一種上翻式擋潮閘門結構設計

甘志軍，張發茂

(中水珠江規劃勘測設計有限公司，廣州 510610)

1 概述

沿海地區河涌水閘數量眾多，主要功能為擋潮，結合排澇泵站可兼顧河涌排澇、水環境和水生態治理[1]。根據總體布置、功能、景觀和運行管理要求的不同，擋潮閘閘門形式主要為平面直升閘門、下臥門和上翻門。平面直升閘門為應用最多的傳統門型，多采用布置于排架頂部的固定卷揚機進行啟閉操作，結構形式簡單、易布置，能有效減小閘墩長度，但需設較高的啟閉機排架，景觀效果欠佳[2]；下臥門大多采用液壓啟閉機驅動閘門門葉繞底軸或支鉸旋轉下臥啟閉，景觀效果和通航條件好，無突出閘頂的建筑物，但閘門下臥至底檻時易淤積，且不便于檢修[3-4]；上翻門采用液壓啟閉機驅動門葉繞支鉸旋轉上翻啟閉，啟閉時不受泥沙淤積的影響，整個設備的布置均不高于閘頂，景觀效果好，全開時閘門上翻至水面以上，閘門運行條件較好，便于檢修維護[5-7]，不影響游艇、漁船等較小船型的通航。

2 上翻式閘門結構布置

河涌水閘工作閘門一般主要承擔擋潮、排澇、蓄水、引水等任務，工作閘門在河涌需要蓄水、擋外江潮水或河涌泵站開啟排澇時處于關閉狀態，其余引水、檢修等均處于全開狀態。上翻門主要由埋件、門體、支鉸、鎖定裝置及啟閉機組成[8]，閉門時為75°懸掛布置(見圖1所示)。

圖1 水閘斷面布置示意(單位：高程m，長度mm)

閘門支鉸是閘門翻轉啟閉過程中的主要受力部件[9]，布置在閘墩頂，二期埋設，通過40Cr鉸軸與閘門兩側邊柱頂耳板相連，鉸軸軸承采用銅基鑲嵌自潤滑軸套，支鉸中心高程的布置在考慮門體結構尺寸的前提下，確保全開狀態滿足通航高度要求。

閘孔兩側開半門槽，在邊柱內涌側設置滑塊和止水，閘門擋水時，支承滑塊和止水橡膠均緊挨兩側半門槽支承和止水，止水大樣示意見圖2和圖3。閘門全開時，閘門旋轉至平臥狀態，整個金屬結構不突出閘頂，采用支鉸與鎖定軸聯合支承。閘門兩側邊柱設有鎖定孔，在對應位置兩側閘墩布置電動推桿，需要鎖定或解鎖時，通過電動推桿推動鎖定軸穿、脫鎖定孔實現，對于多孔閘門，為盡量減小整個鎖定機構的閘墩布置位置，相鄰兩孔的鎖定機構沿水流方向錯開布置。

圖2 側止水及支承滑塊示意

圖3 底止水示意

上翻門門葉結構采用多主橫梁同層布置，為防止洪潮浪涌對門葉梁格的不良影響，閘門面板布置于外江側，止水布置于內江側，主梁采用焊接“工”字型組合截面，門葉結構主要材質為Q355B，支鉸材質ZG310-570，側、底止水均采用“雙P”型橡膠止水，可雙向止水，支承滑塊采用鋼滑塊。

上翻門動水啟閉，一門一機布置，每扇閘門采用1臺雙作用液壓啟閉機，液壓啟閉機采用懸掛式布置，為防止啟閉機泡水，啟閉機支鉸高于內涌側最高水位，其吊頭與門體凸出吊耳相連，布置于閘門中部附近位置，液壓啟閉機驅動閘門繞頂部支鉸進行旋轉啟閉。工作閘門內涌側和外江側均設有水位計，用以對閘門進行遠程自動化控制。液壓啟閉機采用陶瓷活塞桿，液壓泵站和現地電控設備均布置在水閘旁泵房內。

3 上翻式閘門結構計算

根據擋水工況和啟閉工況水位組合，水閘上翻門結構計算采用平面體系進行分析，計算內容主要包括總水壓力計算、主梁計算、面板區隔應力計算、水平次梁計算、邊柱計算、支承計算、啟閉力計算、支鉸計算以及鎖定計算[10-12]。

面板區隔應力計算按照水利閘門設計規范[11]四邊支承彈性薄板方法計算；水平次梁計算按多跨連續梁進行受力計算；支承按承受總水壓力、閘門自重進行滑塊、埋件及混凝土承壓計算；鎖定計算按懸臂梁支承復核鎖定軸及鎖定支座應力情況。下面主要對總水壓力、主梁、邊柱、啟閉力及支鉸等受力構件和項目進行分析計算。

3.1 總水壓力計算

上翻門雙向擋水，根據擋水工況水位組合分別計算內涌側和外江側最大擋水壓力，按照該上翻閘門結構布置，面板、邊柱、底主梁及側、底止水組成擋水系統，水壓力主要由面板、底主梁腹板和邊柱腹板水壓力3大塊組成。垂直水流方向平面內閘門水壓力為邊柱腹板水壓力，在此不單列出；沿水流方向平面內閘門總水壓力主要由面板總水壓力和底主梁總水壓力組成，計算簡圖見圖4、圖5。

