一種新型貝雷架鋼閘門的設計及應用

黃亞棟，毛成永

（1.湖北省交通規劃設計院股份有限公司，湖北武漢 430051；2.湖北省襄陽市港航發展服務中心，湖北襄陽 441001）

0 引言

常規的臨時擋水設施主要是鋼閘門和圍堰，其中鋼閘門適用于各種水利項目，應用廣泛。但有以下缺點：1）鋼閘門采用全鋼板焊接而成，結構重量比較重；2）鋼閘門需要在工廠加工，運輸和吊裝過程非常繁瑣，需要進行專項論證；3）采用的是全焊鋼結構，制作成本大；4）臨時閘門使用完畢后，后期拆卸費用高。拆卸完畢后，鋼閘門不能做其他利用，浪費較多，不經濟[1-3]。

圍堰結構應用于臨時擋水結構，應用也很廣泛，但有以下缺點：1）工程量大，需要使用大量的土石方形成圍堰結構；2）施工周期長，需要從合適的取土場地取土運到工程現場，取土工程量大；3）使用限制條件多，圍堰結構對現場場地面積和地質均有要求；4）后期圍堰拆除工程量大。

本文結合新溝二線船閘工程，創新性地提出一種貝雷架鋼閘門，該閘門結構簡單、使用方便、結構件采用租賃設備，既能有效解決鋼閘門施工周期長、造價高等問題，又不需要圍堰那么多的限制條件，后期拆除量小。

1 工程概況

新溝二線船閘位于漢北河河口——漢北河航道的咽喉，總投資約3.56億元。本工程的開發任務是發展航運，以提高新溝船閘的通過能力，滿足腹地經濟發展的需要，為漢北河建成郁級航道打下基礎。隨著《國務院關于加快長江等內河水運發展的意見》出臺，漢北河新溝二線船閘工程已納入《湖北省公路水路交通運輸發展“十二五”規劃》。新溝二線船閘的建設，有利于加快腹地城鎮化建設進程，是沿河區域經濟發展和實現漢北水系航運規劃目標航道升等提級的需要，是改善水路運輸條件的當務之急，對于發揮漢北河航線在湖北航運體系中的作用具有重要的意義。

新溝二線船閘為郁級船閘，船閘受雙向水頭作用，正向設計水頭6.62 m（漢北河側水位—漢江側水位），反向設計水頭4.40 m（漢江側水位—漢北河側水位）。上、下閘首工作閘門為鋼質弧形三角門，利用上閘首三角閘門進行擋洪[4]。

由于在施工期間作為擋洪閘門的上閘首三角閘門要在經歷一個汛期后才能安裝，而在三角閘門安裝好之前的期間內，新溝二線船閘將無法擋水，如果不采取措施，將會造成嚴重后果：1）一旦漢江洪水來了，如果沒有閘門擋水，漢北河側孝感幾十萬人民將受洪水災害。如果漢北河側發生洪澇災害，內河洪水如果不能及時排到漢江，漢北河側人民將遭受內澇災害。2）如果漢北河水位高，假如沒有擋水閘門，漢北河的水資源會流失到漢江中，將會導致孝感境內抗旱形勢嚴峻。因此在擋洪三角閘門安裝好之前，需要先設置一個臨時擋水閘門。船閘的總體布置如圖1所示。

圖1 船閘總體布置圖Fig.1 General layout of ship lock

2 設計方案

2.1 設計工況

新溝二線船閘閘室寬度為16 m，底檻高程10.85 m，閘頂高程31.075 m，根據新溝閘歷年防洪期最大水頭差資料，本次設計中漢江水位取29.28 m，漢北河水位取24.97 m，水頭差為4.31 m。閘門頂高程取30.70 m，閘門平面尺寸為16 m伊19.85 m（寬伊高）。

2.2 閘門結構組成

該閘門主要由面板系、主梁、縱向固定梁以及邊梁組成。其中面板系由鋼板面、橫向分配梁以及縱向分配梁組成，橫向分配梁分別與面板和縱向分配梁焊接固定。

閘門主梁結構采取單排貝雷架結構，從閘門底到閘門頂共設置33層貝雷架。貝雷架后面增加了33層工字鋼作為水平斜支撐結構，斜支撐和主梁結構共同承受水壓力。主梁一側與面板系的縱向分配梁相連接，另一側與縱向固定梁、邊梁相連接。

為保證主梁上貝雷架在自重作用下的平面外穩定性，在貝雷架主梁的非面板系側設置了縱向固定梁，縱向固定梁采用型鋼結構。

該閘門的傳力途徑是面板系進行擋水，將水壓力傳遞到橫向分配梁，橫向分配梁將水壓力傳遞到縱向分配梁，縱向分配梁將水壓力傳遞到主梁上，然后通過與貝雷架連接的邊梁和斜支撐將水壓力傳遞到水工結構的邊墩上。貝雷架鋼閘門結構總圖如圖2所示。其中面板采用10 mm厚的鋼板，橫向分配梁采用12.6的工字型鋼，主梁結構采用321型加強型貝雷片，縱向固定梁、縱向分配梁和水平斜支撐采用25a的工字型鋼，邊梁采用雙拼25a的工字型鋼。

