南水北调中线京石段金属结构设计回顾和总结

王远旺

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津300250）

1 概述

南水北调中线京石段应急供水工程总干渠金属结构设备分布在大型河渠交叉工程（包括倒虹吸、渡槽、暗渠）、隧洞工程和控制性工程（包括退水闸、分水闸）这三类建筑物中。其中检修闸44座，节制闸13座，退水闸11座，分水闸13座，共81座。金属结构设备共计门槽244孔，闸门195扇，启闭机151台，设备总重超过4000t。该工程已经通过验收，并经过输水运行，金属结构设备运行正常。

2 闸的类型、功能及金结设备的布置

2.1 类型

根据工程运用和管理需要，本段总干渠上的闸分为检修闸、节制闸、退水闸、分水闸4种类型。

2.2 功能

本段总干渠上的检修闸功能是配合建筑物的检修，倒虹吸出口的检修闸还可以使其进口保持一定的淹没度；节制闸的功能是调节总干渠和建筑物进口水位，控制总干渠输水量，检修建筑物，配合退水和分水；退水闸的功能是保证建筑物和渠道安全而退泄渠道内水量；分水闸功能是为各地分水。

工作闸门用于实现上述各闸的基本功能；检修闸门用于检修工作闸门、门槽埋件及水工建筑物。

2.3 布置

本段总干渠上的检修闸布置在建筑物的进口、出口，倒虹吸进口检修闸和渡槽、暗渠、隧洞的进、出口检修闸均只设置检修闸门；倒虹吸出口的检修闸、节制闸、退水闸、分水闸均设置工作闸门和检修闸门；除倒虹吸出口闸外，其余闸的检修闸门均设置在工作闸门的上游。

节制闸的工作闸门、倒虹吸出口检修闸的工作闸门均采用露顶式弧形闸门液压启闭机操作，一门一机布置；检修闸、节制闸的检修闸门均采用露顶式叠梁闸门，多孔设置1～2扇，采用1台电动葫芦操作；退水闸、孔口尺寸较大分水闸的工作闸门和检修闸门均采用平面滚轮闸门卷扬启闭机操作，一门一机布置；孔口尺寸较小的分水闸的工作闸门均采用铸铁闸门手电两用螺杆式启闭机操作，一门一机布置。

3 闸门、启闭机的设计与选型

3.1 弧形工作闸门及液压启闭机

3.1.1 弧形工作闸门

总干渠上节制闸的工作闸门、倒虹吸出口检修闸的工作闸门均采用露顶式弧形闸门。弧形闸门均采用双主横梁、斜支臂结构，支铰采用圆柱铰支承，轴承采用滑动轴承，轴套材料为钢基聚甲醛复合材料，轴套自带密封。倒虹吸出口弧形闸门的设计水位采用倒虹吸出口闸的加大水位和进口闸的设计水位两者的较大值。其他部位的弧形闸门设计水位采用相应处的加大水位。弧门支铰铰轴高度高于加大水位0.5m。

为保证工作闸门冬季的正常运行，防止弧形闸门与门槽两侧埋件冻结，影响闸门启闭，弧门两侧埋件中设有热油循环用的加热空腔和管路。加热范围为设计水位至加大水位之间，并上下各留一定的余量。如图1所示。

加热空腔分左右2个腔，1个腔进油，1个腔回油，空腔和管路均采用不锈钢材料。内部封闭热油腔焊接完毕，并与油管焊接为一体，密封焊缝经超声波探伤检验合格后，对其内部空腔和油管进行打压试验。加热空腔周边设保温腔，主保温材料选用岩棉板多层平铺或立铺，以岩棉（散）作为缝隙填充。

表1 岩棉保温材料的主要技术指标

3.1.2 液压启闭机

弧形工作闸门采用后拉式液压启闭机操作，容量2×200kN～2×400kN，布置为一门一机，多台启闭机共用一个液压站。液压站设置两套电机泵组，一套工作，一套备用，油泵采用轴向柱塞泵。管路和油箱采用不锈钢材料。每支液压缸设置一套内置式行程检测装置，用于闸门开度显示和双缸同步控制，在闸门启闭过程中，闸门行程检测装置全程连续检测两只液压缸的行程偏差，当偏差值大于10mm时，自动调整比例调速阀进出流量实现同步纠偏，当双缸同步偏差值不超过5mm时纠偏调节停止。弧形闸门操作方式为动水启闭。

3.1.3 检修设备

为检修弧形闸门和液压启闭机的液压缸，在闸门室内设置1台LX型电动单梁悬挂起重机，容量50kN，扬程18m。起升速度双速，可进行有线控制及遥控器无线控制。

3.2 叠梁检修闸门及电动葫芦

3.2.1 叠梁检修闸门

检修闸、节制闸的检修闸门均采用露顶式叠梁闸门，单节高度1.8～3m，布置2～3根主梁。各节闸门可以互换使用。闸门节间设置定位杆和定位套。闸门采用滑块支承，滑块材料为钢基聚甲醛复合材料，每节闸门安装4个。叠梁闸门平时存放在闸室旁的门库内。叠梁检修闸门操作方式为静水启闭，平压方式为节间充水平压。

3.2.2 电动葫芦叠梁检修闸门均采用单电机同轴驱动移动式电动葫芦操作，多门一机，容量为2×100kN，扬程8～12m，起升速度为双速3.5/0.35m/min，起升电机功率13/1.5kW（接电持续率25%）。电动葫芦设有上、下极限限位装置和超载限制器。电动葫芦采用工字型轨道，轨道型号I56a。电动葫芦通过机械式自动挂脱梁起吊叠梁检修闸门。

