鄭州龍湖調蓄工程1#出口控制閘閘門及啟閉機布置研究

黃哲元 陳雪艷 朱健聰

摘 要：本文介紹了鄭州市引黃灌區龍湖調蓄工程1#出口控制閘閘門和啟閉機的設計及特點，通過對人字門、鋼壩閘和臥倒閘門的對比，闡述了臥倒閘門在大跨度景觀河道上的應用，并通過模型試驗及三維有限元計算分析，為閘門結構優化設計提供依據。

關鍵詞：調蓄工程;出口控制閘;臥倒閘門;模型試驗

中圖分類號：TV664 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）10-0063-02

Abstract： This paper introduced the design and characteristics of the No.1 exit control gate and hoist in the Longhu Reservoir Project of the Yellow River irrigation District of Zhengzhou City. By comparing miter gate， steel dam gate and recumbent gate， the application of the recumbent gate in the long-span landscape river channel was expounded. Through model test and three-dimensional finite element calculation and analysis， the basis for optimum design of gate structure was provided.

Keywords： regulation and storage project ;exit control gate;recumbent gate; model test

1 工程概述

鄭州龍湖調蓄工程位于鄭州市城區的東北部，下游分別與魏河、東風渠連接。其中1#河道為通航河道，需要修建1座控制性水閘。1#出口控制閘主要功能為攔蓄調蓄池水，通航時開啟閘門，龍湖水體交換時控泄、調蓄池水入東風渠。運行工況如下。

①東風渠100年一遇水位87.53m，龍湖調蓄池正常蓄水85.5m，1號閘處擋東風渠側水差2.03m;閘門處于擋水狀態，啟閉機不工作。

②龍湖調蓄池100年一遇水位85.62m，東風渠檢修渠道無水，1號閘河口處龍湖側擋水2.92m;閘門處于擋水狀態，啟閉機工作。

③1號閘正常蓄水位85.50m，東風渠與龍湖側水位差不大于0.5m時可開啟閘門，此時河道通航。

2 1#出口控制閘閘門及啟閉機設計

2.1 閘型方案比選

控制閘閘門門型選擇主要考慮以下幾方面因素：一是閘門必須滿足使用功能要求;二是閘門必須滿足景觀要求;三是閘門必須滿足經濟合理的要求。

設計過程中，對上翻門、鋼壩閘、臥倒閘門3種閘門型式進行比較[1]。

①上翻門。該閘門是閘橋合一的結構形式。閘門圍繞上鉸軸旋轉，開啟時平臥在橋下過水，閘門旋轉垂直狀態關閉擋水。啟閉機可選擇卷揚式啟閉機或液壓啟閉機操作。閘橋結合形式簡潔，可以充分利用橋下空間，缺點是閘門局部開啟工況較差，沒有控制流量的功能。

②鋼壩閘。鋼壩閘閘門擋水可垂直或斜立放置，閘門門頂允許過流，閘門可動水啟閉，也可局部開啟。該閘門的缺點是旋轉底軸穿側墻處的止水長期使用容易漏水，對液壓啟閉機造成破壞。

③臥倒閘門。臥倒閘門可根據孔口寬度設置數個安裝在河床底部的鉸座上，閘門繞該鉸座的鉸軸轉動。閘門可雙向擋水，且門頂允許過流。閘門可動水啟閉，也可局部開啟。該閘門具有運行可靠、制造與安裝方便、啟閉力小、操作方便以及通航凈空不受限制等優點。此外，其轉動支鉸結構比人字門簡單，水下沒有需要經常檢修部件，造價較低。故1#出口控制閘門采用臥倒閘門方案。

2.2 臥倒閘門及啟閉設備設計

1#出口控制閘3孔，設置3扇臥倒閘門，孔口寬度28m，高度為5.2m，雙向擋水。

臥倒閘門由門葉、支鉸、支臂和止水等組成。開啟狀態時，臥倒在閘底板上;在防洪擋水時，閘門全關，與水平面成70°向東風渠側傾斜。

臥倒閘門沿孔口寬度方向上布置2個支鉸。支鉸安裝在閘門底部大梁和閘底板預埋件上，使閘門與閘底板保持鉸接狀態。在閘門兩側靠近閘墻處設置2個支臂，啟閉設備通過驅動支臂，使支臂帶動閘門繞支鉸軸線轉動，從而達到啟閉閘門的功能（見圖1）。

