進人閘門設計淺談

邢怡芳，郭富權

（中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065）

進人閘門設計淺談

邢怡芳，郭富權

（中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065）

本文主要論述了某水電站的進人閘門運行要求和使用條件，對進人閘門結構及零部件設計的重點和難點進行了詳細闡述，在滿足閘門安全擋水的前提下，通過采取設計措施，可在無水狀態下通過人力開啟和關閉重達1.3t的閘門。

進人閘門；滾輪支承；無水啟閉；人力操作；自潤滑軸承；把手裝置

1 概述

在水電站中進人閘門是較特殊的一種閘門，其一般布置在施工支洞與引水洞交匯處。由于引水洞一般較長且封閉，在需要檢修時無有效的進入通道，近兩年某電站采用在施工支洞盡頭與引水隧道交匯處，設置一道進人閘門解決這個問題，進人閘門平時關閉不影響機組的正常供水，需要時打開進人閘門提供進入引水隧洞的通道。

2 總體布置

根據進人閘門的運行要求和實際條件，此類閘門一般需要滿足以下條件：一是引水隧洞在與施工支洞的交匯處，水頭都比較高，一般閘門擋水水頭均在60m以上。因此需要對閘門進行剛度、強度和穩定性計算，確保閘門的結構滿足安全要求；二是閘門在結構的要求下，自重都比較大，約在1．3t左右，施工支洞內無起吊設備，只能通過人力開啟或關閉閘門；三是施工支洞和引水隧洞之間應無明顯高差，以便于輕便型運載工具通過。

本文通過某電站的設計具體闡述，某電站在引水隧洞不同位置設置了6條施工支洞，在其中3條施工支洞設置進人閘門，進人閘門的孔口尺寸為1．2m（寬）×1．8m（高），在3處的水頭分別為68m、70m和75m。為保證安全，3處閘門均按75m進行設計。總體布置如圖1，由人站在施工支洞內向外推閘門，打開閘門。

圖1

3 結構設計

3.1 閘門結構設計

3.1.1 結構設計

閘門結構設計采用平面假定和容許應力方法進行分析計算。按照《水電水利工程鋼閘門設計規范》規范進行設計。

進人閘門由面板、主梁、縱梁、邊梁、把手裝置、轉鉸、底輪構成。閘門的面板、主梁、縱梁、邊梁組合構成框架式鋼結構，主要承擔水壓力，需按照規范要求對其進行強度、剛度及穩定性計算。

首先對閘門進行區隔計算，并對面板進行折算應力復算，最終選定該閘門面板采用16mm厚鋼板；其次對閘門主梁按簡支梁模型進行強度及剛度計算，確定采用類似工字鋼30b的組合梁可滿足要求，并對該結構的穩定性進行驗算，結論滿足要求。由計算結果分析得知，該閘門受強度因素控制。

3.1.2 轉鉸與鉸座設計

轉鉸與閘門埋件上的鉸座通過轉軸連接，該部件為閘門與埋件上的連接部件，既起到閘門開啟和關閉的定位作用，也在閘門被推動時，起到分擔閘門自重的作用，其加工和安裝精度將直接影響到進人閘門的使用功能。

考慮到轉軸與支鉸座長期在水中工作，為了減少開門或關門時的推力，在鉸座內鑲嵌自潤滑滑動軸套，轉軸采用40Cr材料。整體連接結構如圖2所示。

圖中件1為轉軸，件2和件4為焊接在埋件上的支鉸座，內為空腔安裝有自潤滑軸套，件3為焊接在閘門上的轉鉸。在一個閘門上裝配2套此連接部件。當安裝完畢后，閘門受重力作用向下運動，受到件4的約束，通過轉軸固定，即可實現上述功能。

