升卧式平面钢闸门在安徽省怀洪新河工程中的应用

余百友

(安徽省水利规划办公室， 安徽 合肥　230022)



升卧式平面钢闸门在安徽省怀洪新河工程中的应用

余百友

(安徽省水利规划办公室， 安徽 合肥230022)

升卧式平面钢闸门关闭挡水时呈直立状态，完全开启后平卧于闸墩顶部，兼具平面直升式闸门和弧形闸门的优点。作为一种颇具特色的闸门型式，与其他闸门的最大区别在于其独特的门槽轨道线型。本文结合工程实践，介绍了升卧式闸门的特点，对其轨道线型和几何尺寸的确定予以分析和研究。

升卧式钢闸门； 轨道线型； 几何尺寸； 特点

1　概　述

闸门是水工建筑物的重要组成部分，尤其是在水闸工程中所占投资比重较大，其闸门型式的选取，直接关系到水闸的结构型式和经济合理性。水利水电工程建设中，常用的闸门型式有平面直升式闸门和弧形闸门，它们有着各自的优点和不足。升卧式闸门是在工程建设实践中研制出的一种新型闸门，克服了平面直升式闸门和弧形闸门的不足，汲取了两者的优点，技术成熟，在各地水利工程建设中得到广泛应用，成为水闸的主要门型之一。目前，国内建成的升卧式闸门最大宽度接近20m。

2　升卧式闸门的特点

升卧式闸门是一种颇具特色的闸门型式，与传统的闸门相比，具有以下特点：

a.闸门挡水时呈直立状态，完全开启后呈水平状态，平卧于闸墩顶部。

b.门槽轨道线形：反轨为铅直线，主轨由铅直段接圆弧段、再接一定仰角的斜坡段线形组成。门槽的宽度：下部铅直段比主轮直径宽2～5cm，从圆弧段开端向上，门槽宽度逐渐加大，至上端最大宽度取闸门两只主轮外缘的距离加5cm左右富裕度为宜，既保证闸门能平卧又不致因空隙过大而左右晃动。

c.门叶不能伸入两侧门槽内，即门叶宽度要略小于闸孔净宽，每侧保留3～4cm间隙，以使闸门能在闸孔内灵活转动。

d.闸门的支承采用悬臂式主轮，每侧布置两只，仅此4只悬臂式主轮伸入闸墩的门槽内，并使上、下主轮的运行轨迹不同，以达到升卧的要求。

e.侧止水装置不布置在门槽内，而布置在面板两侧，靠与闸墩表面的导轨预压封水。

f.吊点布置在闸门上游侧或下游侧的面板下部，以保证闸门在启升中门顶向下游或上游转动。同时，将吊点向上游或下游伸出面板一段距离，其作用：ⓐ预留启闭机动滑轮组的安装空间；ⓑ使启门力作用线与闸门重心线有一个偏心距，保证在闸门开启上升过程中，无论是否受到水压力，都能产生一个向上游或下游的转动力矩。

3　升卧式闸门的优点和存在的问题

3.1优点

与直升式闸门相比，升卧式闸门能显著降低启闭机台排架高度，提高水工建筑物的抗震能力，尤其对地震设防烈度较高的地区，有很大优势。同时，其侧封水不伸入门槽内，门叶的宽度比直升式闸门要小、闸墩厚度较薄，减小工程量，降低了工程造价。

弧形闸门要求闸墩较长，闸门承受的全部水压力集中于闸墩上部的牛腿上，闸墩受力条件不好，闸门制作、安装较复杂。与弧形闸门相比，升卧式闸门能显著缩短闸墩长度，闸墩受力条件好，闸门制作、安装较简单。

