升臥式平面閘門布置與設(shè)計要點

徐素紅，周 浩，陶柏辰

（上海勘測設(shè)計研究院有限公司，上海 200434）

1 概述

在水閘工程設(shè)計中，閘門型式的選定，將直接關(guān)系到整個工程的結(jié)構(gòu)型式、造價及安全[1]。升臥式平面閘門，綜合了直升式平面閘門與弧形閘門的優(yōu)點，既具有閘墩短、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，又顯著降低了排架高度，提高了水工建筑物的抗震能力，降低了工程造價。

目前，升臥式平面閘門是平原地區(qū)中小型閘門首選，而針對閘門總體布置與設(shè)計方面的技術(shù)經(jīng)驗總結(jié)較少。因此，分析總結(jié)升臥式平面閘門的布置與設(shè)計，對該類閘門設(shè)計具有重要的實踐指導(dǎo)意義。

2 總體布置

升臥式平面閘門是平面閘門的一種，閘門關(guān)閉時，直立擋水，開啟時，在上升中沿軌道逐步向下游（上游）翻轉(zhuǎn)，至閘門全開時平臥于孔口上方。

2.1 閘門轉(zhuǎn)動方向選定

升臥式平面閘門有向上游、向下游轉(zhuǎn)動兩種布置形式。

2.1.1 向下游轉(zhuǎn)動

向下游轉(zhuǎn)動的升臥式平面閘門，一般布置在閘室段尾部。擋水后門前閘室有較大水重，利于閘室穩(wěn)定、地基應(yīng)力均勻。同時，閘門轉(zhuǎn)動方向與水壓力使閘門轉(zhuǎn)動方向一致，能在很小開度即可開始轉(zhuǎn)動，排架高度顯著降低。但因吊點設(shè)于閘門上游面，起吊鋼絲繩易于銹蝕，且不能利用閘室進行消能。

2.1.2 向上游轉(zhuǎn)動

向上游轉(zhuǎn)動的升臥式平面閘門，一般布置在閘室段首部。閘門局部開啟時，流態(tài)較好，且可利用閘門后較長閘室段作消能工。同時，吊點設(shè)在閘門下游面，對于下游無水水閘，鋼絲繩銹蝕問題得以解決。但因閘門轉(zhuǎn)動方向與水壓力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動方向相反，需升高到一定開度才可轉(zhuǎn)動，排架高度稍高于向下游轉(zhuǎn)動閘門。

一般在閘門布置時，大多采用向下游轉(zhuǎn)動方式；當(dāng)工程整體結(jié)構(gòu)布置不允許閘門向下游轉(zhuǎn)動時，方可采用向上游轉(zhuǎn)動方式。

2.2 啟閉機平臺布置

（1）啟閉機在順?biāo)鞣较虻钠鸬踔行模话闩c閘門關(guān)閉狀態(tài)時吊耳中心在一條直線上。

（2）閘門全開后，吊耳中心至啟閉機平臺距離，不應(yīng)小于所選用啟閉機規(guī)定的動滑輪組的吊軸中心至機座底緣的最小距離（即啟閉機死揚程）。

（3）閘門在啟閉過程中，鋼絲繩不得被機架、門葉干擾，全開后，吊耳中心至啟閉機起吊中心的聯(lián)線與鉛垂線的夾角不宜大于15°[2]。

（4）閘門在啟閉過程中，啟閉機基礎(chǔ)梁的底緣離開閘門頂運行軌跡線不應(yīng)小于0.1m[2]。閘門頂運行軌跡線可用圖解法、計算法求出，向下游轉(zhuǎn)動閘門，即門頂上游邊緣點運行軌跡，向上游轉(zhuǎn)動閘門，即門頂下游邊緣點運行軌跡。

門頂軌跡線的繪制，可按參數(shù)方程在excel中計算出上主輪軸心與弧軌的圓心連線與水平面夾角從5°～65°每增加5°時門頂坐標(biāo)值，將數(shù)據(jù)集插入CAD中，即可形成門頂軌跡線。

（5）閘門全開平臥時，與四周建筑至少有0.3m安全凈距。

（6）閘門全開平臥時，不得影響閘門轉(zhuǎn)動側(cè)檢修閘門啟閉。

（7）為便于啟閉機零部件的安裝、檢修，一般啟閉機上方均設(shè)吊鉤用于掛手動或電動葫蘆。啟閉機房凈高，應(yīng)保證電動葫蘆能夠?qū)㈤]機零部件吊離啟閉機0.3～0.5m。

