攔河水閘閘門新型升降技術及荷載優化分析

余江林，唐天國

(四川大學建筑與環境學院，四川成都610065)

目前國內外河道中水閘設計廣泛采用普通平面鋼閘門結構，它雖然具有結構簡單，閘室短等優點，但最大的缺陷就是需要較高大的排架柱供其啟閉，這很大程度制約了平面鋼閘門在高度較大閘門上的應用。同樣擋水高度的閘門，平面直升閘門所需的排架高度比其他門型要高，特別是在地震烈度較強的區域，若采用普通形式的平面閘門，必然會使土建工程量加大，也使閘門建筑與周圍環境不相協調。為了發揮平面鋼閘門的優點，又為了克服其缺點，以某大型攔河閘壩為例，簡述了平面鋼閘門的新型升降技術，并利用有限元軟件ABAQUS對比分析閘門新型升降技術和普通啟閉技術在最大啟閉力時的位移和應力，這可為以后的水閘設計提供參考。

1 閘門的新型升降技術

1.1 工程概況

旺月閘位于旺蒼縣城東河馬家渡大橋上下游附近，攔河閘室寬184.0 m，過流總凈寬140.0 m，共布置10孔泄水閘孔，單孔凈寬14.0 m，結構型式采用開敞式平底堰，閘門采用平面鋼閘門。閘室順水流方向長度41.0 m，底板高程457.40 m，底板厚度3.5 m，其中底部采用C30鋼筋混凝土，厚3.1 m，頂部設置C40HF鋼筋混凝土，厚0.4 m，基礎置于基巖上。閘室段采用閘孔底板中間分縫，間距18.0 m。閘墩采用C30鋼筋混凝土，中墩厚度4.0 m，邊墩頂寬4.0 m，閘頂高程473.50 m，最大閘高19.60 m。閘頂自上游往下游依次布置3.0 m寬人行橋、21.0 m寬廊橋，6.0 m寬人行兼消防通道、1.6 m寬油管溝和1.2 m寬人行檢修橋。水閘正常蓄水位為466.00 m，設計洪水位為469.75 m，校核洪水位為471.60 m，下游正常尾水位為458.40 m。

1.2 新型升降技術

平面閘門有直升、升臥、下臥等多種啟閉方式[1]。其中直升平面閘門啟閉設備可選用卷揚式啟閉機、頂推式、倒掛式液壓啟閉機啟閉；卷揚式啟閉機需修建高排架，影響城市景觀；頂推式啟閉機檢修維護簡單，水閘頂部可過水，形成瀑布跌水的景觀效果，閘門關閉時無外露設備，景觀效果較好，啟閉高度較大時可與倒掛式結合。升臥式平面閘門，需設置啟閉工作排架，景觀效果較差，且閘門啟閉機吊具長期浸入水中，易于銹蝕，閘門檢修維護不便。下臥式平面閘門采用底軸驅動，采用多支點支承的形式，可適應不同孔口跨度，允許門頂過流，常運用于低水頭的城市景觀水閘。

由于本工程正常蓄水位與校核洪水位高差較大，直接采用頂推式液壓啟閉機，因柱塞桿工作行程較長而需加大桿徑、缸徑，技術難度顯著增加，同時，由于閘門吊梁與閘門固定，門頁整體結構復雜，連接部分容易出現應力集中、桿件失穩等問題。根據本工程泄洪流量大，校核水位高，閘門啟閉高度大等特點，平面閘門啟閉機型式擬定采用新型升降技術頂推式+倒掛式液壓啟閉機組合兩級提升方案[2]。

兩級提升方案閘門采用雙吊點，門葉左右兩側主梁分別固定一支倒掛式液壓缸，液壓缸活塞桿頭采用球形軸承與操作橫梁鉸接。閘墩左右分別埋設一支頂推式液壓缸，液壓缸柱塞桿頭采用球形軸承操作橫梁鉸接。啟門時，先由頂推油缸頂推操作橫梁至油缸最大行程，再由倒掛油缸提升閘門至全開；閉門時，倒掛式油缸將閘門下放至油缸最小行程，再由頂推油缸下放操作橫梁至閘門全關。頂推式液壓啟閉機容量選用2×1 000 kN，油缸行程9.0 m；倒掛式液壓啟閉機容量選用2×800 kN，油缸行程6.0 m。

新型升降技術頂推+倒掛式液壓啟閉機組合兩級提升可降低頂推啟閉機柱塞桿長度、桿徑，啟閉靈活，風險較小。同時頂推式啟閉機檢修維護簡單，水閘頂部可過水，形成瀑布跌水的景觀效果，閘門關閉時無外露設備，景觀效果較好[3]。

