底部驱动式横拉闸门的设计与应用

吴伟明

(浙江省水利水电勘测设计院,浙江 杭州 310002)

底部驱动式横拉闸门的设计与应用

吴伟明

(浙江省水利水电勘测设计院,浙江 杭州 310002)

闸门型式的创新可使水利工程进一步景观化.底部驱动式横拉闸门是一种将驱动装置集成设置于闸门下部的新型横拉闸门，闸门的行走轨道与门槽底槛平行布置于门底，闸门门顶以上无任何建筑物.该新型闸门与普通闸门相比不需要启闭排架，也不需要另外配置启闭设备，因此能够降低工程投资、利于景观美化，适用于大中型孔口跨度的口门旱闸，也促进了水利工程闸门布置型式的创新与进步.

横拉闸门；底部驱动；手电两动；景观；操作运行

传统的水利工程闸门较多地采用直升式闸门布置方式，一般都设有较高的排架和启闭机房，与周边的环境相比通常有突兀感.随着我国社会经济发展，水利工程建设需要与时俱进，保证使用功能的同时也要考虑美观性，需要因地制宜地设计一些新型的水利设施.

在一些沿江、环湖、环海地区经常有穿过防洪堤的交通道路，穿堤路口必须设闸门以保证防洪设施的连续性，这类闸的特点通常孔口跨度比较大、闸门高度比较小、景观要求高，甚至还有其它要求.传统的直升式闸门很难兼顾上述要求，底部驱动式横拉闸门就是在这种背景下产生的一种新型闸门.

1 工程概述

兰溪市府前路旱闸工程位于城市堤防右侧、府前路和滨江路交叉口.江滨路、府前路、防洪堤及浮桥的平面布置(见图1).

图1 工程原状布置图

江滨路和府前路均为城市主干道路，道路的路面高程为31.4 m；防洪堤按50年一遇防洪标准建设[1]，堤顶高程34.64 m，防洪堤外侧观景平台高程为31.4 m，兰江常水位23.0 m，10年一遇洪水位31.81 m，20年一遇设计洪水位32.45 m，50年一遇洪水位33.15 m；江心岛上建有大型公园，是市民重要的休闲娱乐场所，浮桥是通往江心岛屿公园的主要通道；市民前往观景平台或江心岛公园需从防洪堤顶绕行.

府前路旱闸工程的建设将防洪工程与河道景观融为一体，在满足防洪基本功能的前提下，可改善城区河道的生态环境，美化城市滨水空间的景观.本工程的新建能有效保障城区防洪安全、提升区域城市品味，闸门平时全开以满足府前路与观景平台间的通行，汛期根据兰江洪水预报及时关闭闸门以满足防洪要求[2].

2 闸门选型

府前路旱闸位于江滨路、府前路、浮桥的“十”字交叉路，是市民通往江心岛公园的主要通道，同时也是城市防洪封闭圈的组成部分[3].因此，府前路旱闸应符合以下要求：(1)闸门开启后，闸槽内自底槛以上无永久性建筑物，可以保证人、车行，并且从站在府前路上能远眺江心岛远景；(2)闸门关闭后止水严密、操作运行简单方便、少维修易保养；(3)闸与现有防洪堤能在景观上良好的融为一体.

根据工程总体布置要求，对平面钢闸门、翻板闸门、横拉闸门等多种进行分析，结合各种闸门的优点，发明一种新型的底部驱动式横拉闸门[4].通常闸门的操作是由启闭设备拖着走，底部驱动式横拉闸门则是将闸门与启闭行走集成于一体，使闸门布置紧凑、操作方便.

3 闸门设计

底部驱动式横拉闸门由门叶结构、水封装置、行走驱动装置、支承滑块、控制系统、门槽及门库组成，闸门布置(见图2).

3.1 主要技术参数

主要技术特性参数(见表1).

图2 闸门布置纵剖图

特性项目特性参数或类型孔口数量1孔孔口净宽20.0m孔口高度2.4m闸底高程31.40m设计水位33.15m闸门型式底部驱动式横拉闸门支承型式滑块支承行走支承底部滚轮启闭设备门底行走驱动装置

3.2 门叶结构

门叶结构为与平面滑动钢闸门相同的结构形式，由面板、主横梁、次横梁、纵梁、边梁等焊接面成，主横梁截面形式为工字形焊接组合结构，结构件主材Q235B[5].门叶结构的设计主要考虑两方面因素：

(1)载荷因素

常规平面闸门荷载以静水荷载为主，也考虑了风荷载、涌浪荷载等附加荷载，风荷载、涌浪荷载与静水荷载均通过门叶结构和支承装置传递与门槽埋件，计算时各荷载进行叠加[6].横拉闸门在关挡水时的承载计算与常规平面闸门相同，但在闸门关闭过程中风荷载不能通过支承传递于门槽理件，而是通过闸门自重的重力矩达到力矩平衡.

