汾河流域生态修复汾河新二坝工程人字闸门的设计与改进

赵瑞花

（山西省水利水电勘测设计研究院有限公司 山西太原 030024）

1 概况

汾河流域生态修复汾河新二坝工程（简称汾河新二坝工程）位于太原市小店区刘家堡乡刘家堡汾河大桥上游550 m 处，汾河太原段综合治理三期工程的汾河干流上。汾河新二坝工程金属结构主要由壅水闸和通航船闸两部分组成。其中，通航船闸的设计是此次工程的重点，也是难点。船闸对汾河新二坝工程通航事业的发展起着举足轻重的作用。

汾河新二坝工程船闸包括上闸首（翻板式工作闸门和检修闸门）、下闸首（人字闸工作闸门和检修闸门）和廊道（充泄水工作闸门、进口检修闸门、进口拦污栅和系船柱）几部分。船闸下闸首工作闸门采用的型式是人字闸门，其结构复杂，运行频繁，要求运转灵活、可靠、摩阻力小，因此对其设计要求更加严格，精度要求也更高。

2 船闸运行原理

当船舶自上而下行驶时，可按照以下步骤进行操作：1）开启廊道充水闸门，开始向闸室充水；2）待闸室水位与上游水位保持齐平时，打开上闸首翻板闸门，船舶平稳地驶入闸室；3）关闭上闸首翻板闸门，同时开启廊道泄水闸门，闸室开始泄水；4）待闸室水位与下游水位保持齐平时，开启下闸首人字闸门，船舶平稳地驶出闸室。当船舶自下而上行驶时，操作程序与此相反。

3 人字闸门设计原理

人字闸门由两个门扇组成，两门扇在液压启闭机的作用下绕顶枢和底枢构成的旋转轴完成启闭运转。关门时，两门扇拱向上游成135°夹角，起三铰拱的作用，可将闸门承受的水压力通过面板、次梁、主梁、支枕垫传递到闸首边墩。开门时，三铰拱的作用消失，闸门转动到两侧闸首边墩门龛内。

4 人字闸门的设计

汾河新二坝工程人字闸门：数量1 孔，孔宽9 m，设计水头5.6 m，闸底高程764.25 m。

人字闸门是船闸设计的主要型式，由两个门扇平面布置成人字形，中间接缝角度为135°。其结构组成主要包括：门体、止水、顶枢、底枢、支枕、导卡、背拉杆、锁定、吊耳和启闭设备等几部分。其中最主要的部件是：门体、止水、顶枢、底枢和支枕。

1）门体设计：主梁是门体的主要组成构件，也是连接其它部件的重要纽带。不但顶枢底座与顶主梁腹板采用螺栓紧密连接，而且启闭机连接轴垫板也通过螺栓与顶主梁腹板固定在一起，以便于闸门能灵活地随启闭机液压杆的伸缩做开启或关闭运动。底主梁腹板与底枢的轴承巢采用螺栓配套连接，有利于整扇门体牢固地支承在底枢上，使人字闸门运转更加安全、可靠。主梁腹板与顶枢、底枢的所有连接螺栓孔要求必须配钻，以保证顶枢与底枢的同轴度Φ0.5。

主梁在整扇门体中起着框架的作用，是门体的主要受力构件。闸门承受的水压力通过面板和次梁传递给主梁，主梁再利用三铰拱的反力把水压力传递给支枕垫，最后传递到闸首边墩。

2）止水设计：止水效果是否严密是决定闸门设计成功与否的关键。人字闸门结构复杂，其止水结构也相对其它型式的闸门复杂的多。主要包括：侧止水、底止水、底侧转角止水、底中间转角止水和中间止水。侧止水、底止水和底侧转角止水均采用圆头P 型橡皮；底中间转角止水采用方头P 型橡皮；中间止水采用L1-100 型外R 直角橡皮。在中间止水橡皮的上游侧设置通长的MC 尼龙止水垫块。对称止水垫块接触面的一侧开一个大楔形槽，嵌入楔形橡皮条的大头；另一侧开一个小楔形槽，闭门时可嵌入橡皮条的小头。

