底軸驅(qū)動翻板閘門在水閘工程中的應用

徐 強，饒英定，徐禮鋒

（江西省水利規(guī)劃設計院，江西南昌330029）

1 概述

在水利水電建設中，隨著城市用水、景觀建設及環(huán)境整治和灌溉、發(fā)電的需要，翻板閘、水閘和橡膠壩得到廣泛的運用。然而，橡膠壩制造比較復雜，運行時充水（充氣）升壩或放水（放氣）塌壩時間較長，影響快速截流或泄洪，再加上橡膠存在易老化、割裂等弊端，質(zhì)量事故常有發(fā)生；老式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)水力翻板閘門，運行時當閘門開啟后，由于每片門葉間易卡污物，閘門經(jīng)常不能及時關閉而造成重大損失甚至危及工程安全。另外，傳統(tǒng)的鋼閘門或翻板閘門，無論是提升式或臥倒式，單孔閘都很難適用較寬的河道。因此，2005年以來，以上海市蘇州河河口閘為代表的許多水閘采用了底軸驅(qū)動翻板閘門（鋼壩）［1］。

底軸驅(qū)動翻板閘門是一種新型可調(diào)控溢流閘門，它主要由土建結(jié)構(gòu)、圓柱形底軸、固定在底軸上的門葉、支承底軸的若干固定支鉸座、底側(cè)止水、閘墩側(cè)墻密封件及啟閉機驅(qū)動連接拐臂等組成。閘門的啟、閉操作由布置在兩側(cè)啟閉機室內(nèi)的液壓啟閉機控制。目前，國內(nèi)建成或正在建造的此類閘門工程有近百座（如黃山湖邊水利樞紐花山壩工程、泰州市水生態(tài)環(huán)境建設工程、蘇州工業(yè)園區(qū)金雞湖游艇碼頭工程、上海市蘇州河河口水閘工程等）。

本文根據(jù)底軸驅(qū)動翻板閘門的工作原理、結(jié)構(gòu)特點和結(jié)構(gòu)布置的要求，以及啟閉機控制操作運行的要求，針對城市景觀水閘工程的閘門型式進行了比選設計。

圖1 底軸驅(qū)動翻板閘門示意圖

2 底軸驅(qū)動翻板閘門的原理及特點

2.1 主要工作原理（圖1）

水壓力通過懸臂式門葉結(jié)構(gòu)傳遞到圓柱形底橫軸，底橫軸作用力可分解為水平力、垂直力和力矩。水平力、垂直力通過固定支鉸座傳遞給土建結(jié)構(gòu)，力矩（扭矩）由底橫軸傳遞給液壓啟閉機或鎖定裝置。閘門啟閉運行時，液壓啟閉機通過拐臂驅(qū)動底橫軸轉(zhuǎn)動，同時使門葉以底橫軸中心為圓心作扇形轉(zhuǎn)動實現(xiàn)閘門的開啟和關閉。閘門局部開度（或轉(zhuǎn)角）取決于鎖定裝置的鎖定位置或液壓啟閉機活塞桿持住位置，閘門的開度范圍為垂直與水平之間（0°～90°）的任意位置或角度。閘門全部關閉時門頂可溢流以達到景觀效果。

2.2 使用條件及優(yōu)缺點分析

底軸驅(qū)動翻板閘門適合于閘孔較寬（10～100 m）而水位差比較?。?～7 m）的城市景觀工程，或山區(qū)河道洪水急漲，要求快速開閘泄洪的工程[2]。由于可以將孔口設計的比較寬，可以省去數(shù)孔中間閘墩，所以不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且可以節(jié)省土建投資。該閘門能夠?qū)崿F(xiàn)雙向擋水及立門蓄水或防洪，臥門行洪排澇；閘門啟閉靈活快速、開度無級可調(diào)且調(diào)度方便；啟閉設備隱蔽，門頂過水形成人工瀑布，改善工程景觀效果；另外，該閘型泄洪能力大，臥門時無礙通航。該閘型的主要缺點：總造價相對較高；要求閘基不存在大的不均勻沉陷；不便設置檢修閘門，閘門檢修較困難。

3 基本布置要求

3.1 閘孔寬度的確定

目前國內(nèi)已建工程中，底橫軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門最大閘孔寬度為100 m（蘇州河河口水閘）。閘孔寬度確定主要考慮泄量要求、閘基地質(zhì)條件、經(jīng)濟指標等因素（見圖2）。如果閘基地質(zhì)條件較好不存在不均勻沉陷問題，泄量又有要求，閘孔寬度可適當偏大取值；如果閘基地質(zhì)條件較差，需要選擇較大閘孔寬度時，應對閘基進行打樁、澆筑整體式鋼筋混凝土底板以避免閘基產(chǎn)生不均勻沉陷。但當閘孔寬度大于約45 m時，由于扭矩使底橫軸產(chǎn)生扭角變形，跨中變形較大，通常將跨中門葉斷開設置柔性止水以便避免兩側(cè)啟閉機不同步而產(chǎn)生的巨大閘門內(nèi)力。對于高度較小、閘孔寬度較大的閘門，底橫軸結(jié)構(gòu)尺寸由剛度控制，因而經(jīng)濟指標較差。

