关于底铰式钢闸门中墩设备室优化方案的研究

黄建红，罗 希

(1. 江苏科兴项目管理有限公司，江苏 南京 210029；2. 中工武大设计研究有限公司，湖北 武汉 420072)

底铰式钢闸门相对于传统橡胶坝和翻板坝优势较多，近几年成为景观河道较为常见的低水头挡水建筑物[1]，但对于较宽的河道，钢坝的中墩设备室在结构和景观上的弊端则表现得尤为明显。

本文结合工程实例，在分析中墩设备室对工程的不利影响为基础，提出了几种优化中墩设备室可行的设计方案，并对各方案的优缺点进行分析比较，确定了最优的解决方案。

1 中墩设备室的作用和对工程的不利影响

1.1 中墩设备室的结构布置和作用

底铰式钢闸门的翻转主要通过液压设备控制门叶的底横轴来实现。由于底横轴的截面尺寸主要受钢闸门高度H和跨度B影响[2]，当河宽较大时，若钢闸门选取较大的跨度B，则会造成底横轴外径D较大，增加钢材用量，同时也会加大不均匀沉降对底横轴结构安全的影响[3]，引起安全隐患。因此对于较宽的河道，一般将钢闸坝分为若干跨，每跨之间采用中墩设备室相隔，设备室内顺水流方向平行布置2台液压启闭机。中墩设备室主要有以下两个方面的作用：

1)保证液压设备在水中安全稳定运行，方便检修管理；

2)设备室两侧设大理石贴面，是钢闸门侧止水的主要接触面。

以某3 m高底铰式钢闸门工程为例，中墩设备室平面具体布置如图1所示，纵剖面图如图2所示。

1.2 中墩设备室对工程的不利影响

中墩设备室的主要弊端表现以下三个方面。

1)防洪安全。由于中墩设备室内平行布置2台液压启闭设备，考虑设备安装和检修的要求，中墩设备室净宽尺寸约为7.0～7.5 m，在汛期会产生阻洪，雍高水位[4]。

图1 钢坝平面布置图

图2 中墩设备室纵剖面图

2)结构安全。由于中墩设备室内液压设备和底横轴支座安装高程相差约2.0 m，致使中墩设备室底板厚度相对闸室段底板较厚，易产生不均匀沉降影响工程安全，增加设计难度，同时其底板混凝土用量较大，增加工程投资。

3)景观效果。为最大程度的利用雍高的水体遮挡，在布置上中墩设备室一般靠上游布置，但由于液压设备运行对高度和长度空间的限制，造成中墩设备室体型大，出露水面多，影响景观效果。

随着底铰式钢闸门在城市河道景观工程中的推广运用，中墩设备室产生的不利影响对该低水头坝型发展的限制愈发明显，因此对中墩设备室的布置方案进行优化是十分必要的。

2 中墩设备室的布置优化方案

2.1 方案优化的主要原则

中墩设备室的布置优化方案应建立在符合工程实际情况，合理可行的前提下，主要应把握以下两个方面的原则。

1)保证安全的原则。根据国内已建底铰式钢闸门项目的运行上来看，目前的结构形式、驱动方式能较好的保证工程安全稳定的运行，因此优化方案应不以降低工程运行管理安全为前提，仅以现有的结构形式、驱动方式为基础进行局部调整。

2)经济适用的原则。优化布置应从不增加施工难度等方面进行考虑，以不增加或略微增加工程投资为基础，同时注重方案的合理性和可操作性。

2.2 方案优化的主要思路

根据以上原则，中墩设备室的布置优化思路主要有以下两点。

1)保留中墩设备室。考虑到中墩设备室可起到保护启闭设备、方便管理检修和止水布置等作用，且对于较宽河道，在设备室阻洪影响有限的前提下，为保持现有的结构形式、驱动方式，可保留中墩设备室。但是，类似目前出现的液压升降坝，将液压设备设置于闸门底板下，尽管提高了景观效果，但给设备的维护检修造成了较大的麻烦，这种方式是不可取的。

2)最大程度地降低中墩设备室的顶高程。中墩设备室的顶部高程主要受以下两个方面的因素决定：①钢闸门挡水高度，由于设备室要联合钢闸门同时挡水，且为保证钢闸门侧止水的布置，设备室在钢闸门活动的区间内，顶高程不得低于钢闸门的挡水高度。②拐臂和液压设备的运动范围，设备室顶板高程的设置应根据拐臂和液压设备的运动范围留有一定的净空，并满足设备安装的要求，理论上拐臂长度越小，顶板高程就可以设置的越低，但驱动钢闸门时，力臂也越小，液压设备容量需求就越大；反之，拐臂长度越大，液压设备容量需求就越小，顶板高程越高，同时由于液压行程的增大，设备室顺水流长度也增大。因此为使中墩设备室的顶高程最低，目前一般取拐臂长度近似钢闸门高度。