2 閘門啟閉力計算的理論方法

根據《水工鋼閘門設計》[4]和《水利水電工程鋼閘門設計規范》[5]，在動水中啟閉的平面鋼閘門，其啟閉力計算應包括以下內容：

閉門力的計算

Fw=nT(Tzd+Tzs)-nGG+Pt

(1)

計算結果中，若Fw為正值時，需要加重，加重方式有加重塊、水柱和機械下壓力等；若Fw為負值時，依靠自重可以關閉。

啟門力的計算

FQ=nT(Tzd+Tzs)+PX+nG′G+Gj+Ws

(2)

式中，Fw、FQ分別表示閉門力和啟閉力，kN；nT為摩擦阻力安全系數，一般選用1.2；Tzd是支承摩阻力，kN；Tzs為止水摩阻力，kN；nG表示計算閉門力用的閘門自重修正系數，一般選用0.9～1.0，本文取0.9；G為閘門自重，kN，當有吊桿時應計入吊桿質量，計算閉門力時可不計吊桿的質量，門重可選用浮重；Pt為上托力，kN，包括底緣上托力及止水上托力；PX表示下吸力，kN；nG′表示計算持住力和啟門力用的閘門自重修正系數，可采用1.0～1.1，本文取1.1；Gj表示加重塊的自重，kN；Ws是作用在閘門上的水柱壓力，kN。

3 三維有限元模型及結果分析

3.1 ABAQUS有限元模型

圖1 兩種閘室地基三維有限元模型

本文主要是用ABAQUS[6]對比分析在相同條件下閘門新型升降技術和普通啟閉技術受到最大啟閉力時，閘室的應力和位移情況。本次計算按施工縫選取其中一個雙墩為研究對象，上部人行橋，廊橋等荷載以力的形式加載到閘墩上，建立閘室底板、閘墩和地基之間的三維有限元模型。建立數值模型時，X軸順著水流指向下游，Y軸鉛直指向向上，Z軸垂直水流指向右岸。為了精確的對水閘進行仿真計算，除了水閘底板和閘墩外，地基在深度方向取30 m，上下游方向取30 m作為計算結構模型，剖分網格[7]。新型升降技術及普通啟閉技術計算模型及網格剖分見圖1。

3.2 計算參數

閘墩及底板混凝土材料等級為C30，彈性模量Ec=30 GPa，泊松比μ=0.167，密度ρ=2 400 kg/m3。地基參數：粉砂質泥巖，彈性模量E=200 MPa，泊松比μ=0.34，密度ρ=2 000 kg/m3。在地基與閘室底板之間設置接觸，選擇閘室底板為主控接觸面，地基土體為從屬接觸面，綜合摩擦系數的取值多由試驗得出[8]，可取0.4。

3.3 邊界條件及計算荷載

在進行計算時，地基底面為固定約束，四周側面為連桿支撐，上部結構均為自由。計算荷載考慮閘門自重，止水與埋件的摩阻力，行走支承與軌道間的摩阻力，門頂垂直動水壓力，水對閘墩的側面水壓力，水對底板的水壓力，上部廊橋荷載。本文分析了新型升降技術和普通啟閉技術3種工況下閘室結構最大啟閉力時受力情況，即正常蓄水位，設計洪水位，校核洪水位。

3.4 荷載優化分析

根據閘室地基三維有限元模型計算結果，進行新型升降技術和普通啟閉技術閘室結構在3種工況下的位移應力對比分析，得出新型升降技術相比普通啟閉技術在受力方面有哪些優勢。

3.4.1位移和應力計算結果

3.4.1.1 正常蓄水位工況

正常蓄水位情況下，水深8.6 m，水對底板的水壓力86 kPa，水對閘墩的側面水壓力43 kPa，上部廊橋作用在閘墩上面的壓強395.8 kPa，閘門自重108 t，操作橫梁重12.5 t，經計算得止水摩阻力28.8 kN，滾動軸承的滾動摩阻力55.7 kN，下吸力4.7 kN，啟門力1 431.6 kN，閉門力-983.1 kN，為負值，依靠自重可以關閉，不需要加重。根據以上荷載進行閘室地基有限元計算，結果見圖2、3。

圖2 正常蓄水位工況兩種閘室結構的位移分布

圖3 正常蓄水位工況兩種閘室結構的應力分布

由圖2、3可以看到，在正常蓄水位工況下新型升降技術和普通啟閉技術都是閘室上游部分的位移比較大，往下游方向位移變形越來越小。新型升降技術的最大位移和最大應力出現在閘墩上游部分，值分別為11.94 mm和2.15 MPa。在相同條件下采用普通啟閉技術的最大位移和最大應力都出現在上部結構工作橋和排架上，值分別為15.39 mm和5.47 MPa，最大位移和最大應力比新型升降技術分別增加了28.89%和154.41%。