(2)结构因素

闸门门叶结构设计时，需考虑门叶内能够有足够的空间布置减速机、电动机、手动操作装置等机构的安装空间，并且也应保证人力操作和设备维护所必需的空间.此外也需考虑闸门行走驱动装置及行走限位装置安装接口.

府前路旱闸门采用双主梁结构，门叶厚度1.70 m，下主梁至门底0.45 m，两道主梁中心间距1.65 m，底部轨道间距1.3 m.

3.3 水封装置

闸门的水封装置由侧水封和底水封组成，为减少闸门运行时的摩阻力、减少橡皮的磨损量[7]，闸门水封设计的原则是：运行过程中水封与门槽底部埋件不接触、不影响闸门的运行；闸门完全关闭后再通过特殊装置使橡皮压紧，达到良好的止水效果.

3.4 行走驱动装置

闸门驱动装置采用与台车式移动式启闭机相同的方式，由机架、主动轮组、从动轮组、及手动操作机构等部分组成[8].其中主动轮组和手动操作机械是实现闸门运行的主要部件.

主动轮组主要部件有：三合一减速电机、开式齿轮副、传动轴、钢制滚轮等.根据计算静功率及输出转速选择减速电机型号，其配套的制动器有机械释放功能.主动轮组及从动轮组的轴承均采用圆锥滚子轴承，以减少传动摩阻力.开式齿轮模数M=4，传动比i=4.09，大齿轮材料45钢，小齿轮材料与轮轴相同采用40 Cr.滚轮踏面走私400 mm，轮缘两边设有凸缘可起到侧导向功能，滚轮材料ZG310—570.

闸门行走驱动装置手动操作机构有两部分：(1)为供电出现故障时手动应急操作闸门的机构，在减速电机输出轴与开式齿轮的连接轴安装两套方向互为相反的棘轮，通过前后摆动操作手柄(长为1 m)使闸门运行，根据计算摇摆手柄1次循环(50°)可驱动闸门行走36 mm，操作力约为200 N，运行速度和操作力均能满足实际需求.(2)为减少运行过程中水封摩阻力，设一套手动操作机构用以闸门运行过程中抬升门叶30 mm.

3.5 支承滑块

闸门关闭挡水时，水压力通过4只滑块传递至门槽埋件上，继而再由闸墩承担.横拉闸门的滑块面与闸门面板呈10°的倾角，减少闸门运行过程中的摩擦力，当闸门完全关闭时滑块与轨面才压紧.闸门滑块材料选用HT200，4只滑块均根据门槽结构尺寸进行配合设计.

3.6 控制系统

闸门操作控制为一般现地控制操作，主要控制操作点有“开启”、“关闭”、“停止”、“点动(开)”、“点动(关)”共5种模式，能满足闸门操作运行、检修维护要求；电动操作与手动操作相互闭锁，当闸门手动操作机构未离全时电动操作无法接通电源.

3.7 门槽

闸门门槽由主轨、反轨、底坎、底轨等组成，底轨采用轻轨、其余埋件均为Q235B焊接组构件.门槽的主轨工作面与门槽中心线面呈10°，与全关状态的闸门滑块工作面相贴合；左侧门槽主轨、反轨至门槽中心线的距离均略大于右侧(门库出口处)门槽主轨、反轨至门槽中心线的距离，确保闸门进出门库时不发生卡碰；底轨的结构采用铁路钢轨与公路平交处的处理方式，保证闸槽底板平时的交通平顺.

3.8 门库

闸门门库是平时闸门存放的场所，门库长21.0 m，宽3.6 m，高2.65 m，门底底部的沿轴线方向设有200 mm×200 mm集水坑.集水坑通过预埋管与市政排水系统相通.门库为闸门提供存放及一些常规检修维护的良好环境，同时通过外观设计，与观景平台、防洪堤共同组成一道风景.

4 闸门运行

府前路旱闸闸门平时停放于门库中，在闸门槽内布置有盆栽等可移动的装饰建筑，宽20 m的开敞闸槽使府前路、观景平台、浮桥三者形成直顺、平坦、美丽的步行休闲通道.在汛期根据防预报，提前做好关闭闸门的准备工作；当外江水位达到29.5 m(即水位低于底坎0.4 m)时关闭闸门抵挡洪水；洪峰过后，当水位下降至29.0 m且预报近期闸门无挡水要求，开启闸门入库，恢复通行.

4.1 闸门的关闭

4.1.1 闸门关闭前准备

(1)汛期前，对闸门所有设备进行一次检修维护，并进行电动和手动两种操作方式的试运行；在关闭闸门前再次对所有设备进行一次检查，确保闸门运行可靠.

(2)当外江水位达到9.0 m时应发布关闸警报，关进行巡检，确保观景平台及防洪堤外的市民在闸门关闭前全部撤离至城防圈内的安全区域.