因此根据中墩设备室现阶段的布置形式，应考虑在不减少力臂的条件下，降低液压设备的布置高程。

3)中墩设备室的布置方向。现阶段的设计将中墩设备室布置在上游侧，从而利用上游水体将中墩设备室遮盖，但是由于中墩设备室体积较大，下游水位较低，容易造成下游侧中墩设备室大面积露出水面，另一方面，由于液压设备也相应布置在钢闸门的上游测，采用拉力驱动以实现钢闸门翻转，而一般情况下由于液压设备拉力较推力小，降低了液压设备使用性能，因此可考虑在降低液压设备的布置高程的前提下，将中墩设备室向下游侧布置，以便液压设备的出力形式变化为推力，可在保证美观的同时，更好地发挥驱动作用。

2.3 方案优化设计

1)中墩设备室的布置形式。中墩设备室布置在钢闸门靠下游侧，驱动布置形式类似原设计，将液压启闭设备的固定支座移至液压缸末端，高程与拐臂支座同高，并根据液压设备的运动范围，相应降低下游侧设备室顶板高程，纵剖面图如图3所示。

2)液压设备额定容量的确定。由于底铰式钢闸门在运行时，钢闸门受力及其转化到底横轴上的内力如图4所示[4]。

图3 中墩设备室优化方案纵剖面图

图4 钢闸门受力图及底横轴内力简化图

根据钢闸门结构的受力特点，可将底横轴所受外力简化为单位长度扭矩(Mn)和均布荷载(q)，其中均布荷载(q)为作用在底横轴单位长度总水平荷载(∑F)和总竖向荷载(∑G)的合力[5]。

由于∑G和∑F传导至横轴铰支座，而扭矩(Mn)通过底横轴传到传动室内，因此，若假设扭矩与液压杆相对底横轴力臂值为L，则传动室内的液压设备额定驱动容量F>Mn/L。

3)拐臂初始角度的确定。根据方案布置，拐臂相对水平方向的初始角度θ是影响液压设备运动范围、驱动力臂和液压杆行程的主要因素，则以3.5 m底铰式钢闸门为例，分别计算不同拐臂初始角度θ，可得液压杆在钢闸门在启动状态和挡水状态下的力臂，以及液压杆的行程，将计算结果与原设计值相比较，如表1所示。

表1 驱动力臂及液压杆形成计算表

由表1中数据可知，若采取该布置形式，得到以下结论：①在最不利工况(挡水工况)下，液压杆力臂均大于原设计值，且液压杆行程也相应减少，均优于原设计；②经过计算3.5 m底铰式钢闸门底轴的扭矩如图5所示，图5中闸门转角α为0°和90°时对应的纵坐标值分别为挡水工况，启动工况时底横轴单位长度的扭矩值。

图5 钢闸门受力图及底横轴内力简化图

由计算可知，在启动状态下，底轴所承受的扭矩约为挡水工况1/4，因此，要满足液压设备在启动状态的推力值不大于设备额定驱动容量F，以保证设备的安全运行，其液压杆的力臂不应小于挡水工况下液压杆力臂的1/4，即在该布置型式下，初始角度α最适宜范围为10°～15°之间。

2.4 优化的相比与原方案的优劣

1)土建工程明显下降，以3.5 m高底铰式钢闸门中墩设备室为例，原设计混凝土用量约389.2 m3，钢筋用量约32.67 t，对布置形式优化后，混凝土用量为240.6 m3，钢筋用量约24.92 t，混凝土及钢筋用量分别降低约38.2%和23.7%。

2)工程结构进一步优化，消除了中墩设备室原设计中局部段底板较厚，易产生不均匀沉降的影响，提高工程安全性。

3)该布置使液压设备在最不利工况的力臂大于原设计，且行程更小，同时，由于设备室向下游布置，液压设备运行时液压杆受推力，运行工况改善。

4)景观面貌可得到一定改善，中墩设备室顶板露出水面的结构面积缩小为原设计的30%以下，但中墩结构露出水面的问题仍未能完全解决。

3 结 语

1)对底铰式钢闸门现有中墩设备室的布置形式及对工程的不利影响进行的分析表明，其不利影响包括防洪安全、结构安全和景观效果等方面。

2)通过分析确定中墩设备室优化的主要原则和思路，即在保证安全、经济适用的原则下，通过调整设备室的布置型式和驱动方式等方法进行优化。

3)提出了一种对现有结构无较大影响的优化方案，经分析，可缩减土建结构造价、提升建筑稳定、改善液压设备运行、提高工程景观效果等作用，同时也为同类低水头闸门的设计提供了一种可行且有效的思路。