弧形钢闸门改造设计要点浅论—以怀柔水库西溢洪道闸为例

2014-02-23丁峰关金良刘月刚

水利规划与设计 2014年9期

关键词：支臂轴套启闭机

丁峰关金良刘月刚

（北京市水利规划设计研究院北京 100048）

弧形钢闸门改造设计要点浅论—以怀柔水库西溢洪道闸为例

丁峰关金良刘月刚

（北京市水利规划设计研究院北京 100048）

弧形钢闸门是常见的闸门型式之一。近年来北京地区针对弧形钢闸门的改造设计工程较多，为梳理改造设计中的设计要点。本文以怀柔水库西溢洪道闸为例，详细阐述了弧形钢闸门改造设计过程中的主框架、支铰、止水和启闭机选型设计，经改造设计后的闸门系统运行状况良好，可为同类工程提供参考。

弧形钢闸门改造设计要点

引言

闸门是水工建筑物中重要的挡泄水设备之一。平面钢闸门、弧形钢闸门、人字闸门是最为常见的3种闸门型式。其中弧形钢闸门以其结构简单、启闭力较小、流态较好等突出优势而被广泛应用在水利工程中。以北京市的水利工程为例，弧形钢闸门的应用有20余处，但是这些闸门大部分修建较早，当初遵循的技术标准与现在有很大出入。近年来随着水利行业的飞速发展，较多数量的弧形钢闸门由于防洪标准的提高或因锈蚀严重导致的功能丧失等原因，不得不进行重新改造设计，因此有必要对弧形钢闸门这一类的闸型改造设计过程中的设计要点进行梳理。本文以怀柔水库西溢洪道闸为例，对其中的改造设计部分要点进行详细说明，从而为同类工程设计提供参考。

1 工程概况

怀柔水库西溢洪道闸建于1964年，防洪标准为百年设计，千年校核。闸室段全长750m，最大泄量Q=880m3/s（300年一遇洪水），闸门共设2孔，每孔净宽12m，闸门底槛高程56.0m，支铰高程60.0m，正常蓄水位62.0m；闸门型式采用露顶式斜支臂弧形钢闸门，设计水头6.0m，门高6.3m；闸门采用2×100kN固定卷扬式启闭机启闭。1991年水库防洪标准提高后，启闭机安装高程和闸门提升门底高程增加，西溢洪道最大泄量增至Q=1491m3/s（2000年一遇洪水），但闸门及启闭设备没有更新。怀柔水库西溢洪道闸室布置见图1。

图1 怀柔水库西溢洪道闸室布置图

怀柔水库西溢洪道闸自建成运行以来，一直对怀河下游的防洪安全及潮白河的削峰错峰发挥着重大作用。2002年12月水利部水工金属

结构质量检验中心对怀柔水库西溢洪道闸门及启闭机进行安全检测，主要检测结论如下：

（1）闸门支臂、面板、主梁、次梁等构件外观检测局部锈蚀严重。

（2）次梁、主梁、纵梁腹板等构件最小蚀余厚度小于6mm。

（3）闸门无损探伤检验中，闸门焊缝质量不合格，多处出现裂纹和超标缺陷。

（4）闸门材料大部分检测为沸腾钢，部分构件S含量超标。

（5）固定卷扬启闭机属淘汰机型，能耗高，效率低，性能差，启闭机缺少必要的自动控制性能。

检测报告表明，闸门需更换或补强的构件已超过30%，大修不经济且难以根除如焊缝内部缺陷等隐患，而且闸门使用年限远超过其折旧年限为20年，按照相关规范规定，闸门及埋件应报废更新。固定卷扬式启闭机应进行维修改造，更换电机，增设负载控制器、锁定装置、高度显示器及限位装置。

2 改造原则

现状启闭机房外观及使用功能良好，为节省投资，本次工程不予拆除。另外为确保怀柔水库的正常运行及安全度汛，最大限度压缩现场施工工期，争取汛前投入使用，西溢洪道闸闸门和埋件全部拆除进行更新改造，闸门固定铰座保留，启闭机更换。

3 改造设计要点

表1 闸门特性表

改造后工作闸门型式仍采用斜支臂弧形钢闸门，共2扇，闸门设计标准不变，孔口尺寸为12m×6.3m—6.0m（宽×高—设计水头）。

改造前闸门主体及埋件材料为旧标准材料A3，本次改造为全面提升闸门整体性能，主体材料选用Q345B，埋件主体材料为复合不锈钢板。闸门面板外缘半径7.5m，闸门重20t/扇，闸门埋件2.4t/扇，闸门运行方式为动水启闭。闸门特性参数见表1。