底中间转角止水橡皮采用方头P 型橡皮主要是为了与中间止水下面的橡皮垫块严密配合，达到良好的止水效果。中间止水采用L1-100 型外R 直角橡皮，可实现人字闸门的两门扇在水压力的作用下关闭时，中间止水的两橡皮头相互挤压，严密止水。对称止水垫块与主梁端板间均留有20 mm 间隙，通过填充环氧填料调整止水垫块的位置，使止水垫块一侧的楔形橡皮条的小头与止水垫块另一侧的楔形槽在闸门关闭时严密契合，起到双层止水的作用。

3）顶枢设计：顶枢是人字闸门设计中非常重要的一个构件。顶枢的一端通过顶枢底座与门体顶主梁腹板连接，另一端通过拉杆与闸首边墩预埋的顶枢埋件相连。顶枢设置两根拉杆，方向分别与门扇全开或全关时作用在顶枢上的反力方向接近，一般两根拉杆的夹角Φ=60°～80°。

顶枢起着支持整个门扇重量和保证门扇绕顶枢颈轴启闭旋转的作用。作用在顶枢上的反力通过拉杆、预埋件传递给闸首边墩。顶枢拉杆中间设置一节活节螺栓，通过调节活节螺栓可以调整拉杆的长度，以保证门扇的垂直度，使拉杆受力均衡，不会发生弯曲、变形。

4）底枢设计：底枢是人字闸门中结构最复杂、加工精度要求最高的构件。底枢结构设计的合理与否直接影响人字闸门运转的灵活性与可靠性。底枢上面轴承巢的上侧用螺栓固定在底主梁腹板上，外侧与支垫座通过螺栓配套连接。底枢下面的固定底座则用地脚螺栓固定在底枢埋件上。轴承巢与固定底座之间连接有轴瓦和蘑菇轴头。轴瓦和蘑菇轴头之间留有1 mm 的转动间隙，安装时要严格控制二者与底枢中心线垂直度在0.05 mm 内。

底枢对整扇门体起着支承和绕蘑菇轴头启闭旋转的作用。底枢将整扇门体的重量传递给闸首底板，大幅地减轻了顶枢拉杆的受力。蘑菇轴头安装在固定底座内，可以通过调节之间的垫板厚度来调整蘑菇轴头的定位高程，有助于准确定位闸门各部件的位置，使闸门的启闭运转更加灵活、可靠。

5）支枕设计：支枕包括支垫座、枕垫座、支垫块和枕垫块，是人字闸门的主要侧向支承和传力构件。支垫座的底座用螺栓固定在主梁端板上，枕垫座的底座用螺栓固定在闸首边墩。每一组支垫座和枕垫座的安装位置都两两相对，与连接主梁保持同一高程。支垫块安装在支垫座的凹槽内，承压面采用弧形面；枕垫块安装在枕垫座的凹槽内，承压面采用平面。支垫块与支垫座之间，枕垫块与枕垫座之间均留有10 mm 的调整间隙，用来填充环氧填料，以保证支垫块与枕垫块紧密接触，满足设计要求。

支枕在人字闸门关闭挡水时起着侧向支承的作用，同时把主梁通过三铰拱作用产生的主梁反力传递给闸首边墩，可减小主梁所受的侧向压力，增加主梁的侧向稳定性。

5 人字闸门设计不足与改进措施

5.1 止水

1）设计不足：（1）人字闸门的止水结构设计比较复杂，分节较多，导致安装时存在止水与止水之间衔接不严密，容易发生漏水等问题。（2）中间止水中起双层止水作用的止水垫块，一侧的楔形橡皮条是用胶粘在楔形槽内的，开启闸门时，楔形橡皮条长期在力的作用下很容易松动、脱落，增加漏水的可能。

