軸仍采用45號鋼，軸表面鍍鉻增加鋼材硬度和耐磨性。

軸套選用自潤滑軸承，材料為工程塑料MGA。支鉸組裝時，在自潤滑軸承內注入潤滑劑，工作狀態下，潤滑劑在軸承表面形成潤滑良好、牢固附著并均勻覆蓋的潤滑膜，大幅度降低摩擦損耗。隨摩擦的進行，嵌入的固體潤滑劑不斷提供與軸承表面，從而保證長期運行時的良好潤滑。軸套與軸間隙配合，軸套與活動座孔過渡配合。軸套工程塑料合金層具有吸振減振性，在閘

門啟閉過程中能夠降低振動破壞的可能性。

和改造前的軸套相比，自潤滑軸承質量更輕，摩擦系數更低，性能更優。兩者性能比較見表3。

表3 軸套材料性能比較表

3.4 止水設計

止水漏水會引起閘門自激振動，可能引發閘門運行的安全隱患。懷柔水庫西溢洪道閘有全開和局開要求，尤其是在局部開啟的狀態下可能誘發水流的脈動壓力。提高閘門止水預壓縮量，可以提高閘門的低階頻率，從而避開水流脈動壓力的頻率范圍，因此良好的止水設計有助于減輕閘門振動現象的發生。本次改造設計中，底止水采用條形橡膠止水，底止水下端切成45°破口，止水預壓縮10mm。側止水采用L型橡膠止水，止水預壓縮4mm。側止水與底止水接縫處，底止水部分切割，熱膠嚴實以防止漏水。

3.5 啟閉機選型設計

本次改造設計啟閉機房不拆除，原啟閉機基礎承重梁不變，原吊物孔不做改動。這就要求選型的啟閉機一方面重量不得大于原啟閉機，另一方面又必須保證鋼絲繩起吊時與原吊物孔周圍板梁結構不發生干涉。經設計方、施工方、設備廠家等各方努力，新選型的啟閉機滿足既定要求。閘門啟閉設備選用QH型弧門卷揚式啟閉機，啟門力為2×100kN，閘門依靠自重閉門。新啟閉機主要技術參數見表4。

表4 新啟閉機主要技術參數表

經荷載復核計算，原啟閉機承重梁結構可滿足新啟閉機的承重荷載受力要求。新啟閉機較原啟閉機在安全保護方面有大幅改進。啟閉機重量不僅減輕，而且還增設鎖定裝置、負載控制器、高度指示器、限位裝置、聲光報警裝置。啟閉機采用現地控制方式，啟閉機配電柜和控制柜均設在啟閉機安裝平臺。

4 結論

（1）本次改造設計在充分總結常見設計理論的基礎上，根據國家現行設計規范標準，對弧形閘門改造設計要點進行了詳細介紹，其中閘門主框架、支鉸、止水設計應充分考慮到對原設計的優化改進，啟閉機選型設計應充分考慮到與原建筑結構的配合銜接。改造后的設備性應能做到技術成熟先進，運行可靠安全。

（2）懷柔水庫西溢洪道閘門經改造設計后，閘門啟閉機經安裝調試、檢測試驗，運行狀況良好，從而有效保證了建筑物的安全運行、懷柔水庫下游的防洪安全及工程效益的正常發揮。同時本次工程改造設計也對北京地區同類型的大型弧形閘門及啟閉機改造工程具有一定的借鑒參考意義。

1 水利部水工金屬結構質量檢測中心.京密引水渠閘門及啟閉機安全檢測報告[R].2002：3-4.

2 中華人民共和國行業標準：水利水電工程金屬結構報廢標準(SL 226-98) [S]. 北京：中國水利水電出版社.1998∶7-9.

3 安徽省水利局勘測設計院.水工鋼閘門設計[M].北京：中國水利水電出版社.1980∶292-293.

4 邱德修.弧形鋼閘門的動力特性及動力穩定性分析[D].南京：河海大學.2006：1-9.

5 周建方，李典慶.水工鋼閘門結構可靠度分析[M].北京：中國水利水電出版社，2008∶203-208.

6 中華人民共和國行業標準：水利水電工程鋼閘門設計規范(SL 74-95) [S]. 北京：中國水利水電出版社.1995∶13-17.

7 王均星，魯小兵，項志超. 閘門止水對自振特性的影響[J].武漢大學學報（工學版）.2008,41(2)∶28-31.

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.09.026

TV222

B

1672-2469(2014)09-0086-04

丁峰（1980年—），男，工程師。