一种新型贝雷架钢闸门的设计及应用

2021-09-28黄亚栋毛成永

中国港湾建设 2021年9期

黄亚栋，毛成永

（1.湖北省交通规划设计院股份有限公司，湖北武汉 430051；2.湖北省襄阳市港航发展服务中心，湖北襄阳 441001）

0 引言

常规的临时挡水设施主要是钢闸门和围堰，其中钢闸门适用于各种水利项目，应用广泛。但有以下缺点：1）钢闸门采用全钢板焊接而成，结构重量比较重；2）钢闸门需要在工厂加工，运输和吊装过程非常繁琐，需要进行专项论证；3）采用的是全焊钢结构，制作成本大；4）临时闸门使用完毕后，后期拆卸费用高。拆卸完毕后，钢闸门不能做其他利用，浪费较多，不经济[1-3]。

围堰结构应用于临时挡水结构，应用也很广泛，但有以下缺点：1）工程量大，需要使用大量的土石方形成围堰结构；2）施工周期长，需要从合适的取土场地取土运到工程现场，取土工程量大；3）使用限制条件多，围堰结构对现场场地面积和地质均有要求；4）后期围堰拆除工程量大。

本文结合新沟二线船闸工程，创新性地提出一种贝雷架钢闸门，该闸门结构简单、使用方便、结构件采用租赁设备，既能有效解决钢闸门施工周期长、造价高等问题，又不需要围堰那么多的限制条件，后期拆除量小。

1 工程概况

新沟二线船闸位于汉北河河口——汉北河航道的咽喉，总投资约3.56亿元。本工程的开发任务是发展航运，以提高新沟船闸的通过能力，满足腹地经济发展的需要，为汉北河建成郁级航道打下基础。随着《国务院关于加快长江等内河水运发展的意见》出台，汉北河新沟二线船闸工程已纳入《湖北省公路水路交通运输发展“十二五”规划》。新沟二线船闸的建设，有利于加快腹地城镇化建设进程，是沿河区域经济发展和实现汉北水系航运规划目标航道升等提级的需要，是改善水路运输条件的当务之急，对于发挥汉北河航线在湖北航运体系中的作用具有重要的意义。

新沟二线船闸为郁级船闸，船闸受双向水头作用，正向设计水头6.62 m（汉北河侧水位—汉江侧水位），反向设计水头4.40 m（汉江侧水位—汉北河侧水位）。上、下闸首工作闸门为钢质弧形三角门，利用上闸首三角闸门进行挡洪[4]。

由于在施工期间作为挡洪闸门的上闸首三角闸门要在经历一个汛期后才能安装，而在三角闸门安装好之前的期间内，新沟二线船闸将无法挡水，如果不采取措施，将会造成严重后果：1）一旦汉江洪水来了，如果没有闸门挡水，汉北河侧孝感几十万人民将受洪水灾害。如果汉北河侧发生洪涝灾害，内河洪水如果不能及时排到汉江，汉北河侧人民将遭受内涝灾害。2）如果汉北河水位高，假如没有挡水闸门，汉北河的水资源会流失到汉江中，将会导致孝感境内抗旱形势严峻。因此在挡洪三角闸门安装好之前，需要先设置一个临时挡水闸门。船闸的总体布置如图1所示。

图1 船闸总体布置图Fig.1 General layout of ship lock

2 设计方案

2.1 设计工况

新沟二线船闸闸室宽度为16 m，底槛高程10.85 m，闸顶高程31.075 m，根据新沟闸历年防洪期最大水头差资料，本次设计中汉江水位取29.28 m，汉北河水位取24.97 m，水头差为4.31 m。闸门顶高程取30.70 m，闸门平面尺寸为16 m伊19.85 m（宽伊高）。

2.2 闸门结构组成

该闸门主要由面板系、主梁、纵向固定梁以及边梁组成。其中面板系由钢板面、横向分配梁以及纵向分配梁组成，横向分配梁分别与面板和纵向分配梁焊接固定。

闸门主梁结构采取单排贝雷架结构，从闸门底到闸门顶共设置33层贝雷架。贝雷架后面增加了33层工字钢作为水平斜支撑结构，斜支撑和主梁结构共同承受水压力。主梁一侧与面板系的纵向分配梁相连接，另一侧与纵向固定梁、边梁相连接。