圖4 擋潮工況總水壓力分布示意

圖5 排澇工況總水壓力分布示意

面板水壓力：

(1)

面板水壓力對于支鉸的作用力臂：

(2)

底主梁水壓力：

Pd=k·γ·(Δh1-Δh2)·Hz·Bzs

(3)

底主梁水壓力對于支鉸的作用力臂：

(4)

總水壓力：

(5)

式中：

k——閘門動力系數；

γ——水的容重，kN/m3；

θ——閘門關閉時懸掛角度，即全關時閘門與水平線所夾銳角，°；

Δh1——擋潮工況時取外江設計水頭Δhw，排澇工況取內涌設計水頭Δhn，m；

hz——主梁高度，m；

Δh2——擋潮工況時取內涌設計水頭Δhn，排澇工況取外江設計水頭Δhw，m；

Hzj——擋潮工況時取內涌設計水頭Δhn，排澇工況取外江設計水頭Δhw，m；

Δhzs——支鉸到最高水面距離，外江水位高時取支鉸中心到外江水面線距離，內涌水位高時取支鉸中心到內涌水面線距離，m；

Lzm——支鉸到面板外緣的垂直距離，m。

3.2 主梁計算

根據閘門擋水水壓力布置，主梁主要承受由面板傳遞的正面水壓力和兩側邊柱傳遞的側面水壓力，除按常規均布荷載作用簡支梁計算外，應綜合考慮兩側水壓產生的軸向力和偏心彎矩作用，計算主梁組合應力及整體和局部穩定性分析，對于底主梁還應附加考慮其垂直腹板水壓力作用下主平面外彎矩綜合作用。

3.3 邊柱計算

邊柱結構受力由主梁傳遞，根據不同擋水工況，其受力模型也不同。

1)擋潮時，外江側水壓力大于內涌側水壓力，水壓力由滑塊和支鉸共同承擔。由于主梁對應位置邊柱上均設置有鋼滑塊，該工況邊柱沿水流方向主平面內承受剪力作用，應力低；垂直水流方向水壓作用下按多跨連續梁(主梁作為支承)進行主平面外強度驗算。該工況受力小，為非計算控制工況。

2)排澇時，內涌側水壓力大于外江側水壓力，水壓力由支鉸和液壓啟閉機共同承擔。該工況邊柱沿水流方向主平面內承受主梁傳遞的集中力作用，其受力模型示意見圖6；垂直水流方向水壓作用下按多跨連續梁(主梁作為支承)進行主平面外強度驗算。該工況需復核邊柱強度、剛度是否為計算控制工況。

圖6 排澇工況邊柱受力模型示意

3)檢修時，閘門上翻至水平狀態，由于支鉸和液壓啟閉機支點均布置在邊柱上，因此邊柱承受閘門自重荷載，需驗算該工況邊柱強度、剛度是否為計算控制工況。

3.4 啟閉力計算

根據閘門啟閉工況和工作狀態(狀態示意見圖7、圖8)，上翻門液壓啟閉機采用雙作用缸，啟閉力主要為3種工況。當外江水位高于內涌水位時，啟閉過程中液壓啟閉機為推力控制；當內涌水位高于外江水位時，啟閉過程中液壓啟閉機為拉力控制；當上翻門處于全開位置時，啟閉力主要為平衡閘門自重，液壓啟閉機為推力控制。由于閘門上翻啟閉的速度慢，對閘門啟閉力進行估算時，忽略閘門翻轉的運動慣性阻力矩，啟閉機額定容量僅考慮水壓力、閘門自重及摩擦力作用下的平衡，并在計算啟閉力基礎上需留有安全裕量[13]。3種工況啟閉力計算如下。

圖7 全關狀態啟閉力計算示意(單位：高程m)

1)外江水位高于內涌水位時啟閉力計算

啟閉機推力：

(6)

式中：

nT——摩擦阻力安全系數，取1.2；

f——支鉸軸承摩擦系數；

Fwz——支鉸受力，由于在此僅計算支鉸軸承摩擦力距，可暫按自重和水壓力合力考慮，kN；

r——支鉸軸承半徑，m；

Pm1——啟閉工況外江水位高時面板水壓力，kN；

Pd1——啟閉工況外江水位高時底主梁水壓力，kN；

G——閘門活動部分的重量，kN；

Lm1——啟閉工況外江水位高時面板水壓力對支鉸的作用力臂，m；

Ld1——啟閉工況外江水位高時底主梁水壓力對支鉸的作用力臂，m；

nG1——啟門時閘門自重修正系數，取1.1；

LG1——全關狀態閘門自重對于支鉸的作用力臂，m；

Lqg——全關狀態啟閉機對于支鉸的作用力臂，m。

2)內涌水位高于外江水位時啟閉力計算

啟閉機拉力：

(7)

