貴港二線船閘人字閘門設(shè)計特點與創(chuàng)新

蒙曉東

（廣西西江開發(fā)投資集團有限公司，南寧 530022）

貴港二線船閘人字閘門設(shè)計特點與創(chuàng)新

蒙曉東

（廣西西江開發(fā)投資集團有限公司，南寧 530022）

結(jié)合貴港二線船閘工程人字閘門的設(shè)計經(jīng)驗和特點，分析了人字閘門設(shè)計工作的要點。同時從船閘維修養(yǎng)護(hù)的角度出發(fā)，論述了船閘鋼閘門防撞護(hù)舷材料及結(jié)構(gòu)研究、自潤滑材料的應(yīng)用等創(chuàng)新設(shè)計。

人字閘門；閘門設(shè)計；運轉(zhuǎn)件；自潤滑；防撞護(hù)舷；貴港二線船閘

1 工程概況

西江航運干線由郁江、潯江、西江、珠江組成，是桂、滇、黔地區(qū)豐富的礦產(chǎn)資源外運的重要通道。貴港航運樞紐是西江航運干線南寧至梧州段4個渠化梯級的第二個梯級，位于郁江中段貴港市區(qū)上游約6.5 km處。

貴港二線船閘為I級通航建筑物，設(shè)計最大船型為3 000 t級船舶，船閘有效尺度為280 m×34 m×5.8 m（閘室長×口門寬×門檻最小水深）。船閘承受單向水頭作用，最大設(shè)計水頭為14.1 m。其中，工作閘門采用橫梁式鋼質(zhì)平板人字門，上、下閘首各設(shè)置兩扇，左右對稱布置。

2 設(shè)計特點概述

人字閘門關(guān)閉擋水時，水壓力通過由橫梁系統(tǒng)所組成的三角拱形式進(jìn)行傳力，斜接柱及門軸柱通長布置作為縱向支承梁參與傳遞軸向力，并與頂、底橫梁共同組成閉合框架，垂直力（閘門自重）由底樞蘑菇頭承受[1]。在啟閉過程中，人字閘門則依靠頂樞、底樞支承，由水平荷載（壅水荷載、風(fēng)壓力）及豎直荷載（偏心自重）引起的扭矩主要由背拉桿承受。

2.1 θ角（門軸線與閘室橫軸線的夾角）的取值

θ角增大，拱的軸向壓力和對閘首邊墩的水平推力變小，但門扇的計算長度和主梁的彎矩也相應(yīng)增大，增加了閘門的用鋼量；反之，θ角減小，門扇的計算長度縮短，但拱軸壓力和對閘首邊墩的水平推力將顯著增大，這對主梁的受力和閘首邊墩的穩(wěn)定不利[2]。參照國內(nèi)外人字閘門的設(shè)計經(jīng)驗，并考慮西江航運干線人字閘門結(jié)構(gòu)及部件的標(biāo)準(zhǔn)化，貴港二線船閘人字閘門取θ=22.5°。

2.2 旋轉(zhuǎn)中心位置的確定

人字閘門旋轉(zhuǎn)中心應(yīng)設(shè)置在三鉸拱支鉸總推力線的上游側(cè)，且偏離的距離不宜小于50 mm[3]。這樣布置有兩個目的：一是閘門關(guān)閉時，門軸柱上的支墊塊能迅速與枕墊塊接觸，使底樞蘑菇頭不承受擋水時產(chǎn)生的拱推力；二是閘門開啟時，支、枕墊塊能迅速脫開。貴港二線船閘人字閘門取該偏心距為100 mm。

2.3 門體結(jié)構(gòu)

人字閘門主橫梁有兩種布置型式：等荷載法與分組荷載法。當(dāng)閘門門體較高時，由于上部主梁無法根據(jù)等荷載原理隨意加大主橫梁間距，導(dǎo)致上部主橫梁的應(yīng)力較小，達(dá)不到主梁變形協(xié)調(diào)的意圖，會引起豎向聯(lián)結(jié)系產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。因此，貴港二線船閘采用了分組荷載法，根據(jù)承受載荷的大小對閘門中間主梁進(jìn)行了分類，并兼顧考慮制造的難度，最終上游閘門中間主梁共分為兩類，下游閘門中間主梁共分為三類。閘門端柱則采用組合截面，并沿推力方向設(shè)置推力隔板，主梁之間通過橫向隔板相互聯(lián)系，另外在面板側(cè)布置了水平次梁及豎直次梁，減小面板的區(qū)格。閘門的材料主要采用低合金鋼Q345B。

