升臥式平板鋼閘門在某水閘中的運用

朱其泉，葛 韜，張繼芳

(1.湖北省水利水電規劃勘測設計院珠海分院，廣東 珠海 519000；2.湖北省水利水電規劃勘測設計院，湖北 武漢 430070)

1 概述

該水閘位于珠海市三灶灣大堤上，是1#主排河入白龍河的控制性建筑物，水閘處于珠海市西部中心城區規劃范疇。工程任務為對舊水閘進行拆除重建，主要解決舊閘設計標準偏低、過流能力不足、存在安全隱患、與周邊景觀極不協調等問題。水閘工程等別為Ⅲ等，規模為中型，主要建筑物級別為2級，次要建筑物為3級。設計排水流量為139m3/s，重建1#水閘的閘孔數為3孔，單孔凈寬8.0m，閘孔總凈寬24.0m。

工程于2018年5月正式開工建設，2019年初水閘主體工程基本完成，同年11月份工程完工投入正常使用。

2 水閘結構

水閘防潮(洪)標準采用50年一遇設計高潮位3.46m。水閘設計排水流量為139.0m3/s，規模為中型水閘。水閘整體按雙向擋水設計，閘孔數為3孔，單孔凈寬8.0m，閘孔總凈寬24.0m，采用整體鋼筋混凝土框架式結構。閘室底板頂面高程為-2.00m，厚度為1.2m，順水流方向總長度為20.0m，垂直水流方向總寬度為29.40m。閘室底板上下游均設0.7m深齒墻，外海側齒墻處設置長度6.0m的鋼板樁防滲幕墻，增加抗滲穩定性。邊墩厚度為1.0m，中墩厚度為1.2m，高度均為6.60m，兩側邊墩與中墩將閘室分為3孔。閘室外海側設置檢修閘門槽，閘墩上布設啟閉排架，啟閉平臺高程8.00m，平臺上部設置景觀造型。

閘室頂部內港側設6.0m寬交通橋面板，交通橋設計荷載為公路Ⅱ級。橋面板中間厚0.5m，端部厚0.9m，交通橋中線與兩岸引堤中心線一致，橋面高程為5.50m；閘室頂部外海側設檢修橋。

水閘工作閘門偏向外海側布置，采用升臥式平板鋼閘門向下游翻轉型式。設凈高為2.50m的啟閉平臺，過流時閘門全部開啟平臥于啟閉排架下方，擋潮時下閘擋水，立于閘槽中。

3 閘門形式選擇

水閘處于珠海市西部中心城區范疇，周邊已興建了生態景觀公園及高檔生活小區，重建水閘在滿足自身功能的需求下，需充分兼顧周邊環境的景觀需求，因此水閘工作閘門和啟閉設備的選型至為重要。工程設計中選取了3種較為常用的方案進行綜合比選。

(1)垂直提升平板鋼閘門

常規的平板鋼閘門，在水閘閘墩上方布置排架柱及固定卷揚機啟閉平臺，通過固定卷揚式啟閉機對閘門進行垂直提升。因結構簡單、操作簡便，自動化運行可靠、易于制造與安裝，且閘門和啟閉設備檢修條件較好，后期的維護管理方便，故此類運用最廣泛，工程投資方面也適中；但啟閉排架較高，與周邊景觀協調難度大，不符合現代化城市景觀的要求。

(2)帶支臂上翻平板鋼閘門

帶支臂上翻式平板鋼閘門，采用集成式液壓啟閉機啟動，需要加液壓鎖定裝置，閘門通過雙向作用的液壓啟閉機，帶動閘門繞著支鉸旋轉，達到開啟和關閉閘門。水閘無啟閉排架，利于景觀布置；盡管具有景觀優勢，但液壓啟閉機閘門的零部件較多，安裝精度要求高，加上結構復雜，零部件更換頻率高，檢修維修復雜，對運行管理人員專業水平要求較高，啟閉機一旦發生故障，便不能手動操作閘門；且水閘位于沿海地區的咸淡水交替位置，空氣潮濕，水質對金屬材料腐蝕性強，電氣控制設備及機械配件比較容易損壞，且本地區無專業維修液壓啟閉設備隊伍，工程投資方面也更高。