3.1.3 底輪設計

根據受力分析，閘門重量1．3t，如只采用支鉸結構承擔，整體受力狀態成為懸臂結構，支鉸處會受到很大的彎應力，局部擠壓應力過大。為改善閘門的受力情況，在閘門底部安裝1套簡支輪裝置，由簡支輪裝置承受部分重力，對于各構件受力狀態會有極大改善。此簡支輪的輪徑由水工布置及現場情況確定，該輪徑原則使輪徑盡量小，以減少底坎的高度。本工程采用直徑150mm的輪子，焊接在閘門的底主梁上。使閘門在開啟和關閉時不會受到障礙物的阻礙。也滿足底坎保證封水尺寸，也不影響小型運輸機具通過此處。

3.1.4 把手裝置設計

在閘門上安裝把手裝置的作用主要有兩個。一是為閘門開啟和關閉提供示力作用點。二是在閘門關閉時通過手柄與閘門埋件特定結構的配合，給予閘門水封一定的預壓力，保證閘門在充水整體過程中的穩定性。把手裝置由手柄、自潤滑軸套、銷軸、緊固螺母、鎖定螺母、帶孔銷等組成，如圖3。手柄與閘門埋件接觸處做成楔形，以方便采用人力關閉楔緊閘門，并與閘門埋件下游側留有間隙，滿足在水壓作用下，閘門自然向施工支洞方向退卻時有活動余地。所留間隙大小，由閘門與主軌及水封與水封座板的配合尺寸確定。本工程閘門與埋件下游側留10mm間隙，實踐證明留有間隙是必要的。

圖3

3.2 埋件結構設計

閘門埋件為澆筑在二期混凝土內的鋼結構，作用一為將閘門上的水壓力傳遞到水工建筑物上；其二是和閘門上的水封橡皮配合形成封閉結構，阻止水進入施工支洞；其三是與閘門上的手柄配合，關閉閘門并給予閘門水封橡皮一定預壓，使閘門在引水隧洞剛充水時，不會因為水流的紊流狀態造成閘門的不穩定。

閘門埋件主要有主軌、鉸座、止水封板、滾輪底板等組成。

主軌是主要傳力構件，對主軌應進行彎應力和剪力計算，其值不應大于相應的允許應力。其次對于支承主軌的二期混凝土進行壓應力計算，根據計算得壓應力值選擇需要澆筑的二期混凝土標號。鉸座根據受力分析對其緊接承壓應力、緊接承拉應力、剪力分別進行計算，并給與一定安全富裕度，本工程的鉸座安全系數為3，即允許應力與計算數值的比值為3 。滾輪底板按閘門簡支輪實際運行軌跡進行布置，并在極限位置兩端均多出150mm富裕距離。對于滾輪底板只需計算壓應力，構件截面高140mm，并與一期混凝土預埋插筋牢固焊接，調平后澆筑二期混凝土，二期混凝土厚度200mm。保證構件在水流長時間沖刷下，不會被破壞。通過對閘門埋件各個部件的受力分析和計算，得出構件整體是安全可靠的結論。

4 安裝與運行

進人閘門門葉和埋件整體重量為2．1t。總體外形尺寸為1．88m(寬）×2．1m(高)，滿足陸地運輸的尺寸要求，由此要求門槽埋件和門葉均在制造廠制造安裝完畢，并進行調試。滿足要求后整體運往工地現場，埋件在現場調平后，與伸出一期混凝土預留插筋焊接牢固，再澆筑二期混凝土。

實際運行表明，本閘門通過人力推動可開啟和關閉，閘門關閉并鎖緊把手裝置后，隧道進行充水，閘門封水效果良好。在整個充水過程中，閘門無擺動和振動現象。經過3天充放水試驗及閘門關閉開啟試驗表明，整體進人閘門的設計，制造施工及運行達到了設計預想效果。

本進人閘門設計可為承受大荷載，空間狹小的結構設計提供一些借鑒。

[1]楊占英．自動翻轉閘滑、滾動鉸的設計．水土保持科技情報，2004，6．

[2]黃剛．滑動軸承標準體系現狀分析．機械工業標準化與質量，2010，8．

[3]劉志奇．一種直線式全自動吹瓶機自動置把手裝置．城市建設理論研究，2013，4．

[4]任尊松．輪軌接觸幾何關系在道岔系統動力學中的應用．鐵道學報，2004，1．

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