2.4 抗扭

人字閘門在啟閉過程中由于水平荷載和豎向荷載產(chǎn)生的扭矩會導(dǎo)致門體發(fā)生撓曲，從而影響閘門的正常運行，甚至出現(xiàn)撓曲過大而使兩扇門葉無法準(zhǔn)確對中，因此人字閘門的抗扭設(shè)計非常重要。本船閘人字閘門高度較高（上游閘門高13.2 m，下游閘門高25.3 m），且淹沒水深較大，因此在閘門背面設(shè)置了預(yù)應(yīng)力背拉桿（其中上閘首采用單交叉的型式，下閘首采用雙交叉的型式，主背拉桿均設(shè)置3道，副背拉桿均設(shè)置2道），以增加門體的整體抗扭剛度，達(dá)到解決閘門扭曲變形的目的。

2.5 支枕墊

支枕墊是人字閘門關(guān)閉擋水時的重要傳力構(gòu)件，其設(shè)計是否合理、安裝是否精確、開關(guān)過程能否順利對中均對整個閘門的受力體系有很大影響。

貴港二線船閘人字閘門中縫及邊縫均設(shè)置連續(xù)的支、枕墊塊，材料選用鍛不銹鋼0Cr18Ni9N并進(jìn)行固溶處理，既參與傳遞軸向力，也兼有止水作用。其中，門軸柱支、枕墊塊采用弧面對弧面接觸形式，由于凹面跟凸面采用不同半徑（凹面為R850mm，凸面為R800 mm），方便閘門啟閉過程中支枕墊的迅速脫開及順利入位；斜接柱支墊塊則采用弧面對平面的接觸形式，以使結(jié)構(gòu)受力明確，便于安裝時的調(diào)整與檢測。

2.6 頂、底樞

頂、底樞是人字閘門最為重要的部件，其設(shè)計的合理性及耐久性直接關(guān)系到閘門的正常運轉(zhuǎn)，也影響著閘門整體的維修周期和后期維護(hù)成本。

貴港二線船閘人字閘門由于門體高度及淹沒水深均較大，頂樞拉桿在啟閉過程中產(chǎn)生很大的內(nèi)力，同時還須考慮支枕墊運行受阻時，頂樞承受非正常性的作用力和沖擊力，因此頂樞結(jié)構(gòu)選用楔塊調(diào)節(jié)的型式，可減短拉桿的長細(xì)比并提高抗壓能力，并利用楔塊的自鎖特性保證位置的穩(wěn)定。底樞則采用固定式結(jié)構(gòu)，由于閘門豎向荷載均由底樞蘑菇頭承擔(dān)，這就要求其具有較高的承載能力，本設(shè)計蘑菇頭材料選用40 Cr，并經(jīng)調(diào)質(zhì)后表面淬火，使表面硬度達(dá)到45 HRC以上，再鍍以乳白鉻及硬鉻，以提高承載能力和耐腐蝕性能。蘑菇頭襯套采用銅基合金自潤滑材料，具有承載能力高，摩擦系數(shù)低，耐磨損、使用壽命長等諸多優(yōu)點。底樞支承座在與枕墊塊支承的部位做成分體式，支承座在該部位做成燕尾槽型式，便于支承插塊的安裝，這種結(jié)構(gòu)型式加工方便，且易保證加工精度和以后大修時的更換方便。底樞設(shè)計了一套強制潤滑系統(tǒng)，為保證可靠潤滑，底樞設(shè)計成封閉式結(jié)構(gòu)，在襯套上開設(shè)油槽，并在蘑菇頭襯套與蘑菇頭的接觸表面開設(shè)進(jìn)油口和回油口，以便于對底樞系統(tǒng)進(jìn)行強制的循環(huán)加油。

3 創(chuàng)新與研究

貴港二線船閘在設(shè)計過程中，針對現(xiàn)有人字閘門使用維護(hù)中出現(xiàn)的一些問題，經(jīng)分析研究，設(shè)計中通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)型式、采用新型材料等方式，以期對延長人字閘門大修周期，減少維修工作量等方面取得了一定的進(jìn)步。

3.1 船閘鋼閘門防撞護(hù)舷材料及結(jié)構(gòu)研究

國內(nèi)外人字閘門防撞設(shè)施除早期采用木質(zhì)護(hù)舷外，目前大多采用鋼質(zhì)圓弧形通長護(hù)舷（見圖1）。鋼質(zhì)護(hù)舷在船閘撞擊時為剛性碰撞，幾乎無消能作用，而隨著船舶越來越大型化，船舶撞擊力也越來越大，鋼護(hù)舷在船舶撞擊下極易發(fā)生變形損壞，進(jìn)而降低門體結(jié)構(gòu)安全度和使用壽命，且拆除維修困難，給船閘運行管理帶來諸多不便，嚴(yán)重時甚至?xí)斐纱l停航，影響航道的暢通。