3.2 啟閉機室主要尺寸及布置要求

底橫軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門啟閉設備一般布置在啟閉機室內(nèi)，啟閉機室尺寸應滿足啟閉、控制及沖淤等設備的布置、操縱和檢修等要求(見圖3)。如果為了增加過流斷面，要求閘頂過流，閘頂高度還應滿足泄流要求，通?？扇￠l頂與閘門頂高程一致（如黃山湖邊樞紐花山壩工程閘頂可過流）。

啟閉機室為水下結(jié)構(gòu)，機室側(cè)墻的防滲，機室的通風、采光（照明）、防雨不可忽視，其直接影響工程的運行管理。當閘頂需要過流時，應進行密封處理（如黃山湖邊樞紐花山壩工程），并應在閘底板下部布置維護、管理交通廊道。另外，啟閉機室底板應布置集水井，設置自動排水泵。

3.3 閘底板布置

當采用閘底坎低于底橫軸布置時，閘底坎上游通常設置沉砂池，當河流泥砂較多，還應設置攔砂坎，攔砂坎和閘底坎可分別、也可結(jié)合起來布置（如泰州市水生態(tài)環(huán)境建設工程攔砂坎和閘底坎結(jié)合布置，坎高2.0 m）。底坎下游閘底板高程的確定，應考慮閘門平臥后下部緩沖墊、沖淤管道設置空間及泄流消能等要求，一般下游閘底板高程也低于閘底坎。

圖2 底軸驅(qū)動翻板閘門立面布置圖

3.4 沖淤

對于泥砂較多的河流，除在閘底坎上游布置沉砂池、攔沙坎外，還應在底坎下游布置高壓沖淤管道（利用高壓水泵沖淤）、在適當位置布置攔砂閘。如黃山湖邊樞紐花山壩工程針對于泥砂多的情況，在閘門前設有攔沙坎，攔沙坎與閘底坎相結(jié)合，底橫軸底高程以下坎高1.7 m；在5孔底橫軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門右側(cè)設有一孔排砂閘，防止閘前泥砂堆積對閘門啟閉的影響。又如泰州市水生態(tài)環(huán)境建設工程底橫軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門閘坎下游均布置了沖淤管道及高壓噴嘴。

圖3 底軸驅(qū)動翻板閘門縱剖面布置圖

3.5 側(cè)墻二期澆注密封

閘門底橫軸需要穿過閘孔兩側(cè)墻套管進入啟閉機室，側(cè)墻套管與側(cè)墻采用二期混凝土固定，二期混凝土可用膨脹水泥澆筑，確保澆筑質(zhì)量，防止?jié)B水。底橫軸與側(cè)墻套管之間采用橡皮（或石棉盤根）止水和鋼壓板壓緊固定。

閘門側(cè)止水接觸的側(cè)墻鋼埋件采用二期澆筑。鋼埋件有局部和整體之分：整體鋼埋件范圍為在啟閉過程中閘門側(cè)止水與接觸的四分之一圓面積 （扇形）；局部鋼埋件為條狀扇形布置，設置在閘門幾個固定開度所對應的位置。另外，側(cè)墻也有不設置鋼埋件的工程實例，如在側(cè)墻涂刷一定厚度的環(huán)氧地平涂料或表面平滑的石板。總之，比較而言設置鋼埋件更可靠。

4 基本結(jié)構(gòu)要求

4.1 底橫軸

底橫軸作為門葉懸臂梁的縱向固端和閘門啟閉驅(qū)動軸是閘門最重要結(jié)構(gòu)之一，主要承受門葉水壓力作用產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)（矩）和彎曲（矩）。橫軸為圓形鋼管截面，管徑較小時可選用定型標準無縫鋼管加工，管徑較大時可采用鋼板卷制焊接結(jié)構(gòu)。由于底橫軸整體較長，在廠內(nèi)分段制造加工，分段長度根據(jù)支承間距、加工及運輸條件確定，一般長約6～10 m，在工地現(xiàn)場進行組裝。拼接方式為焊接和高強螺栓連接兩種。底橫軸的制造、安裝時應保證同心度，軸外表盡可能進行精加工。一般跨度較大時底橫軸在中間一分為二，采取柔性連接，不僅有效減少閘底板變形變位的影響，還可有效避免啟閉機不同步帶來的問題。