3.1 整体结构设计

由于闸门宽高比较大，闸门主框架采用双主横梁式结构。主梁形式采用实腹式组合梁，两主梁布置并未严格按照总水压力作用线对称布置，而是将上主梁稍偏离总水压力作用线一点，这主要考虑到门重对支臂的影响导致上支臂增载，下支臂受力减载的原因。总水压力作用线距底坎弧长2.2m，上、下支臂距离总水压力作用线分别为1.6m和1.4m。闸门结构布置图如图2所示：

图2 闸门结构布置图

图3 闸门门叶结构图

原闸门面板厚度为8mm，本次闸门面板设计经计算复核，8mm厚钢板满足设计要求，本次设计面板厚度不变。为加强闸门整体刚度，梁格布置采用复式布置，闸门梁格共布置2道主横梁，7道水平次梁，5道纵梁，2道边梁。闸门梁格连接型式采用齐平连接，水平次梁、纵梁和主梁

的上翼缘表面齐平，直接与闸门面板相连，有效保证闸门整体结构的稳定性。顶梁、底梁选用槽钢[28a，水平次梁选用槽钢[22a。水平次梁槽钢肢背和主梁腹板开排水孔排水以减轻闸门梁格积水腐蚀。边梁型式采用单腹板式，边梁腹板与面板焊接相连，边梁翼缘与主梁下翼缘焊接相连。边梁腹板上开孔，侧滑块通过螺栓连接固定在边梁上，起运行导向作用。侧滑块材料选用工程塑料MGA，侧滑块与边墙保留6mm间隙。闸门门叶结构图见图3。

3.2 主框架设计

图4 主梁截面图

图5 支臂截面图

主框架是弧形钢闸门主梁和支臂的统称。一方面主梁承担总水压力，另一方面大量事实表明支臂丧失稳定性可导致弧形闸门失事，而且有学者研究发现弧形钢闸门主框架对闸门体系可靠性贡献最大，贡献权重可达57.3%，因此弧形闸门主框架的设计尤为重要。斜支臂弧形闸门实腹式主横梁与支臂的单位刚度比K0应在3～7之间，K0采用以下公式计算，主框架截面见图3、图4。主框架截面特性计算参数及结果见表2。

式中，K0—为主梁与支臂线刚度比；

I1—主梁截面惯性矩，mm4；

b—主梁中间跨度，m；

I2—支臂截面惯性矩，mm4；

S—支臂长度，取铰轴中心到主梁截面形心距离，m。

表2 主框架截面特性计算表

3.3 支铰设计

支铰是弧形闸门的转动装置，常见形式有圆柱铰、圆锥铰和球铰。其中圆柱铰构造简单、制造安装方便，应用最为广泛。原闸门支铰型式为圆柱铰，本次改造支铰固定座不更换，活动座部分更换。原闸门活动座材料为ZG270-500，铰轴材料为45号钢，轴套材料为19CN5。改造设计中活动座材料选用ZG310-570，铰轴仍采用45号钢，轴表面镀铬增加钢材硬度和耐磨性。

轴套选用自润滑轴承，材料为工程塑料MGA。支铰组装时，在自润滑轴承内注入润滑剂，工作状态下，润滑剂在轴承表面形成润滑良好、牢固附着并均匀覆盖的润滑膜，大幅度降低摩擦损耗。随摩擦的进行，嵌入的固体润滑剂不断提供与轴承表面，从而保证长期运行时的良好润滑。轴套与轴间隙配合，轴套与活动座孔过渡配合。轴套工程塑料合金层具有吸振减振性，在闸

门启闭过程中能够降低振动破坏的可能性。

和改造前的轴套相比，自润滑轴承质量更轻，摩擦系数更低，性能更优。两者性能比较见表3。

表3 轴套材料性能比较表

3.4 止水设计

止水漏水会引起闸门自激振动，可能引发闸门运行的安全隐患。怀柔水库西溢洪道闸有全开和局开要求，尤其是在局部开启的状态下可能诱发水流的脉动压力。提高闸门止水预压缩量，可以提高闸门的低阶频率，从而避开水流脉动压力的频率范围，因此良好的止水设计有助于减轻闸门振动现象的发生。本次改造设计中，底止水采用条形橡胶止水，底止水下端切成45°破口，止水预压缩10mm。侧止水采用L型橡胶止水，止水预压缩4mm。侧止水与底止水接缝处，底止水部分切割，热胶严实以防止漏水。

3.5 启闭机选型设计

本次改造设计启闭机房不拆除，原启闭机基础承重梁不变，原吊物孔不做改动。这就要求选型的启闭机一方面重量不得大于原启闭机，另一方面又必须保证钢丝绳起吊时与原吊物孔周围板梁结构不发生干涉。经设计方、施工方、设备厂家等各方努力，新选型的启闭机满足既定要求。闸门启闭设备选用QH型弧门卷扬式启闭机，启门力为2×100kN，闸门依靠自重闭门。新启闭机主要技术参数见表4。