为保证主梁上贝雷架在自重作用下的平面外稳定性，在贝雷架主梁的非面板系侧设置了纵向固定梁，纵向固定梁采用型钢结构。

该闸门的传力途径是面板系进行挡水，将水压力传递到横向分配梁，横向分配梁将水压力传递到纵向分配梁，纵向分配梁将水压力传递到主梁上，然后通过与贝雷架连接的边梁和斜支撑将水压力传递到水工结构的边墩上。贝雷架钢闸门结构总图如图2所示。其中面板采用10 mm厚的钢板，横向分配梁采用12.6的工字型钢，主梁结构采用321型加强型贝雷片，纵向固定梁、纵向分配梁和水平斜支撑采用25a的工字型钢，边梁采用双拼25a的工字型钢。

图2 贝雷架钢闸门结构总图Fig.2 General structure of Bailey steel gate

2.3 闸门的止水形式

传统钢闸门的止水形式分为柔性止水系统和刚性止水系统。

柔性止水是在钢闸门上安装止水橡胶带，通过水压力挤压止水橡胶带使钢闸门与支撑墙体紧密接触。但是在该项目中安装止水橡胶带时，需要在钢面板上钻600多个螺栓孔，安装600多个螺栓，安装工程量大，此外止水橡胶带需要在现场安装，安装空间小，不易操作。

刚性止水是在钢闸门上设置刚性支撑材料，通过水压力挤压直接使刚性支撑材料与支撑墙体紧密接触。由于现场支撑面为粗糙的混凝土凿毛表面，因此若采用刚性止水，则只能采取胶凝材料，使钢闸门与支撑面进行无缝接触，比如混凝土、沥青等，在该项目中，选用了工程现场比较丰富的混凝土材料作为刚性止水材料（图3）。采用该种止水方式的优点是：1）构造简单；2）不需要额外采购特殊产品，施工场地材料丰富；3）能够很好适应现场狭窄的止水安装空间。

图3 刚性止水安装模型图Fig.3 Installation model of rigid water stop

2.4 构件连接系统设计

构件连接系统主要是贝雷架结构与面板系结构和纵向固定梁结构的连接方式。目前钢结构工程的连接方式主要采用焊接和螺栓连接2种方式，如果采用最为常用的焊接形式有以下缺点：1）对租赁的贝雷架造成损害，易产生索赔；2）在临时闸门挡水结束后，拆卸复杂，需要对焊接焊缝进行火焰切割；3）对贝雷架安装精度要求高，如果贝雷架主梁和面板系以及纵向固定梁之间的安装间隙过大时，将会影响安装质量。

针对焊接结构的以上缺点，本次设计中，将贝雷架主梁与面板系以及纵向固定梁之间采用骑马螺栓连接。采用这种连接方式具有不会对租赁的贝雷架造成损害，拆卸方便，对贝雷架结构安装精度要求不高等优点。构件的骑马螺栓连接如图4所示。

图4 骑马螺栓连接构件Fig.4 Connecting components of riding bolt

3 闸门结构有限元计算模型

本文利用有限元分析软件MIDAS对闸门结构进行有限元计算，为了准确、真实地反映出闸门的工作情况，选用空间梁单元和板壳单元来模拟闸门各构件[5-7]。坐标系选择为：x轴垂直于闸室方向，y轴指向下游，z轴竖直向上。

根据新沟闸历年防洪期最大水头差资料，本次设计中汉江水位取29.28 m，汉北河水位取24.97 m，水头差4.31 m。

由静力学分析可知，主梁最大折算应力为179.4 MPa，出现在主梁跨中部位，小于材料的允许应力值310 MPa；主梁最大变形为11.0 mm，出现在主梁跨中部位，小于结构的允许变形值28.9 mm[8]。

4 效益分析

4.1 经济效益

该贝雷架钢闸门主要结构采用租赁贝雷架组装而成，贝雷架总重90.04 t，占闸门总重151.7 t的59.35%，这部分的材料只需要支付租赁费和安装费，安装方便，闸门的工程预算为185万元，工程造价节约135万元，产生了良好的经济效益。

4.2 社会效益

该贝雷架钢闸门投入运行后，产生了以下社会效益：1）贝雷架钢闸门使新沟二线船闸安全度过了洪水期，带来了良好的社会效益；2）采用该贝雷架钢闸门改善了工作人员的劳动条件，降低了劳动强度，减少了工程施工对环境造成的噪音和大气污染；3）贝雷架钢闸门是在工地现场利用贝雷架现场拼装，不需要将大型的闸门钢结构通过货车运到工程现场，保障了公共交通的安全；4）贝雷架钢闸门在使用后能够拆除重复利用，极大地节约了公共资源。