3.3 平面滚轮闸门及固定卷扬启闭机

退水闸、孔口尺寸较大分水闸的工作闸门和检修闸门均采用平面滚轮闸门，悬臂轮支承，滚轮轴套采用钢基聚甲醛复合材料或工程塑料合金。当外渠洪水位高于总干渠设计水位时，工作闸门按双向挡水设计。工作闸门的操作方式为动水启闭，检修闸门的操作方式为动闭静启，平压方式为小开度提门充水平压。检修闸门平时锁定在闸墩上的检修平台上。启闭机均采用固定卷扬式启闭机，一门一机，启闭机装设闸门开度仪和销轴式荷载限制器。

3.4 铸铁闸门及螺杆启闭机

孔口尺寸较小的分水闸，工作闸门均采用铸铁闸门，启闭机均采用手电两用螺杆式启闭机，一门一机布置。预留检修门槽，不设检修闸门。

4 设计总结

4.1 多孔弧形闸门的同步和闭门速度控制

倒虹吸出口检修闸、节制闸均为2～3孔，设置2～3扇弧形工作闸门，一门一机布置，多孔设一个液压站。运行中发现多孔闸门在启闭过程中同步很困难，调试好的各闸门间开度相差不到20cm，有的相差较大，主要原因为各闸门和埋件的制造、安装偏差各不相同，各闸门启闭过程中的阻力各不相同；液压站到各支油缸的管路长度各不相同，压力损失也不相同，导致各闸门间启闭过程中出现不同步现象。当启闭过程出现各闸门间开度相差较大时，可以采用分别操作各闸门的方法使各闸门基本同步。本项目对闸门间同步也没有较高的要求，只是要求各闸门能够同时进行启闭，也能够单独进行启闭。对要求多个闸门同时启闭且对各闸门开度同步性要求较高的，建议每孔闸门设一个液压站。

液压启闭机启门时活塞速度0.2～0.6m/min，闭门时活塞速度0.3～0.5m/min。本段液压启闭机大部分安装在倒虹吸的出口闸，在验收时，闸门在动水关闭，发现门顶溢流。原因为闸门在动水中关闭，水流速度在较短的时间内变为零，水的动能转变成势能，门前水位升高超过门顶所致。建议倒虹吸出口弧门控制闭门速度或在闭门过程中停止一段时间再继续闭门，可以避免门顶溢流。

4.2 热油融冰设备的设置

本段所有弧形闸门埋件均预留有加热空腔，部分闸安装了电加热油融冰设备。弧形闸门大部分安装在倒虹吸的出口闸，冬季运行时，水从倒虹吸出口出来，一般不会结冰，倒虹吸出口闸为封闭的启闭机室，也有一定的保温作用，热油设备至今尚未投入使用。

本段弧形闸门埋件设置空腔，采用电加热油设备，通过热油循环加热，使闸门和埋件不致结冰冻结在一起，影响闸门启闭。

该方案能够解决闸门和埋件冻结问题，但如果出现结冰现象，整个闸门的门叶、支臂和液压启闭机的液压缸都会出现冻结现象，闸门的启闭也会很困难。热油设备需根据各工程的实际运行条件（包括安装位置、环境温度、闸门处水温、有无保温措施、闸门型式、启闭机型式、门后水位等）论证设置的必要性。

4.3 排冰设施

京石段未设置专用的排冰闸和排冰闸门，必要时可以采用退水闸排冰。退水闸的工作闸门均为平面直升式，要全开后才能排冰，水位较高时会造成水资源浪费。排冰闸门可以有多种门型进行比较选择，如卧倒闸门、下沉式闸门、舌瓣闸门等，排冰过程中均能有效减少水资源的浪费。南水北调中线邢石段正在进行施工，该段设置有2座排冰闸，经比选，最终选择了底轴驱动卧倒闸门作为排冰闸门。

4.4 检修闸门的配置

检修闸、节制闸的检修闸门均按建筑物进行配置，每座闸均设置了检修闸门和启闭机，管理运用较方便，也加大了工程投资和以后的管理运行成本。对于长距离输水项目，一般要设置多座闸来实现输水、退水、分水和检修功能，这就需要设置较多的检修闸门。如果在前期设计阶段将孔口宽度尽量做到标准化，在使用条件允许的条件下，多座建筑物合理配置一定数量的检修闸门共用，值得设计人员考虑。

4.5 埋件的材料

京石段弧形闸门埋件外露表面均为不锈钢材料，其他闸门的埋件外露表面（除止水座板和滑块摩擦面外）均为Q235B。埋件部位投资相对较小，且容易锈蚀，检修维护困难，从长远考虑，有条件时建议外露表面采用不锈钢板或复合不锈钢板。在南水北调中线后续的项目中，钢闸门埋件外露表面采用不锈钢板或复合不锈钢板被推广使用。

［1］SL74—95，水利水电工程钢闸门设计规范［S］.

［2］SL41—93，水利水电工程启闭机设计规范［S］.

［3］杨逢尧，魏文伟.水工金属结构［M］.北京：中国水利水电出版社，2005.

［4］河北省水利水电勘测设计研究院.南水北调中线京石段应急供水工程初步设计报告［R］.2004.