一种上翻式挡潮闸门结构设计

甘志军，张发茂

(中水珠江规划勘测设计有限公司，广州 510610)

1 概述

沿海地区河涌水闸数量众多，主要功能为挡潮，结合排涝泵站可兼顾河涌排涝、水环境和水生态治理[1]。根据总体布置、功能、景观和运行管理要求的不同，挡潮闸闸门形式主要为平面直升闸门、下卧门和上翻门。平面直升闸门为应用最多的传统门型，多采用布置于排架顶部的固定卷扬机进行启闭操作，结构形式简单、易布置，能有效减小闸墩长度，但需设较高的启闭机排架，景观效果欠佳[2]；下卧门大多采用液压启闭机驱动闸门门叶绕底轴或支铰旋转下卧启闭，景观效果和通航条件好，无突出闸顶的建筑物，但闸门下卧至底槛时易淤积，且不便于检修[3-4]；上翻门采用液压启闭机驱动门叶绕支铰旋转上翻启闭，启闭时不受泥沙淤积的影响，整个设备的布置均不高于闸顶，景观效果好，全开时闸门上翻至水面以上，闸门运行条件较好，便于检修维护[5-7]，不影响游艇、渔船等较小船型的通航。

2 上翻式闸门结构布置

河涌水闸工作闸门一般主要承担挡潮、排涝、蓄水、引水等任务，工作闸门在河涌需要蓄水、挡外江潮水或河涌泵站开启排涝时处于关闭状态，其余引水、检修等均处于全开状态。上翻门主要由埋件、门体、支铰、锁定装置及启闭机组成[8]，闭门时为75°悬挂布置(见图1所示)。

图1 水闸断面布置示意(单位：高程m，长度mm)

闸门支铰是闸门翻转启闭过程中的主要受力部件[9]，布置在闸墩顶，二期埋设，通过40Cr铰轴与闸门两侧边柱顶耳板相连，铰轴轴承采用铜基镶嵌自润滑轴套，支铰中心高程的布置在考虑门体结构尺寸的前提下，确保全开状态满足通航高度要求。

闸孔两侧开半门槽，在边柱内涌侧设置滑块和止水，闸门挡水时，支承滑块和止水橡胶均紧挨两侧半门槽支承和止水，止水大样示意见图2和图3。闸门全开时，闸门旋转至平卧状态，整个金属结构不突出闸顶，采用支铰与锁定轴联合支承。闸门两侧边柱设有锁定孔，在对应位置两侧闸墩布置电动推杆，需要锁定或解锁时，通过电动推杆推动锁定轴穿、脱锁定孔实现，对于多孔闸门，为尽量减小整个锁定机构的闸墩布置位置，相邻两孔的锁定机构沿水流方向错开布置。

图2 侧止水及支承滑块示意

图3 底止水示意

上翻门门叶结构采用多主横梁同层布置，为防止洪潮浪涌对门叶梁格的不良影响，闸门面板布置于外江侧，止水布置于内江侧，主梁采用焊接“工”字型组合截面，门叶结构主要材质为Q355B，支铰材质ZG310-570，侧、底止水均采用“双P”型橡胶止水，可双向止水，支承滑块采用钢滑块。

上翻门动水启闭，一门一机布置，每扇闸门采用1台双作用液压启闭机，液压启闭机采用悬挂式布置，为防止启闭机泡水，启闭机支铰高于内涌侧最高水位，其吊头与门体凸出吊耳相连，布置于闸门中部附近位置，液压启闭机驱动闸门绕顶部支铰进行旋转启闭。工作闸门内涌侧和外江侧均设有水位计，用以对闸门进行远程自动化控制。液压启闭机采用陶瓷活塞杆，液压泵站和现地电控设备均布置在水闸旁泵房内。

3 上翻式闸门结构计算

根据挡水工况和启闭工况水位组合，水闸上翻门结构计算采用平面体系进行分析，计算内容主要包括总水压力计算、主梁计算、面板区隔应力计算、水平次梁计算、边柱计算、支承计算、启闭力计算、支铰计算以及锁定计算[10-12]。

面板区隔应力计算按照水利闸门设计规范[11]四边支承弹性薄板方法计算；水平次梁计算按多跨连续梁进行受力计算；支承按承受总水压力、闸门自重进行滑块、埋件及混凝土承压计算；锁定计算按悬臂梁支承复核锁定轴及锁定支座应力情况。下面主要对总水压力、主梁、边柱、启闭力及支铰等受力构件和项目进行分析计算。

3.1 总水压力计算

上翻门双向挡水，根据挡水工况水位组合分别计算内涌侧和外江侧最大挡水压力，按照该上翻闸门结构布置，面板、边柱、底主梁及侧、底止水组成挡水系统，水压力主要由面板、底主梁腹板和边柱腹板水压力3大块组成。垂直水流方向平面内闸门水压力为边柱腹板水压力，在此不单列出；沿水流方向平面内闸门总水压力主要由面板总水压力和底主梁总水压力组成，计算简图见图4、图5。

图4 挡潮工况总水压力分布示意

图5 排涝工况总水压力分布示意

面板水压力：

(1)

面板水压力对于支铰的作用力臂：

(2)

底主梁水压力：

Pd=k·γ·(Δh1-Δh2)·Hz·Bzs

(3)

底主梁水压力对于支铰的作用力臂：

(4)

总水压力：

(5)

式中：

k——闸门动力系数；

γ——水的容重，kN/m3；

θ——闸门关闭时悬挂角度，即全关时闸门与水平线所夹锐角，°；

Δh1——挡潮工况时取外江设计水头Δhw，排涝工况取内涌设计水头Δhn，m；

hz——主梁高度，m；

Δh2——挡潮工况时取内涌设计水头Δhn，排涝工况取外江设计水头Δhw，m；

Hzj——挡潮工况时取内涌设计水头Δhn，排涝工况取外江设计水头Δhw，m；

Δhzs——支铰到最高水面距离，外江水位高时取支铰中心到外江水面线距离，内涌水位高时取支铰中心到内涌水面线距离，m；

Lzm——支铰到面板外缘的垂直距离，m。

3.2 主梁计算

根据闸门挡水水压力布置，主梁主要承受由面板传递的正面水压力和两侧边柱传递的侧面水压力，除按常规均布荷载作用简支梁计算外，应综合考虑两侧水压产生的轴向力和偏心弯矩作用，计算主梁组合应力及整体和局部稳定性分析，对于底主梁还应附加考虑其垂直腹板水压力作用下主平面外弯矩综合作用。

3.3 边柱计算

边柱结构受力由主梁传递，根据不同挡水工况，其受力模型也不同。

1)挡潮时，外江侧水压力大于内涌侧水压力，水压力由滑块和支铰共同承担。由于主梁对应位置边柱上均设置有钢滑块，该工况边柱沿水流方向主平面内承受剪力作用，应力低；垂直水流方向水压作用下按多跨连续梁(主梁作为支承)进行主平面外强度验算。该工况受力小，为非计算控制工况。

2)排涝时，内涌侧水压力大于外江侧水压力，水压力由支铰和液压启闭机共同承担。该工况边柱沿水流方向主平面内承受主梁传递的集中力作用，其受力模型示意见图6；垂直水流方向水压作用下按多跨连续梁(主梁作为支承)进行主平面外强度验算。该工况需复核边柱强度、刚度是否为计算控制工况。

图6 排涝工况边柱受力模型示意

3)检修时，闸门上翻至水平状态，由于支铰和液压启闭机支点均布置在边柱上，因此边柱承受闸门自重荷载，需验算该工况边柱强度、刚度是否为计算控制工况。

3.4 启闭力计算

根据闸门启闭工况和工作状态(状态示意见图7、图8)，上翻门液压启闭机采用双作用缸，启闭力主要为3种工况。当外江水位高于内涌水位时，启闭过程中液压启闭机为推力控制；当内涌水位高于外江水位时，启闭过程中液压启闭机为拉力控制；当上翻门处于全开位置时，启闭力主要为平衡闸门自重，液压启闭机为推力控制。由于闸门上翻启闭的速度慢，对闸门启闭力进行估算时，忽略闸门翻转的运动惯性阻力矩，启闭机额定容量仅考虑水压力、闸门自重及摩擦力作用下的平衡，并在计算启闭力基础上需留有安全裕量[13]。3种工况启闭力计算如下。

图7 全关状态启闭力计算示意(单位：高程m)

1)外江水位高于内涌水位时启闭力计算

启闭机推力：

(6)

式中：

nT——摩擦阻力安全系数，取1.2；

f——支铰轴承摩擦系数；

Fwz——支铰受力，由于在此仅计算支铰轴承摩擦力距，可暂按自重和水压力合力考虑，kN；

r——支铰轴承半径，m；

Pm1——启闭工况外江水位高时面板水压力，kN；

Pd1——启闭工况外江水位高时底主梁水压力，kN；

G——闸门活动部分的重量，kN；

Lm1——启闭工况外江水位高时面板水压力对支铰的作用力臂，m；

Ld1——启闭工况外江水位高时底主梁水压力对支铰的作用力臂，m；

nG1——启门时闸门自重修正系数，取1.1；

LG1——全关状态闸门自重对于支铰的作用力臂，m；

Lqg——全关状态启闭机对于支铰的作用力臂，m。

2)内涌水位高于外江水位时启闭力计算

启闭机拉力：

(7)