(3)升臥式平板鋼閘門，

為帶懸臂輪支承的平板鋼閘門，采用固定卷揚式啟閉機啟動，吸取了垂直提升平板鋼閘門和帶支臂上翻平板鋼閘門的優點，如結構簡單、操作簡便。通過設計在閘墩上部的弧形軌道及在啟閉機的作用下，使平板鋼閘門向下游進行翻轉，閘門在全部開啟時平放于閘墩的上部，并高出最高運行水位1.6m，滿足運行管理及正常使用要求。另外，考慮到景觀整體要求，水面上不宜有較大的建筑物，所以升臥式平面鋼閘門能使水閘的啟閉機平臺的凈高由8.5m降為2.5m，啟閉機排架高度顯著降低，加強了水閘整體的的防風抗震能力，優化了工程造價，同時解決了排洪擋潮、道路交通、生態蓄水與城市景觀協調等諸多矛盾問題；與帶支臂上翻平板鋼閘門比較，具有閘墩輕巧，結構簡單，工程造價小的優點。但也存在一定的缺點，如管理運行中鋼絲繩長期泡水，易于銹蝕，縮短了鋼絲繩的使用壽命，但可通過選用更高防腐等級鋼絲繩或者增加鋼絲繩更換頻率來解決。

綜合考慮運行、檢修、景觀效果及工程投資等因素，最終閘門的形式選定升臥式平板鋼閘門方案。

4 升臥式平板鋼閘門設計要點

4.1 設計工況

(1)閘門正向擋水強度設計控制工況：外海防洪設計水位(p=2%)為3.46m，相應內渠低水位0.60m，水頭差2.86m。

(2)閘門反向擋水強度設計控制工況：水閘內港側遠期最高蓄澇水位2.70m，相應外海設計低潮位-0.13m，水頭差2.83m。

(3)閘門啟閉控制水位組合：啟門時閘門高水位側最大為2.59m，啟閉水頭差不大于0.5m。

(4)檢修工況：外海取5年一遇高潮位2.53m，閘室內無水。

4.2 門葉

因閘門門葉在閘孔內轉動，需要向上游或者下游進行翻轉，所以本水閘門葉的寬度要略小于閘孔凈寬，為7950mm，其兩邊預留有25mm的間隙，方便閘門正常工作和使用。間隙過大會使懸臂式主輪軸加大，也不利于止水裝置的安設，如圖1所示。

圖1 門葉與止水橡膠安裝示意圖

門葉結構由面板、主梁、水平次梁、縱梁、邊梁、滾輪支承裝置、導向輪、止水裝置組成。閘門采用焊接板梁結構，主材為Q235B，止水螺栓材料為不銹鋼。面板設于內港側，主梁采用變截面不對稱組合工字型，雙吊點啟閉。為防止閘門啟閉時側向移動，采用側輪作側向定位，與門槽單側間隙5mm。

4.3 主輪

升臥式平板鋼閘門采用4個直徑520mm的懸臂式主輪(每側2個)?？梢哉{節主輪軌面的偏心軸、軸的大、小的末端分別固定在主輪軌面的側面和縱橫梁的中間，便于主輪軌面設置在平面內，如圖2所示。

圖2 主輪安裝示意圖

4.4 吊耳

吊耳的安裝位置，分2種安裝方式：①對向下游進行轉動的閘門，閘門的吊耳要設計在門葉上游側的下部，安裝位置不能太低，在沿海地區或者泥沙含量過高的河流易被淤泥埋沒，啟閉時會加重閘門總體重量，影響啟閉機動滑輪組的正常運轉，所以其安裝高度一般在門葉下主梁附近；位置太高時，閘門全開平臥后啟閉機鋼絲繩的傾斜角度加大，不便于機架橋的布置。②對向上游進行轉動的閘門，吊耳安裝在門葉下游面的下部，其余情況與上文論述一樣。設計過程進行受力分析，要使閘門啟閉時能向上游或者下游進行翻轉，則需要閘門的吊點與閘門重心點形成一個偏心矩，這樣閘門在啟動時會產生一個力偶，使閘門進行翻轉。所以吊耳軸中心至面板外緣的距離，要能容納啟閉機的動滑輪組，并應留20～50mm的裕余度。

本水閘設計為向下轉的閘門，吊耳軸中心至面板底部的距離為500mm，吊耳軸中心至面板外緣的距離30mm，如圖3所示。

圖3 吊耳安裝示意圖

4.5 止水裝置

閘門止水裝置的安裝，設在閘門內河面的兩側，采用雙向封水的雙頭Р型止水橡膠。角鋼與面板之間加橡膠墊板，以增加止水裝置的彈性，提高止水的效果，如圖4所示。閘門底部設計的止水裝置采用刀型橡膠，伸出閘門底緣10mm，利用閘門自重壓緊，止水材料選用氯丁防水橡膠。