3.2存在的主要问题

a.向下游侧转动的升卧式闸门吊点需布置在上游侧面板下部，闸门关闭挡水后，启闭机的动滑轮组和钢丝绳长期浸泡在水中，容易锈蚀，缩短了动滑轮组和钢丝绳的使用寿命。

b.向上游侧转动的升卧式闸门，在小开度时与水压力产生的转动方向相反，不利于闸门转动，故要求较大的启门力，且闸门平卧后面板朝下，不方便除锈涂漆。

4　工程实例

4.1工程概况

安徽省怀洪新河新胡洼闸枢纽工程位于固镇县境内,澥河入澥河洼的河口处,距固镇县新马桥镇6km。胡洼闸枢纽工程包括新胡洼闸工程与老胡洼闸改建工程。其中新胡洼闸按淮河百年一遇洪水分洪时过闸流量2000m3/s设计，相应闸上、闸下水位分别为20.07m和19.87m；闸上、闸下防洪水位分别为16.87m和18.97m；闸上、闸下蓄水位分别为18.37m和12.87m。水闸共11孔，每孔净宽10m，闸底槛高程12.87m；门叶尺寸(宽×高)9.96m×6.4m。工程位于7度地震区。经方案比选新胡洼闸闸门采用升卧式平面钢闸门。

4.2门叶结构

升卧式平面钢闸门的门叶结构与普通平面定轮门的受力传力模式基本一致，都是通过面板将水压力依次传给次梁、纵梁、主横梁，再由主横梁传给边梁，最后由边梁传给四个悬臂式滚轮，滚轮再将作用力传递给混凝土闸墩。不同的是门叶宽度必须要小于孔口宽度，每侧宜各留20～40mm空隙，侧封水必须布置在门槽外，且必须控制侧封水的安装精度，以保证其与轨道上侧封水座之间有一定的预压缩量。

新胡洼闸工作闸门孔口尺寸为10.0m×6.4m(宽×高),底槛高程12.87m,门顶高程19.27m。闸门为面板梁系结构,尺寸为9.96m×6.4m(宽×高)，比闸孔净宽小40mm，每侧各预留20mm的空隙，保证门叶在闸孔内灵活转动。面板厚度10mm。梁系同层布置,设置实腹式双主横梁,等荷载布置,受力明确，制作简单，且能充分发挥材料性能，使造价最低。主横梁焊接工字形截面，采用变截面，跨中部梁高900mm,两端渐变减小为550mm；次横梁采用槽型钢梁，共5根；门叶顶部设置一根焊接成型的顶横梁；纵梁共5根，为焊接工字形截面，与主横梁同高；边梁采用焊接“Π”字型截面，高度为550mm。

4.3门槽轨道线型

升卧式闸门与其他闸门最大的区别在于其独特的轨道型式。轨道线型的特征参数主要包括轨道铅直段长度S、弧轨半径R、弧轨长度及起弧点的高度Z值(闸门在关闭状态时，上主轮中心至起弧点的距离)等，其关系到升卧式闸门在开启中开始出现倾斜时的开度大小、启闭机平台高度、闸门上主轮行至弧轨段时是否出现自动上滑以及闭门时在弧轨段是否出现不能靠自重闭门等问题。因此，轨道直升段长度S、弧轨半径R及起弧点的高度Z值的确定至关重要。S、R与Z值太大，将增加启闭机平台高度，不能充分发挥升卧式闸门的优势；太小则可能导致闸门在启闭过程出现自动上滑或卡阻现象。

升卧式闸门分向上游转动和向下游转动两种情况，以下主要针对闸门向下游转动情况进行分析。

根据有关文献，对往下游侧转动的升卧式闸门，S、R的值一般先按S≥0.8H，R≥0.2H(H为挡水高度，取6.1m)的经验数值选用，然后计算启闭力对其进行复核。据此计算得出S≥4.88m,R≥1.22m。

另外，考虑到新胡洼闸需要控制闸门小开度泄洪(闸门小开度控泄)，此时上主滚轮若运行至弧轨段，闸门呈倾斜状，则泄洪流态不好，可能引起闸门震动。因此，在小开度控泄时，闸门宜保持在轨道铅直段运行。