閘門操作運行方式為動水啟閉。由于液壓啟閉機具有結構緊湊、體積小、重量輕、傳動平穩、可靠性能好等有點，啟閉設備最終選用2×（1 600/2×1 000）kN的液壓啟閉機操作。液壓啟閉機泵站和現地控制柜設置在兩岸，泵組、閥組、油箱為一體式結構。每個泵站設2套油泵電動機組，互為備用。液壓系統應具有使閘門同步、自動復位的功能。為保證閘門繞支鉸軸轉動時始終同步，且同步誤差不大于2cm，啟閉機液壓系統設有閉環同步糾偏控制系統。

2.3 閘門設計創新

臥倒門結構由門葉、支鉸、止水和鎖定裝置組成。

由于閘門允許頂部過流，在閘門的頂部設破水器，當閘門啟閉時，破水器將水幕分開。閘門內部設置通氣孔，使門下空腔與大氣連通，防止因產生負壓引起閘門震動。

閘門兩支鉸采用固定式，軸承采用自潤滑關節軸承，作為閘門的軸向基準點，可承受一定的軸向力。支鉸通過錨栓固定在閘底板上。

由于閘門支鉸完全淹沒于水下，因此水下維護保養比較困難。對自潤滑關節軸承而言，保證軸承安全有效地工作，防止污水和泥沙對軸承的侵蝕和破壞是關鍵。支鉸采用了O型密封圈、J型密封圈及J型止水等密封裝置。選擇的關節軸承應具備較高的防腐能力，即對有污染的河水有抗腐能力。關節軸承的滑動面除有較低的摩擦系數外，對可能進入的少量泥沙有一定的適應能力，其使用壽命大于30年。

閘門運行狀態是長期臥倒放置，水中的門體有可能出現淤積現象。為了能正常啟閉，應設置沖淤裝置。沖淤主要是對門體下部的泥沙進行沖刷。沖淤裝置采用高壓水槍自動沖淤為主，人工清淤為輔的方式。

3 結構計算

考慮到大跨度液壓下翻轉式臥倒門受力狀態復雜，且需要局部開啟閘頂過水，傳統的平面計算難以反映整體的受力狀態，結構計算根據閘門的結構特點，依據設計圖紙建立閘門幾何模型，采用三維有限元對其進行空間結構復核。

根據前文確定的邊界條件，綜合考慮各種計算荷載，借助有限元分析軟件對各種設計工況分別進行計算，計算結果如表1所示。

經計算得知，工況1和工況2由于擋水方向相同，應力和位移等值線分布具有相似性。由于工況2為閘門局部開啟閘頂過水工況，因此，其應力和變形量最大，為控制工況。工況3為擋內河水位工況，與工況1和工況2擋水方向相反，由于閘門傾斜于擋水側，閘門自重可抵消部分水壓力，雖然擋水高度較大，但變形量較小。

4 結語

目前，鄭州市引黃灌區龍湖調蓄工程1#控制閘已投入使用，龍湖已經蓄水，城市景觀效應逐漸顯現。

生態城市是人們對未來城市發展趨勢的一種理論構想，城市河道也從單純的防洪排澇向防洪排澇與游憩相結合的功能轉變，營造既人性又生態的駁岸型式，合理設置休閑設施，營造人與河流的互動空間。在此基礎上，城市水系中景觀閘得到廣泛的運用，特別是大跨度翻轉式臥倒門景觀閘以其獨特的優勢，更發揮出越來越重要的作用。

參考文獻：

[1]鄭東新區龍湖1、2、3號出口控制閘閘門靜動力試驗研究報告[R].天津：天津大學，2011.