圖4 止水裝置安裝示意圖

4.6 門槽

升臥式平板鋼閘門的門槽輪廓尺寸(包括鉛直段的高度S、弧軌段曲率半徑R、弧軌上方斜坡段與水平方向夾角B的大小)，是閘門能否靈活運行的關鍵。

若弧軌鉛直段太短，弧軌段半徑太小，閉門時，當閘門運行到弧軌段時可能使閘門停滯不能憑自重下降；啟門時，也可能發生在該段閘門自動上滑，失去控制。如果弧軌的鉛直段過高、弧軌段半徑過大，又會使得閘墩頂高程和啟閉平臺抬高，失去了本方案的升臥式平板鋼閘門優勢，如降低啟閉平臺高度、減少工程投資、城市景觀等。對于高度小于孔口寬度的中小型鋼閘門的弧軌段幾何尺寸可按以下經驗數值選用：

向下游轉動時，一般可取S≥0.8H，R≥0.2H；

向上游轉動時，一般可取S≥H，R≥0.3H[6]；

式中，S—閘底板頂面距弧軌段起點的距離，cm；R—弧軌段半徑，cm；H—啟閉閘門時擋水高度，cm。

弧軌上方斜坡段與水平方向夾角B。閘門上主輪沿斜坡段運行時，閘門重力分解為垂直于斜坡面和平行于斜坡面的兩個分力。為不使閘門重力在平行于斜坡面方向上的分力過大，25°≤B≤55°為宜。

1#水閘有排洪、擋潮、生態蓄水、道路交通及滿足與周圍景觀協調等多種功能。閘門須雙向擋水、交通橋需要與現狀道路順接(閘門必須向外海側轉動)、閘墩頂高程及啟閉機平臺高程均不能太高。

閘門的運行工況也較為復雜，閉門時外海水位高，內河水位低，閘門則為向上游轉動型式；啟門時內河水位高，外海水位低，閘門則為向下游轉動型式。根據水閘的整體設計及結合閘門運行工況，選定閘門向外海側(下游)轉動的形式。水閘設計高度為6.0m，閘墩頂部高程5.5m，閘底檻高程-2.0m，高差僅有7.5m。弧軌段幾何尺寸無法滿足上述經驗數值選取的條件，需通過計算來確定。

本工程中，H=470cm，取S=490cm=1.04H，R=120cm=0.255H，B=15°。經閉門驗算和閘門提升中上滑驗算，閉門時閘門起吊力為10.5t，閘門提升中起吊力為13.6t，均大于零，即閘門在弧行軌道段可憑自重下降及啟門時又不會自行上滑，故選用S=4.9m，R=1.2m，B=15°是可行的。

門槽的寬度為550mm，比主輪直徑大30mm。從圓弧段開始，門槽寬度逐步加大，弧軌段的末端位于啟閉機平臺正下方，為了便于閘門整體吊出閘孔，啟閉機平臺的每孔上方預留了1個8.9m×1.5m(長×寬)的洞口，洞口上方用活動鋼格柵蓋板覆蓋。如圖5所示。

圖5 水閘門槽軌道示意圖

4.7 啟閉平臺高程與啟閉設施

閘門運行過程全部開起時，吊點中心至橋面的距離不應小于所選用啟閉機所規定的滑輪組的吊軸中心至機座底緣的最小距離。另外閘門在開啟、關閉過程中，閘門的頂部不能與工作橋的下緣相碰。通過對本閘門門軌運行軌跡計算，繪制側水封頂部外緣軌跡，最終確定啟閉機工作橋的高程為8.00m。

經計算，每扇閘門重量14.83t，閘門啟門力為23.03t，選擇啟閉容量為2×160kN固定卷揚式啟閉機。

5 結語

三灶灣大堤1#水閘位于珠海市中心城區，在滿足水閘自身功能的前提下如何與周邊城市景觀相融合至為重要。本工程經綜合比選最終采用卷揚啟閉升臥式平板鋼閘門，一方面充分考慮了后期運行管護和檢修方便的使用需求，另一方面有效降低排架高度以減小視線阻礙和與周邊環境相協調。水閘建成至今運行3年多，綜合運行狀況良好，水閘風貌與周邊景觀環境較為和諧，雖然鋼絲繩長期泡在水中易發生銹蝕，但必要時可通過更換鋼絲繩解決，不影響水閘正常使用，總體上實現了原設計方案的各項需求，可為類似工程提供參考和借鑒。