底橫軸的截面尺寸應按承受門葉水壓力作用、門葉重量、門頂水重及底橫軸自重產(chǎn)生的扭矩和彎矩初選、復核和確定，確定截面尺寸時注意留有余地。

4.2 底軸鉸座

鉸座主要承受門葉水壓力作用、門葉重量、門頂水重及底橫軸自重產(chǎn)生的推力及啟閉時摩擦阻力，并將其傳遞到土建結(jié)構(gòu)。通常鉸座的布置間隔約6～10 m，底軸與鉸座之間采用低摩擦系數(shù)的自潤滑球軸承，鉸座材料一般使用鑄鋼。鉸座與土建結(jié)構(gòu)固定采用錨栓，使用二期砼澆筑。

4.3 密封止水

與傳統(tǒng)閘門比較，底橫軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門的止水要復雜得多。因此，止水設計應作為設計工作的重點。止水主要包含門葉與側(cè)墻止水、穿墻套管與底橫軸止水、底軸與門葉止水、底軸與閘底坎止水等，而且有單向和雙向止水之分。門葉與側(cè)墻通常用P型橡皮止水，外加彈簧鋼板調(diào)節(jié)橡皮壓縮；門葉與底軸之間常用I型橡皮止水帶配鋼壓板，橡皮壓縮量不超過5 mm，否則底軸旋轉(zhuǎn)時，橡皮容易翻轉(zhuǎn)，并會增加啟閉的摩阻力。底軸與穿墻套管的止水應加強設計，盡量做到滴水不漏。止水材料要求耐磨性能好。

4.4 閘門頂部破水及補氣措施

門頂過流的底橫軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門，由于門頂過流形成連續(xù)的水面瀑布，門體背面容易產(chǎn)生負壓，門頂易產(chǎn)生氣蝕。通常在門頂設置破水器（板）和補氣孔，破水器高度應根據(jù)門頂溢流水深確定（一般門頂溢流水深≦0.5 m）。如泰州市水生態(tài)環(huán)境整治工程、黃山湖邊樞紐花山壩工程和上海市蘇州河河口水閘門頂均設了破水器（板）和補氣孔。

4.5 閘門鎖定方式

閘門的鎖定基本依靠對驅(qū)動拐臂的固定來實現(xiàn)閘門位置的鎖定。目前有兩種鎖定方式：一是在拐臂上布置液壓推桿，液壓推桿將活塞桿推入墻體的定位孔鎖定住閘門，此種鎖定型式的缺點在于推桿缸體直徑有限，抵抗鎖定剪力較小，如蘇州工業(yè)園區(qū)金雞湖游艇碼頭閘就是采用這種鎖定；二是在拐臂上設置擋板，并根據(jù)拐臂的轉(zhuǎn)動軌跡，用升降式鎖定鋼梁與拐臂上的擋板接觸鎖定閘門，如泰州市水生態(tài)環(huán)境整治工程。

4.6 防腐

底橫軸旋轉(zhuǎn)鋼閘門跨度較大，上、下游不便設置檢修閘門。通常閘門檢修時需要做上、下游圍堰，代價較大，因此閘門的防腐十分重要。目前主要防腐措施有3種：一是噴鋅加涂料防腐，噴鋅厚度不小于0.2 mm，應采用耐磨性能較好涂料，如氯化橡膠防銹漆等，厚度不小于0.4 mm；二是泥砂較多，流速較高的河流閘門，面板采用復合不銹鋼板材料制造，不銹鋼層不小于3 mm。如黃山湖邊樞紐地處于新安江水庫上游新安江上，泥砂較多，閘門面板采用了復合不銹鋼板材料；三是采用防腐涂料加陰極保護，如泰州市生態(tài)景觀工程和上海市蘇州河河口水閘均安裝了陰極保護裝置。

4.7 檢修

由于單閘孔寬度大，通常不設置檢修閘門。因此，對于無條件檢修的閘門，應按照免維修、少維護的要求設計底橫軸，適當增加底橫軸軸壁厚度及水下部分使用年限，如蘇州河口閘，水下部分按30年設計。這樣雖增加了投資，但大大減輕了運行管理的工作量。對于通過采取措施形成檢修條件的閘門，可適當簡化底橫軸等結(jié)構(gòu)構(gòu)件及防腐設計。

5 啟閉機控制操作運行和管理

液壓啟閉機的電控柜布置于啟閉機室內(nèi)，通常采用二層控制方式，即現(xiàn)地控制和遠程控制。另外，可編制閘門開啟、關閉及各個開度所對應的水位關系，進入計算機程序控制系統(tǒng)，計算機系統(tǒng)根據(jù)閘門上、下游設置的水位儀傳輸?shù)乃毁Y料實現(xiàn)閘門的自動開啟、關閉，確保洪水來時能及時敞泄，洪水退后能及時關閉蓄水，能夠?qū)崿F(xiàn)自動化管理。當控制設備出現(xiàn)故障時可以緊急手動開啟閘門。

閘門啟、閉時主要通過行程傳感器和糾偏裝置實現(xiàn)左、右兩臺液壓啟閉機的同步。計算機自動收集左、右啟閉機行程量測系統(tