增加弧形钢闸门高度的方案设计初探
2022-09-22王波
王 波
(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)
1 综 述
目前，现状防洪堤防上存在一定数量的水闸工程，随着社会经济的快速发展，现在汛期的防汛任务越来越重，要求越来越高，一但出现超标准洪水，应采取一定的预防和应急抢险措施，尽而解决超标准洪水位下的防洪安全，如筑子堤加高堤防高度等，力保人民生命和财产安全。在大中型水闸工程中，弧形钢闸门的应用比较广，如果采取措施来提高防洪水位，防洪堤防提高了挡水高度，可能造成闸门挡水高度或防浪高度不够的问题，针对该问题有必要对弧形钢闸门的加高措施进行研究和探讨，以保证防洪系统的运行安全。文章根据某弧形钢闸门的加高问题，设计探讨通过门体结构整体加高，实现提高挡水高度或防浪高度，可为今后弧形闸门的加高设计提供参考。
2 设计实例
某水闸工程闸孔净宽12m，采用弧形钢闸门进行挡水，弧门半径6m，挡水高度4.75m，根据防汛任务要求，进行应急储备方案设计应对超标准洪水，挡水高度由4.75m提高至5.55m，并预留安全加高30cm。根据上述要求进行了充分论证，由于闸门顶端附近空间比较小，无条件采取胸墙加高方案，经过研究采取门体结构整体加高措施。增加的活动门体结构高度为0.8m，半径与原弧形钢闸门半径一致，由面板和两根水平主梁构成，在下主梁处通过5个活动铰座与原门叶结构顶梁铰接，并对原门叶结构顶梁采用T型钢型式进行加固。活动挡水结构再通过3套可调节钢撑杆与原门叶结构的竖直次梁铰接，起到支撑作用和调节安装位置，并在迎水侧新增挡水结构底部安装止水橡皮。最后根据计算复核决定是否对液压启闭机管路阀组、油缸和液压泵站进行升级改造。
2.1 牛腿结构安全复核
2.1.1 验算一
弧门支座附近闸墩的局部受拉区的裂缝控制应满足下列公式要求：
(1)
式中：FK为按荷载标准值计算的闸墩一侧弧门支座推力值，N；b为弧门支座宽度，mm；B为闸墩厚度，mm；e0为弧门支座推力对闸墩厚度中心线的偏心距，mm；ftk为混凝土轴心抗拉强度标准值，N/mm2。
不能满足上式要求时，应加大弧门支座宽度或提高混凝土强度等级。
2.1.2 验算二
闸墩区的扇形局部受拉钢筋截面面积满足下列公式要求：
(2)
2.1.3 验算三
弧门支座的裂缝控制满足下列公式要求：
Fk≤0.7ftkbh
(3)
式中：h为支座高度，mm。
2.1.4 验算四
弧门支座的受力钢筋截面面积应符合下式规定：
(4)
式中：As为受力钢筋的总截面面积，mm2；a为弧门支座推力作用点至闸墩边缘的距离，mm；fy为受力钢筋的抗拉强度设计值，N/mm2。
牛腿结构安全复核成果见表1。
表1 牛腿结构安全复核计算表
通过计算说明，当闸前挡水高度<5.11m以下时，闸墩和牛腿结构可以安全运行，当闸前挡水高度在5.25-5.55m之间时，该工况按偶然荷载进行考虑，承载力安全系数较规范值1.2有所降低，降低系数后闸墩和牛腿结构可以安全运行[1]。
2.2 闸门结构安全复核
2.2.1 加高部分及顶梁加固结构的安全验算
根据闸门整体结构布置，按“近似取相邻间距和之半法”计算出原闸门顶梁及加高部分的底梁的单位宽度荷载，并进行验算[2]。
最大弯矩：M=0.106ql2
最大剪力：Q=0.606ql
应力及挠度应满足下列公式要求：
式中：W为梁截面抗弯模量，cm3；I为梁截面对中和轴惯性矩，cm4；E为弹性模量，取2.06×105MPa。
2.2.2 原闸门结构的安全验算
按全高度挡水验算原闸门门叶结构和支臂结构的强度和稳定。
主横梁与支臂的单位刚度比值应满足下列公式：
(5)
式中：Il0为主横梁的截面惯性矩；l0为计算跨度；Ih为支臂截面惯性矩；h为长度；K0应满足3-7。
主横梁的应力应满足下列公式要求：
(6)
式中：N为主梁轴向压力；M为主梁跨中弯矩；A为主梁跨中截面面积；W为主梁跨中截面抗弯模量。
支臂在框架平面内、外两个方向的稳定应满足下列公式要求：
式中：φp为弯矩作用平面内稳定系数、φ1为外的稳定系数；N为支臂轴向力；A为支臂截面面积[3]。
2.2.3 闸门启门力验算
弧形闸门启门力按下列公式计算：
(7)
闸门结构安全复核成果见表2。通过计算说明，闸门挡水高度为5.55m时，加高部分的结构和原闸门的门叶结构和支臂结构的强度和稳定是满足现有规范要求的。
表2 门体结构安全复核成果表
3 结 论
通过对门体结构的整体加高，实现了提高闸门前的挡水高度和防浪高度，进一步提高了防洪标准，现场查看新、老结构衔接比较和谐和美观。通过了近几年的汛期运用，验证了采用该种措施进行处理后的闸门是安全可靠的，可以为类似的工程提供参考。实际设计过程中注意进行门体结构加高时，要进行牛腿等结构的安全进行验算，并复核启闭容量和油路系统，是否满足安全运行条件。