圖2 貝雷架鋼閘門結構總圖Fig.2 General structure of Bailey steel gate

2.3 閘門的止水形式

傳統鋼閘門的止水形式分為柔性止水系統和剛性止水系統。

柔性止水是在鋼閘門上安裝止水橡膠帶，通過水壓力擠壓止水橡膠帶使鋼閘門與支撐墻體緊密接觸。但是在該項目中安裝止水橡膠帶時，需要在鋼面板上鉆600多個螺栓孔，安裝600多個螺栓，安裝工程量大，此外止水橡膠帶需要在現場安裝，安裝空間小，不易操作。

剛性止水是在鋼閘門上設置剛性支撐材料，通過水壓力擠壓直接使剛性支撐材料與支撐墻體緊密接觸。由于現場支撐面為粗糙的混凝土鑿毛表面，因此若采用剛性止水，則只能采取膠凝材料，使鋼閘門與支撐面進行無縫接觸，比如混凝土、瀝青等，在該項目中，選用了工程現場比較豐富的混凝土材料作為剛性止水材料（圖3）。采用該種止水方式的優點是：1）構造簡單；2）不需要額外采購特殊產品，施工場地材料豐富；3）能夠很好適應現場狹窄的止水安裝空間。

圖3 剛性止水安裝模型圖Fig.3 Installation model of rigid water stop

2.4 構件連接系統設計

構件連接系統主要是貝雷架結構與面板系結構和縱向固定梁結構的連接方式。目前鋼結構工程的連接方式主要采用焊接和螺栓連接2種方式，如果采用最為常用的焊接形式有以下缺點：1）對租賃的貝雷架造成損害，易產生索賠；2）在臨時閘門擋水結束后，拆卸復雜，需要對焊接焊縫進行火焰切割；3）對貝雷架安裝精度要求高，如果貝雷架主梁和面板系以及縱向固定梁之間的安裝間隙過大時，將會影響安裝質量。

針對焊接結構的以上缺點，本次設計中，將貝雷架主梁與面板系以及縱向固定梁之間采用騎馬螺栓連接。采用這種連接方式具有不會對租賃的貝雷架造成損害，拆卸方便，對貝雷架結構安裝精度要求不高等優點。構件的騎馬螺栓連接如圖4所示。

圖4 騎馬螺栓連接構件Fig.4 Connecting components of riding bolt

3 閘門結構有限元計算模型

本文利用有限元分析軟件MIDAS對閘門結構進行有限元計算，為了準確、真實地反映出閘門的工作情況，選用空間梁單元和板殼單元來模擬閘門各構件[5-7]。坐標系選擇為：x軸垂直于閘室方向，y軸指向下游，z軸豎直向上。

根據新溝閘歷年防洪期最大水頭差資料，本次設計中漢江水位取29.28 m，漢北河水位取24.97 m，水頭差4.31 m。

由靜力學分析可知，主梁最大折算應力為179.4 MPa，出現在主梁跨中部位，小于材料的允許應力值310 MPa；主梁最大變形為11.0 mm，出現在主梁跨中部位，小于結構的允許變形值28.9 mm[8]。

4 效益分析

4.1 經濟效益

該貝雷架鋼閘門主要結構采用租賃貝雷架組裝而成，貝雷架總重90.04 t，占閘門總重151.7 t的59.35%，這部分的材料只需要支付租賃費和安裝費，安裝方便，閘門的工程預算為185萬元，工程造價節約135萬元，產生了良好的經濟效益。

4.2 社會效益

該貝雷架鋼閘門投入運行后，產生了以下社會效益：1）貝雷架鋼閘門使新溝二線船閘安全度過了洪水期，帶來了良好的社會效益；2）采用該貝雷架鋼閘門改善了工作人員的勞動條件，降低了勞動強度，減少了工程施工對環境造成的噪音和大氣污染；3）貝雷架鋼閘門是在工地現場利用貝雷架現場拼裝，不需要將大型的閘門鋼結構通過貨車運到工程現場，保障了公共交通的安全；4）貝雷架鋼閘門在使用后能夠拆除重復利用，極大地節約了公共資源。

5 結語

該貝雷架鋼閘門成功應用于新溝二線船閘，創造了良好的經濟效益和社會效益，它既能有效解決鋼閘門施工周期長、造價高等問題，又不需要圍堰那么多的限制條件，后期拆除量小。貝雷架鋼閘門可以作為一種新型的大跨度閘門，廣泛應用于需要快速、低成本設置擋水臨時鋼閘門的水運或水利現場。