2）改进措施：（1）将止水结构中的底止水、底侧转角止水和侧止水橡皮做成一个整体，既便于止水橡皮的安装又减少止水橡皮的接缝，使止水更加严密，效果更好。（2）如图1，将中间止水的对称止水垫块改成接触面分别开一个大小不同的楔形槽，再分别嵌入橡皮条（橡皮条各伸出5 mm），一端为平面，一端为弧面。通过填充环氧填料使橡皮条在闸门关闭时能相互挤紧，达到良好的止水效果。

图1 中间止水

5.2 顶枢

1）设计不足：（1）顶枢拉杆采用的是双拉杆，拉杆承受较大的作用力，弯矩较大，容易弯曲。（2）顶枢拉杆的一端与门体的顶主梁腹板通过螺栓连接，另一端与埋设在闸首边墩的顶枢埋件通过吊耳轴连接。由于土建的施工误差较大，不能精确地控制顶枢埋件的吊耳轴中心线高程，导致拉杆不易保持水平，受力不均，容易发生弯曲、损坏。

2）改进措施：（1）如图2，将双拉杆顶枢改成由三根拉杆组成的三角形桁架式顶枢。即在顶枢颈轴与两拉杆顶端之间连接一块三角形连接板，再在两拉杆斜对角增加一根拉杆，构成三角形结构。这种结构由连接板承受弯矩，而拉杆不受弯矩作用，可极大地提高拉杆的承载力，防止拉杆弯曲、变形。（2）将埋设在闸首边墩的顶枢埋件改成埋在闸首边墩的侧墙上。把侧墙埋固钢板上的地脚螺栓孔设计成椭圆孔，便于调节吊耳轴中心线高程，使之与拉杆中心线高程保持一致，可确保拉杆均衡受力，门扇一直处于垂直状态，启闭运转灵活、可靠。

图2 三角形桁架式顶枢

5.3 底枢

1）设计不足：支垫块和枕垫块长期运转发生磨损，接触不紧密，不能有效地把水压力引起的底主梁反力通过支枕垫座直接传递给闸首边墩。同时，底枢的轴承巢与底主梁腹板紧密连接，蘑菇轴头也牢固地安装在固定底座内。轴承巢内嵌的轴瓦与蘑菇轴头只能垂直挤压，不能产生微量的水平移动，致使底枢承受很大的水平推力。

2）改进措施：如图3，将固定式底枢改成微动式底枢，即底枢的固定底座改成固定支座和活动圆盘两部分。活动圆盘镶嵌在固定支座内，之间留有15 mm 移动间隙，中间填充尼龙垫圈。轴承巢与底主梁支垫座制作成整体，用螺栓固定在底主梁腹板上。支垫座做成扇形，埋设在闸首边墩的枕垫座也做成扇形。蘑菇轴头与活动圆盘紧密契合，闸门关闭时，尼龙垫圈受到力的挤压产生变形，蘑菇轴头随活动圆盘在固定支座中可作任意方向的微量移动。轴承巢随蘑菇轴头做旋转运动，支垫座也随着轴承巢沿着枕垫座做旋转运动。直至闭门，支垫块与枕垫座紧密接触，将底主梁反力传递给扇形枕垫座，再传给闸首边墩。这种结构不但减少了支枕垫的磨损，而且降低了底枢承受的水平推力，有效地提高了人字闸门运转的灵活性与可靠性。

6 结论

目前，汾河流域生态修复汾河新二坝工程船闸下闸首人字闸门运行良好，启闭灵活。船闸是通航建筑物的常用型式，未来发展前景广阔。人字闸门是船闸的主要结构型式，是保证船舶安全过闸的重要设施。随着航运事业的发展，为使通航更加便捷、顺畅，人字闸门的结构设计必然会不断地进行更新改进，闸门的启闭运转也会变得更加安全、可靠。

图3 微动式底枢