圖1 鋼護(hù)舷

貴港二線船閘人字閘門設(shè)計中則采用了橡膠合金護(hù)木（見圖2），該護(hù)木表層和內(nèi)層使用了不同的材料：表層材料采用高硬度橡膠HS材料，具有硬度較高，抗壓強度高、摩擦系數(shù)低等特點，作為防撞層，直接承受撞擊力及剪切力，同時可以吸收部分能量；里層阻尼材料采用橡膠本體材料，具有永久變形量小，吸能效率高等特點，作為吸能層，還具有適當(dāng)?shù)膹姸群蜋C械性能；內(nèi)層及螺栓孔位置還設(shè)置有金屬骨架，進(jìn)一步提高了護(hù)舷結(jié)構(gòu)的整體強度及抗變形、抗撕裂的能力，且拆裝及更換非常方便。

圖2 橡膠合金護(hù)木

3.2 自潤滑材料的應(yīng)用

頂、底樞作為閘門主要的運轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)件，其使用壽命的長短直接決定著閘門大修周期的長短，而頂樞軸與軸套、底樞蘑菇頭與襯套之間常年處于重載低速運轉(zhuǎn)的狀態(tài)，且受力情況復(fù)雜，加之工作環(huán)境惡劣，是最易發(fā)生磨損破壞的部件。早期的軸套及蘑菇頭襯套基本采用鑄造鋁鐵青銅，由于鑄造工藝的不穩(wěn)定及材料本身的特性，導(dǎo)致耐磨性較差，一般運行3～4萬次就報廢。

貴港二線船閘人字閘門頂、底樞軸承均采用銅基合金自潤滑材料（見圖3），以高強度銅合金為基體，具有承載能力高（屈服強度能達(dá)到520 MPa甚至更高），摩擦系數(shù)低，耐磨損（硬度達(dá)到200 HB）、使用壽命長等諸多優(yōu)點，尤其適用于低速、重載條件下的轉(zhuǎn)動、擺動和沿軸向往復(fù)滑動，可有效減緩底樞蘑菇頭、軸類等重要運轉(zhuǎn)件的磨損，延長人字閘門的大修周期。

圖3 底樞軸承

4 結(jié)語

人字閘門是船閘工作閘門中最常采用的結(jié)構(gòu)型式，國、內(nèi)外大型船閘的工作閘門（包括葛洲壩船閘、三峽船閘在內(nèi)）也大多采用人字閘門，因此不論是受力體系分析、腐蝕疲勞防治，還是材料的選擇應(yīng)用、潤滑系統(tǒng)的設(shè)置等等方面均已有較為完備及豐富的設(shè)計與工程經(jīng)驗。從船閘實際運行效果來看，閘、閥門運轉(zhuǎn)件的壽命直接影響到船閘整體的維護(hù)工作量及維護(hù)周期。在今后的人字閘門設(shè)計中，如何通過對新材料、新工藝的應(yīng)用，來改善運轉(zhuǎn)部件的使用壽命，進(jìn)而延長人字閘門大修周期，應(yīng)該是人字閘門發(fā)展中需要解決的一個重要方面。

[1]JTJ308－2003，船閘閘閥門設(shè)計規(guī)范[S].

[2] 范崇仁.水工鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京：中國水利水電出版社，1999.

[3] 劉孟穆.船閘人字閘門設(shè)計[M].北京：中國水利水電出版社，2007.

（責(zé)任編輯：劉征湛）

Design characteristics and innovation of miter gate at Guigang 2nd line shiplock

MENG Xiao-dong
（Guangxi Xijiang Development&Investment Group Co.，Ltd.，Nanning 530022，China）

Combined with the design experience and characteristics of miter gate at Guigang 2nd line shiplock，the author analyzed the key points of miter gate design.In view of shiplock maintenance，discussion was made on the innovation design of shiplock steel gates，including material and structural design of anti-collision fender，applica?tion of self-lubricating material.

Mitergate；gatedesign；runningpart；self-lubrication；anti-collisionfender；Guigang2ndlineshiplock

U641.33

B

1003-1510（2016）03-0029-03

2016-00-00

蒙曉東（1983-），男，廣西崇左人，廣西西江開發(fā)投資集團有限公司工程師，學(xué)士，主要從事水電站、船閘建設(shè)及運營管理。