除以上因素外，啟閉機平臺高度還應(yīng)與上部閘房建筑高度相協(xié)調(diào)，啟閉機排架下留有足夠高度供管理人員通行。

2.3 水工結(jié)構(gòu)布置

2.3.1 閘門

在啟閉過程中，側(cè)水封運行軌跡線呈弧型，將超出閘墩上止水座板與混凝土接觸，為防止混凝土磨壞止水橡皮，設(shè)計中一般將靠近止水座板墩面凹下20mm，如圖1。

圖1 止水導(dǎo)板處墩面示意圖

2.3.2 檢修孔

為便于主輪維護與檢修，一般在閘門平臥時上、下主輪對應(yīng)閘墩處留有檢修孔，開孔大小應(yīng)能保證主輪移出孔洞檢修。閘墩外另有水工建筑物的需避開檢修孔位置。

2.3.3 懸臂檢修臺

為在檢修上主輪時，門葉不直接與埋件接觸，一般在閘墩尾部上方，不影響閘門啟閉位置情況下，布置一個懸臂檢修平臺，以放置千斤頂維持閘門在原全開位置。

2.3.4 閘底板高程

為防止閘底泥沙淤積影響閘門正常啟閉，一般在閘板底部設(shè)凸臺，局部抬高底板高程。

3 設(shè)計要點

由于升臥式平面閘門運動軌跡的復(fù)雜性，在門槽弧軌段尺寸、啟閉機、擱門器、門葉結(jié)構(gòu)上的設(shè)計要點作專門的分析說明。

3.1 門槽尺寸確定

3.1.1 門槽形狀

升臥式平面閘門門槽的一側(cè)軌道為鉛直狀，另一側(cè)軌道的下部為鉛直段，上部為向上游（下游）彎曲的弧形軌段，再往上是與圓弧段相切的斜坡段。

鉛直段門槽寬度一般比主輪直徑大10mm，從圓弧段開始，門槽寬度逐步加大，閘門全開后，考慮到閘墩混凝土施工誤差，順?biāo)鞣较蜷T槽喇叭口寬度一般比上下兩主輪外緣距離大50mm。

3.1.2 起弧點與圓弧段曲率半徑

當(dāng)門槽下部鉛直段太短（即起弧點太低）或圓弧段曲率半徑太小時，閘門會存在產(chǎn)生停滯或上滑問題，當(dāng)鉛直段過長或圓弧半徑過大時，排架高度又會抬高。

（1）對于閘門寬高比大于1的中小型鋼閘門或鋼筋混凝土閘門，可按以下經(jīng)驗數(shù)據(jù)確定[3]：

向下游轉(zhuǎn)動閘門，一般取S≥0.8H，R≥0.2H；向上游轉(zhuǎn)動閘門，一般取S≥H，R≥0.3H。

（2）對于較大型閘門（尤其當(dāng)閘門寬高比小于1時），根據(jù)經(jīng)驗公式初選起弧點高程S與圓弧段曲率半徑R，再根據(jù)計算最終確定[4-5]。

閘門在啟閉過程中產(chǎn)生停滯或上滑現(xiàn)象，則是發(fā)生在閘門的上主輪運行到弧軌段，閘門處于局開，底部過水狀態(tài)，可通過將此時閘門上所受各力對上下主輪反力作用線的交點取矩，并根據(jù)合力矩為零計算出啟門力，當(dāng)啟門力為正值時即能憑自重閉門。

作用在閘上的各力均隨閘門開度 （即上主輪軸心與弧軌圓心聯(lián)線和水平面夾角φ）而變化，按經(jīng)驗公式初選S，R值，對各φ值（由小到大每5°一檔）計算出相應(yīng)啟門力，繪出啟門力與φ關(guān)系曲線，找出最小啟門力（根據(jù)經(jīng)驗，φ為10°～25°時啟門力最小）。當(dāng)啟門力最小值大于0時，閘門能憑自重閉門；若小于0，加大S，R值重新計算。

（3）為避免泄水時閘門振動，閘門開啟時起初段（0.2～0.3H，H意義同前）是直升段，即上主輪仍處于鉛直槽內(nèi)。開啟達0.5H時，閘門傾斜度不超過10°[3]。