(3)清理门槽范围内盆景等所有影响闸门运行的景观性建筑，清理门槽及底轨槽内的异物，确保闸门运行过程无卡阻.

4.1.2 闸门关闭操作步骤

(1)通过手动操作装置将闸门门体抬升30 mm，抬升后闸门底水封橡皮与底坎面脱离.

(2)按下“关闭”操作按钮，闸门开始关闭.当闸门到达全关位置时自动停止；若在闸门运行前或运行过程中出现电源中断，则关闭电源开关，同时使减速电机的制动器处于释放状态，然后通过手动操作机构进行关闭闸门至全关状态.

(3)通过手动操作将侧水封装置调整至工作位，达到设计预压缩状态.

(4)通过手动操作装置将闸门门体降低30 mm，闸门底缘与门槽底坎面压实，底水封橡皮达到设计压缩止水状态.

(5)检修闸门状态，闸门无异常后关闭电源.

4.2 闸门的开启

4.2.1 闸门开启前准备

(1)洪峰过后当水位下降至29.0 m，确认近期不再出现需要关闭闸门挡水.

(2)清理闸门底部的行走轮及轨道附近的杂物，清理门库内杂物并检查电缆等有无异常.

4.2.2 闸门关闭操作步骤

(1)通过手动操作装置将闸门门体抬升30 mm，抬升后闸门底水封橡皮与底坎面脱离.

(2)通过手动操作将侧水封装置调整至收缩位，确认侧水封在运行过程中与门槽不发生碰触.

(3)按下“开启”操作按钮，闸门开始开启，当闸门到达全开位置时自动停止；若在闸门运行前或运行过程中出现电源中断，则关闭电源开关，同时使减速电机的制动器处于释放状态，然后通过手动操作机构进行关闭闸门至开关状态.

(4)检修闸门状态，闸门无异常后关闭电源.

4.2.3 启闭时注意事项

(1)闸门关闭后应在周围设置明显的警示装置及路障，防止车辆对闸门的冲撞.

(2)挡水期间应实时对闸门门体状态、止水情况进行监视.

(3)闸门开启入库后，应将门库安全门关闭，保护设备及行人安全.

5 结 语

府前路旱闸因其特殊性，工程建设对使用功能、运行管理、景观都提出较高的要求，闸门门型的特殊需求，需要对工程安全性、经济合理性、操作可靠性、景观协调性、闸门开启时通行顺畅及检修维护方便等方面作综合分析比较.底部驱动横拉闸门是根据城市城防工程的需要发展出的一种新型闸门，该型闸门的操作设备的布置和结构设计在水利工程上均为创新使用，于2012年12月申请了实用新型专利，并于2013年7月获得授权，目前已在多达8个工程共10余座旱闸推广应用.随着我国社会经济发展，近些年来水利工程尤其是城市防洪工程对景观要求提出了更高的要求，今年在水利工程设计过程中必将出现更多的“私人定制”设施，让水利工程不但“实”而且“华”.

[1] 候云青，徐 慧.兰江枢纽梯级开发方案论证的必要性 [J].浙江水利水电专科学校学报，2012,24(1):13-15.

[2] 张 晴，刘旭辉，谢立华.新型直升式城市防洪闸及应用[J].浙江水利水电学院学报，2016,28(2):35-37.

[3] 宋燕萍，方 言.双扉式闸门在沿海河道水闸中的设计及应用[J].浙江水利水电专科学校学报，2012,24(3):16-18.

[4] 吴伟明，宋燕萍，谢立华.闸机一体式横拉闸门：中国，ZL2012 2 0735947.3[P].2012-12-27.

[5] 《水电站机电设计手册》编写组.金属结构(一)[M].北京：水利电力出版社，1988.

[6] 中华人民共和国水利部.SL74—2013水利水电工程钢闸门设计规范[S].北京：中国水利水电出版社，2013.

[7] 熊润娥，严根华.水工闸门止水结构动力特性与体型优化[J].振动、测试与诊断，2011,31(6):798-802.

[8] 中华人民共和国水利部.SL41—2011水利水电工程启闭机设计规范[S].北京：中国水利水电出版社，2011.

Design and Application of Bottom-driven Traversing Gate

WU Wei-ming

(Zhejiang Design Institute of Water Conservancy and Hydro-Electric Power, Hangzhou 310002, China)

The bottom-driven traversing gate is a new type of traversing gate which integrates the driving device in the lower part of the gate. The running track of the gate is parallel to the bottom sill of the gate and is located at the bottom of the gate. Compared with the common gate, this new model gate does not need hoist and bent. Therefore, it can reduce the engineering investment and beautify the landscape. It is also suitable for dry sluice with large or medium orifice width. This paper briefly introduces its design and operation.

traversing gate; bottom-driven; electric and manual operating; landscape; operation

TV663

A

1008-536X(2017)03-0020-04

2016-12-10

吴伟明(1982-)，男，浙江常山人，工程师，研究方向为水利工程金属结构设计.