3.4.1.2 設計洪水位工況

設計洪水位情況下，水深12.35 m，水對底板的水壓力123.5 kPa，水對閘墩的側面水壓力61.75 kPa，上部廊橋作用在閘墩上面的壓強395.8 kPa，閘門自重108 t，操作橫梁重12.5 t，經計算得止水摩阻力55.4 kN，滾動軸承的滾動摩阻力106.9 kN，下吸力4.7 kN，啟門力1 524.96 kN，閉門力-889.74 kN，為負值，依靠自重可以關閉，不需要加重。根據以上荷載進行閘室地基有限元計算，結果見圖4、5。

圖4 設計洪水位工況兩種閘室結構的位移分布

圖5 設計洪水位工況兩種閘室結構的應力分布

由圖4、5可以看到，在設計洪水位工況下新型升降技術和普通啟閉技術都是閘室上游部分的位移比較大，往下游方向位移變形越來越小。新型升降技術的最大位移和最大應力出現在閘墩上游部分，值分別為14.67 mm和2.62 MPa。在相同條件下采用普通啟閉技術的最大位移出現在底板上游端部，最大應力出現在排架上部，值分別為17.95 mm和5.78 MPa，最大位移和最大應力比新型升降技術分別增加了22.36%和120.61%。

3.4.1.3 校核洪水位工況

校核洪水位情況下，水深14.2 m，水對底板的水壓力為142 kPa，水對閘墩的側面水壓力71 kPa，上部廊橋作用在閘墩上面的壓強395.8 kPa，閘門自重108 t，操作橫梁重12.5 t，經計算得止水摩阻力68.5 kN，滾動軸承的滾動摩阻力132.26 kN，下吸力4.7 kN，啟門力1 571.1 kN，閉門力-843.6 kN，為負值，依靠自重可以關閉，不需要加重。根據以上荷載進行閘室地基有限元計算，結果見圖6、7。

圖6 校核洪水位工況兩種閘室結構的位移分布

由圖6、7可以看到，在設計洪水位工況下新型升降技術和普通啟閉技術都是閘室上游部分的位移比較大，往下游方向位移變形越來越小。新型升降技術的最大位移和最大應力出現在底板上游和閘墩上游部分，值分別為19.64 mm和2.26 MPa。在相同條件下采用普通啟閉技術的最大位移出現在底板上游端部，最大應力出現在排架上部，值分別為19.98 mm和5.95 MPa，最大位移和最大應力比新型升降技術分別增加了1.73%和163.27%。

3.4.2結果分析

為使分析結果更明顯，對水閘3種工況下結構的位移和應力進行了總結，閘室位移和應力情況見表1。

綜上所述，3種工況下新型升降技術和普通啟閉技術閘室的上游部分位移變形都比較大，往下游方向變形越來越小。普通啟閉技術對比新型升降技術，在3種工況下最大位移和最大應力值都比新型升降技術的大，增加率分別為28.89%，22.36%，1.73%和154.41%，120.61%，163.27%。在3種工況下啟閉機附近的最大位移和應力值，普通啟閉技術都是新型升降技術的2倍左右，且普通啟閉技術的最大位移和最大應力主要出現在排架和工作橋上，不利于閘室整體穩定性和抗震，采用新型升降技術的最大位移和應力主要分布在閘墩上，受力布局合理，提高了結構的抗震能力并具有良好的景觀效果。

圖7 校核洪水位工況兩種閘室結構的應力分布

表1 3種工況下兩種啟閉技術閘室結構的位移應力

4 結 論

(1)以某大型攔河閘壩閘門采用新型升降技術為例，新型閘門升降技術對比普通啟閉技術不僅具有普通平面鋼閘門結構簡單，安裝方便，閘室短等優點，而且啟閉高度大，同時不需要較高大的排架柱，閘室整體穩定性和抗震能力好，可以減少土建工程量，節約資金。閘門關閉時無外露設備，有較好的景觀效果。

(2)利用ABAQUS將水閘結構和地基作為一個整體建立三維有限元模型，對新型升降技術和普通啟閉技術在3種工況條件相同時水閘結構的位移和應力進行對比分析，結果表明，模型具有較高的仿真度，能夠較好地模擬水閘結構的位移和應力的變化，反映工程實際情況。同時對于采用的新型閘門升降技術，同一條件時閘室結構的位移變形和結構應力都比普通啟閉技術小，且荷載布局更合理，更能夠保證水閘工程的安全。該新型升降技術對以后的城市河道中新建大流量、高水頭的水閘設計具有一定的借鑒意義。