3.1.3 圓心角

圓心角，通常取60°～70°。

3.1.4 鉛直軌道頂高程

門槽的鉛直軌道頂高程，應(yīng)能保證擱門器解鎖時下主輪上行后閘門不脫槽。

3.1.5 閘門全開門底高程

（1）閘門全開后，閘門底緣超出最高行洪水位不小于0.3m。

（2）節(jié)制閘有通航要求時，閘門全開后應(yīng)能保證船只安全通航并留有一定富裕度。

3.2 啟閉設(shè)備選擇

3.2.1 啟閉機選型

3.2.1.1 卷揚啟閉機

升臥式平面閘門，一般多采用固定卷揚式啟閉機，包括平面閘門卷揚機與弧形閘門卷揚機。

（1）平面閘門卷揚式啟閉機，其中系列設(shè)計QPQ型雙吊點啟閉機選用較多，設(shè)有啟閉機動滑輪組。

（2）弧形閘門卷揚式啟閉機，不設(shè)啟閉機動滑輪組，吊耳中心至面板距離可以適當(dāng)縮小，布置緊湊，且不存在動滑輪組長期泡水問題，但一般相對平面閘門啟閉機較貴。

除此以外，升臥式平面閘門也可選用液壓啟閉機，但應(yīng)用較少。

3.2.1.2 液壓啟閉機

QSWY系列液壓啟閉機，適用于升臥式平面閘門啟閉，臥式安裝。允許吊點距較大，與雙吊點的固定式卷揚機相比，不存在同步不易解決的難點，但較之相同容量的卷揚式啟閉機偏貴。

3.3 擱門器布置

擱門器是閘門安全運行的保護裝置，一般選用可自行鎖定的擱門器固定門葉于全開位置，鎖定與脫鎖均無需人工操作[6]。

（1）擱門器設(shè)于閘門平臥時下主輪下方閘門轉(zhuǎn)動方向一側(cè)。

（2）擱門器在運行范圍內(nèi)不得與主、反軌干涉。

（3）擱門器與滾輪不得卡鎖。若擱門器布置不當(dāng)，當(dāng)上主輪進入弧軌段、下主輪上行到一定位置時，自由狀態(tài)的擱門器會將主輪抱死，閘門無法繼續(xù)運行。一般可檢查擱門器與輪子是否卡鎖，具體操作可將擱門器外輪廓線線1、線2平移滾輪半徑R交于點O，以點O為圓心，滾輪半徑R為半徑作圓，將該圓與擱門器一起繞擱門器轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，如與兩側(cè)的主、反軌均不相碰，則不會存在卡鎖，如圖2。

圖2 擱門器與主輪卡鎖示意圖

3.4 門葉結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.4.1 門葉寬度

為避免由于閘墩混凝土施工、門葉制造中的精度誤差而妨礙門葉在閘孔內(nèi)轉(zhuǎn)動，設(shè)計時升臥式平面閘門門葉寬度一般略小于閘孔凈寬，每側(cè)留有20～40mm空隙[7]。

3.4.2 吊耳

為了使閘門在啟閉中保持平穩(wěn)，升臥式平面閘門一般均采用雙吊點。

（1）向下游轉(zhuǎn)動閘門，吊點設(shè)在上游面下部，吊點與閘門重心形成偏心產(chǎn)生促使閘門向下游轉(zhuǎn)動力偶；向上游轉(zhuǎn)動的閘門，吊點設(shè)在下游面下部，啟門時產(chǎn)生促使閘門向上游轉(zhuǎn)動力偶。

（2）為避免吊耳被淤泥埋設(shè)影響啟閉機下部動滑輪的正常運轉(zhuǎn)，吊耳一般設(shè)在門葉下主梁附近。

（3）吊耳軸中心至面板外緣距離，應(yīng)能容納啟閉機動滑輪組，并留有20～50mm富裕度。

4 結(jié)語

從閘門轉(zhuǎn)動方向選定、啟閉機平臺、結(jié)構(gòu)布置，門槽尺寸確定、啟閉設(shè)備選擇、擱門器布置、門葉結(jié)構(gòu)幾個方面對升臥式平面閘門布置與設(shè)計進行了論述，為金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)從業(yè)人員提供參考及思路。