式中：

Fnz——支鉸受力，由于在此僅計算支鉸軸承摩擦力距，可暫按自重和水壓力合力考慮，kN；

Pm2——啟閉工況內涌水位高時面板水壓力，kN；

Pd2——啟閉工況內涌水位高時底主梁水壓力，kN；

Lm2——啟閉工況內涌水位高時面板水壓力對支鉸的作用力臂，m；

Ld2——啟閉工況內涌水位高時底主梁水壓力對支鉸的作用力臂，m；

nG2——閉門時閘門自重修正系數，取1.1。

3)閘門全開工況啟閉力計算

啟閉時啟閉機推力：

(8)

式中：

LG2——全開狀態閘門自重對于支鉸的作用力臂，m；

Lqk——全開狀態啟閉機對于支鉸的作用力臂，m。

3.5 閘門支鉸計算

閘門正常運行時，在全關狀態擋外江水工況，部分自重和水壓力由閘門滑塊支承，支鉸受力不大；在全關狀態擋內涌水、啟閉工況和全開工況，水壓力和閘門自重由支鉸及啟閉力平衡，閘門支鉸受力為閘門自重、水壓力和計算啟閉力的合力[14]。當閘門在啟閉過程中卡阻時，該工況屬于特殊工況，此時啟閉力達到啟閉機的額定啟閉力，閘門支鉸受力為閘門自重、水壓力、卡阻力和額定啟閉力的合力。正常運行和特殊工況下均應根據受力情況，按照水利閘門設計規范[11]的相關規定驗算支鉸軸、支鉸座、預埋螺栓等部件的強度剛度。各工況下支鉸的受力計算如下。

1)外江水位高時，閘門在全關位置啟閉，啟閉機為推力

正常運行時支鉸受力：

支鉸水平力(符號為正，則方向由內涌側指向外江側)：

Fzp1=Fqt·cosα-Pm1·sinθ-Pd1·cosθ

(9)

支鉸豎直力(符號為正，則方向豎直向下)：

Fzs1=Fqt·sinα+G+Pm1·cosθ-Pd1·sinθ

(10)

特殊工況閘門啟閉卡阻時支鉸受力：

卡阻力(方向與閘門垂直，并沿閘門旋轉反方向)：

Fkz1=

(11)

支鉸水平力(符號為正，則方向由內涌側指向外江側)：

Fzp2=Fe1·cosα-Pm1·sinθ-Pd1·cosθ-Fkz1·sinθ

(12)

支鉸豎直力(符號為正，則方向豎直向下)：

Fzs2=Fe1·sinα+Gh+Pm1·cosθ+Fkz1·cosθ-Pd1·sinθ

(13)

式中：

α——全關狀態，啟閉機與水平線夾角，°；

Lkz1——全關位置啟閉時卡阻作用力臂，m；

Fe1——液壓啟閉機額定推力，kN。

2)內涌水位高時，閘門在全關位置啟閉，啟閉機為拉力

正常運行時支鉸受力：

支鉸水平力(符號為正，則方向由外江側指向內涌側)：

Fzp3=Fql·cosα-Pm2·sinθ-Pd2·cosθ

(14)

支鉸豎直力(符號為正，則方向豎直向上)：

Fzs3=Fql·sinα-G+Pm2·cosθ-Pd2·sinθ

(15)

特殊工況閘門啟閉卡阻時支鉸受力：

卡阻力(方向與閘門垂直，并沿閘門旋轉反方向)：

(16)

支鉸水平力(符號為正，則方向由外江側指向內涌側)：

Fzp4=Fe2·cosα-Pm2·sinθ-Pd2·cosθ-Fkz2·sinθ

(17)

支鉸豎直力(符號為正，則方向豎直向上)：

Fzs4=Fe2·sinα-G+Pm2·cosθ+Fkz2·cosθ-Pd2·sinθ

(18)

式中：

Fe2——液壓啟閉機額定拉力，kN。

3)閘門在全開位置時，啟閉機為推力

正常運行時支鉸受力：

支鉸水平力(符號為正，則方向由內涌側指向外江側)：

Fzp5=Fqk·cosβ

(19)

支鉸豎直力(符號為正，則方向豎直向下)：

Fzs5=Fqk·sinβ+G

(20)

特殊工況閘門啟閉卡阻時支鉸受力：

卡阻力(方向豎直向下)：

(21)

支鉸水平力(符號為正，則方向由內涌側指向外江側)：

Fzp6=Fe1·cosβ

(22)

支鉸豎直力(符號為正，則方向豎直向下)：

Fzs6=Fe1·sinβ+G+Fkz3

(23)

式中：

β——全開狀態，啟閉機與水平線夾角，°；

Lkz2——全開位置啟閉時卡阻作用力臂，m。

4 結語

上翻式閘門的結構布置根據支鉸、啟閉機吊點、止水形式等不同各有差異，該類型閘門面板宜置于外江側，有效防止洪潮對閘門區隔的擾動影響，其結構計算、支鉸受力、啟閉力需充分考慮各個方向的水壓力。對于閘門支鉸等重要運轉部件，直接到影響閘門的啟閉運行，進行閘門正常啟閉擋水受力分析計算的同時，還需核算閘門卡阻時，啟閉機達到額定啟閉力的特殊工況下的結構強度。