根据控泄流量大小，经计算分析，闸门小流量控泄开度在0～2.6m范围，则起弧点的高度Z≥2.6m。上主滚轮中心至闸底坎的距离为3.31m，故满足该要求的S≥2.6+3.31=5.91m。综合以上因素，确定S=6.06m,R=1.4m。

轨道最高点高程按闸门平卧后底部高出泄洪水位不小于0.3m确定，取21.02m。最高点确定后，向圆弧段作切线，计算出弧轨段圆心角为69°。至此，轨道各段线型均已确定，见图1。

图1　闸门轨道线型(单位：m)

4.4门槽弧轨几何尺寸验算

拟定的门槽弧轨线型和几何尺寸是否满足运行要求，即闸门关闭过程中，当上主轮运行至弧轨时，能否靠自重下降；开启时，当上主轮运行至弧轨时，是否会自行上滑，需要进行验算。验算方法是分别计算闸门在开启和关闭时的启闭机持住力，持住力大于零时，满足运行要求，门槽几何尺寸合适；持住力小于零时，不满足运行要求，需要重新确定门槽轨道线型和几何尺寸，再核算，直到满足为止。

延长上、下主轮轨道反力作用线，设其交点为O点，先计算出闸门自重G、水压力P、止水摩擦力F等力和O点到各力的力臂g、p、f，以及持住力的力臂d，利用∑Mo=0为条件求持住力D。公式如下：

式中，闸门开启时，F前取“+”,闸门关闭时，F前取“-”； 其中F、f、P、p、g和d的值，均是闸门开启度和φ角(上主轮轴心和弧轨圆心连线与水平线的夹角)的函数，即随φ角大小而变化。具体计算时，取不同的φ角值，如5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°等分别计算出对应的F、f、P、p、g、d和D值。

根据计算结果，绘制出D-φ函数图，见图2。

图2　D-φ函数关系

从图2可以看出，闸门开启和关闭过程中，启闭机持住力均大于零，即闸门在弧轨段运行时，能靠自重关闭，且在开启时又不会自行上滑。所以确定的弧轨尺寸S=6.06m,R=1.4m是合适的。

4.5启闭机平台高程的确定

启闭机平台高程应满足：ⓐ闸门全开时，吊点轴中心至平台桥底的距离应满足所选用启闭机规定的最小尺寸要求；ⓑ闸门在开启和关闭过程中，门叶上缘侧封水顶部不能触碰平台桥下游梁及桥面板下游边缘。建立以闸底板线为x轴、门槽上轨线为z轴、两线交点为原点的直角坐标系，可以列出门顶上游边缘A点的轨迹方程，绘制出A点的轨迹线。考虑一定的安全超高值，综合确定出启闭机平台高程。该工程确定启闭机平台高程为25.57m，详见图1。

5　结　语

与平面直升闸门和弧形闸相比，升卧式闸门在降低启闭机平台排架高度和提高水工建筑物抗震能力等方面具有明显优势，在各地水利工程建设中将越来越多地被采用。方案设计中应根据各工程的具体情况和特点，合理确定闸门轨道线型和几何尺寸等设计参数，保证闸门安全正常运行。

Application of lift horizontal plane steel gate in Anhui Huaihongxin River Project

YU Baiyou

(Anhui Water Resources Planning Office, Hefei 230022, China)

Lift horizontal plane steel gate is in vertical state when it is closed for blocking water. It is horizontal to the top of gate pier after it is completely opened. It has advantages of plane vertical lift gate and arc gate. It biggest difference from other gates lies in its gate slot rail line type as a kind of characteristic gate type. In the paper, engineering practice is combined for introducing the characteristics of lift horizontal gate. Its rail line type and geometry determination are analyzed and studied.

lift horizontal steel gate; rail line type; geometry; characteristics

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2016.08.016

TV663+.9

B

1005- 4774(2016)08- 0066- 03