式中：

Fnz——支铰受力，由于在此仅计算支铰轴承摩擦力距，可暂按自重和水压力合力考虑，kN；

Pm2——启闭工况内涌水位高时面板水压力，kN；

Pd2——启闭工况内涌水位高时底主梁水压力，kN；

Lm2——启闭工况内涌水位高时面板水压力对支铰的作用力臂，m；

Ld2——启闭工况内涌水位高时底主梁水压力对支铰的作用力臂，m；

nG2——闭门时闸门自重修正系数，取1.1。

3)闸门全开工况启闭力计算

启闭时启闭机推力：

(8)

式中：

LG2——全开状态闸门自重对于支铰的作用力臂，m；

Lqk——全开状态启闭机对于支铰的作用力臂，m。

3.5 闸门支铰计算

闸门正常运行时，在全关状态挡外江水工况，部分自重和水压力由闸门滑块支承，支铰受力不大；在全关状态挡内涌水、启闭工况和全开工况，水压力和闸门自重由支铰及启闭力平衡，闸门支铰受力为闸门自重、水压力和计算启闭力的合力[14]。当闸门在启闭过程中卡阻时，该工况属于特殊工况，此时启闭力达到启闭机的额定启闭力，闸门支铰受力为闸门自重、水压力、卡阻力和额定启闭力的合力。正常运行和特殊工况下均应根据受力情况，按照水利闸门设计规范[11]的相关规定验算支铰轴、支铰座、预埋螺栓等部件的强度刚度。各工况下支铰的受力计算如下。

1)外江水位高时，闸门在全关位置启闭，启闭机为推力

正常运行时支铰受力：

支铰水平力(符号为正，则方向由内涌侧指向外江侧)：

Fzp1=Fqt·cosα-Pm1·sinθ-Pd1·cosθ

(9)

支铰竖直力(符号为正，则方向竖直向下)：

Fzs1=Fqt·sinα+G+Pm1·cosθ-Pd1·sinθ

(10)

特殊工况闸门启闭卡阻时支铰受力：

卡阻力(方向与闸门垂直，并沿闸门旋转反方向)：

Fkz1=

(11)

支铰水平力(符号为正，则方向由内涌侧指向外江侧)：

Fzp2=Fe1·cosα-Pm1·sinθ-Pd1·cosθ-Fkz1·sinθ

(12)

支铰竖直力(符号为正，则方向竖直向下)：

Fzs2=Fe1·sinα+Gh+Pm1·cosθ+Fkz1·cosθ-Pd1·sinθ

(13)

式中：

α——全关状态，启闭机与水平线夹角，°；

Lkz1——全关位置启闭时卡阻作用力臂，m；

Fe1——液压启闭机额定推力，kN。

2)内涌水位高时，闸门在全关位置启闭，启闭机为拉力

正常运行时支铰受力：

支铰水平力(符号为正，则方向由外江侧指向内涌侧)：

Fzp3=Fql·cosα-Pm2·sinθ-Pd2·cosθ

(14)

支铰竖直力(符号为正，则方向竖直向上)：

Fzs3=Fql·sinα-G+Pm2·cosθ-Pd2·sinθ

(15)

特殊工况闸门启闭卡阻时支铰受力：

卡阻力(方向与闸门垂直，并沿闸门旋转反方向)：

(16)

支铰水平力(符号为正，则方向由外江侧指向内涌侧)：

Fzp4=Fe2·cosα-Pm2·sinθ-Pd2·cosθ-Fkz2·sinθ

(17)

支铰竖直力(符号为正，则方向竖直向上)：

Fzs4=Fe2·sinα-G+Pm2·cosθ+Fkz2·cosθ-Pd2·sinθ

(18)

式中：

Fe2——液压启闭机额定拉力，kN。

3)闸门在全开位置时，启闭机为推力

正常运行时支铰受力：

支铰水平力(符号为正，则方向由内涌侧指向外江侧)：

Fzp5=Fqk·cosβ

(19)

支铰竖直力(符号为正，则方向竖直向下)：

Fzs5=Fqk·sinβ+G

(20)

特殊工况闸门启闭卡阻时支铰受力：

卡阻力(方向竖直向下)：

(21)

支铰水平力(符号为正，则方向由内涌侧指向外江侧)：

Fzp6=Fe1·cosβ

(22)

支铰竖直力(符号为正，则方向竖直向下)：

Fzs6=Fe1·sinβ+G+Fkz3

(23)

式中：

β——全开状态，启闭机与水平线夹角，°；

Lkz2——全开位置启闭时卡阻作用力臂，m。

4 结语

上翻式闸门的结构布置根据支铰、启闭机吊点、止水形式等不同各有差异，该类型闸门面板宜置于外江侧，有效防止洪潮对闸门区隔的扰动影响，其结构计算、支铰受力、启闭力需充分考虑各个方向的水压力。对于闸门支铰等重要运转部件，直接到影响闸门的启闭运行，进行闸门正常启闭挡水受力分析计算的同时，还需核算闸门卡阻时，启闭机达到额定启闭力的特殊工况下的结构强度。