弧形闸门室封闭装置的设计与应用

于鹏辉，陈赫朋，胡 畔，邢 通，季艳茹

(黄河机械有限责任公司，河南 郑州 450006)

0 引言

南水北调中线总干渠全长1 432 km，全线共有64座节制闸[1]，其中某处节制闸采用弧形闸门液压启闭机，类型为露顶式闸门，弧门半径6.5 m，弧门顶部为矩形孔口，弧门开启状态下，顶部露出地面1.78 m，孔口两侧安装有锁定支座，在孔口四周有防护栏杆围护。

每到冬季，干渠水体流经闸室下方，水温较室温高，会产生较多的水汽，侵蚀闸室四周墙体，造成墙皮变黑、脱落，外观上不符合南水北调中线干线闸站标准化要求。此外，闸室内有电气控制柜和机电设备，水汽增加空气湿度，容易发生电气控制系统异常和机电设备故障现象。

对弧形闸门室建筑物结构进行分析，发现在弧门顶部孔口处安装封闭装置是防止水汽进入弧形闸门室最有效的措施。封闭装置本身必须耐水汽侵蚀，且密封性能良好，兼顾南水北调中线闸站标准化要求，封闭装置须外形美观，且不能阻挡查看弧形闸门设备状况。针对该问题，本文研制了一种封闭装置。

1 封闭装置设计

弧门露顶孔口尺寸较大，一般5～8 m，封闭装置结构强度必须满足大跨度使用要求，采用不锈钢拱形结构，在保证强度的同时减轻了自重。

考虑到闸站进出门大小，将封闭装置分割设计，由拱顶、侧墙和底座组成，如图1所示。多组拱顶顺水流方向并排布置，侧墙封闭两端留设检修门。底座分为上游端底座和下游端底座，分别承载拱顶两端支脚，阻止拱顶两端弦长尺寸扩大。

图1 封闭装置结构

封闭装置的拱顶和侧墙由不锈钢骨架和玻璃视窗结合的构造形式制作。不锈钢骨架采用100 mm×50 mm×3 mm的矩管型材制作，视窗采用5 mm+5 mm的无色夹胶玻璃制作。拱顶2个相同弧形主梁使用短连梁焊接形成一体，沿圆周方向分成8块相同窗口，在连梁两侧焊接窄挡板，玻璃弧面曲率与主梁一致，四周卡装U型顶泡密封条，将整块玻璃压装在窗口内，并贴紧挡板。玻璃视窗安装方式如图2所示。

图2 玻璃视窗安装方式

侧墙为竖立的片状结构，玻璃安装后打胶加固，侧墙检修门附近围栏切除改造，方便检修门开启。上游底座、下游底座采用不锈钢板条折弯制作，分别使用膨胀螺栓固定在交通桥和闸室墙上。

每组拱顶和侧墙上设计吊耳和连接法兰，使用室内桥式起重机吊装，组件就位后使用螺栓紧固连接法兰，相邻组件粘贴橡胶条密封条。钢结构全部安装固定后，安装玻璃视窗，最后处理缝隙。封闭装置三维模型如图3所示。

图3 封闭装置三维模型

2 封闭装置有限元静应力分析

拱顶和侧墙骨架为钢结构，选用06Cr19Ni10不锈钢材料，在室内正常使用状态下，主要受重力和地面支撑力作用。封闭装置属于分组装配式结构，分别建立拱顶，侧墙钢结构建立三维模型，并进行有限元静应力分析[2]，判断是否满足使用要求。

2.1 拱顶钢结构静应力分析

拱顶骨架重177 kg，夹胶玻璃窗及其他配件近似均布在骨架上，重209 kg，总重386 kg，进行有限元静应力分析，如图4所示，最大应力19.48 MPa，远远小于材料屈服强度206.8 MPa，满足强度要求。

如图5所示，材料最大变形1.25 mm，玻璃视窗与骨架之间密封顶泡压缩量为5 mm，骨架变形不会挤压玻璃碎裂，满足使用要求。

图4 拱顶骨架应力云图

图5 拱顶骨架变形云图

2.2 侧墙钢结构静应力分析

侧墙骨架重207 kg，夹胶玻璃窗及其他配件近似均布在骨架上，重208 kg，总重415 kg，进行有限元静应力分析。

如图6所示，最大应力39.42 MPa，远远小于材料屈服强度206.8 MPa满足强度要求；如图7所示，材料最大变形1.11 mm，玻璃视窗与骨架之间密封顶泡压缩量为5 mm，骨架变形不会挤压玻璃碎裂，满足使用要求。

3 封闭装置工程应用

南水北调中线工程某节制闸为双孔弧形闸门室，单个孔口长6 425 mm，宽5 600 mm，该处安装了2套封闭装置。单个封闭装置总重约2 835 kg，由5组拱顶和2组侧壁组成。

本设计充分考虑现场情况，将下游底座抬高350 mm，避开现有的监控设备，设计拱顶最高点距离地面2 250 mm，不影响闸门最大限度开启。封闭装置侧墙骑跨在弧门锁定支座上，使用毛刷遮挡，留足操作空间的同时，防止水汽外逸。闸站运维人员可以方便地通过观察窗看到闸门情况，将检修门处栏杆进行改造，也可以方便地打开检修门进入孔口检修闸门。相比之前使用彩条布覆盖孔口防止水汽外溢的方法(见图8)，封闭装置大大提高了安全性。封闭装置应用现场如图9所示。

图6 侧墙骨架应力云图

图7 侧墙骨架变形云图

图8 彩条布覆盖孔口

图9 封闭装置应用现场

4 结语

封闭装置经过一年半实际使用，证明具备以下功能和特点。

该装置有效阻挡了水汽外逸，杜绝了水汽侵蚀闸室建筑物的现象，解决了闸室内空气湿度增大造成机电设备故障的问题。封闭装置采用模块化设计理念，分组制作，便于运输、进场、安装，可以根据不同弧门闸室的情况量身定做，也可以根据不同的需求配装有色玻璃。

装置的安装过程仅用膨胀螺栓固定，无需对现有建筑物进行改造，也不会对现有建筑物主体造成损伤。主体使用06Cr19Ni10不锈钢制作，视窗由玻璃制作，密封条采用硅胶材质，均属耐腐蚀、无毒、卫生的材料，避免污染，阻挡水汽，杜绝对干渠水质产生有害影响。封闭装置骨架和视窗玻璃具有一定的强度，可以有效阻挡运维人员意外跌落，安全性高。不锈钢材料整体拉丝，焊缝打磨处理，封闭装置外形美观大气，符合南水北调闸站标准化建设的要求。

综上所述，封闭装置在南水北调中线闸站标准化建设起到重要作用，获得使用方的高度赞扬，具有广阔的应用前景。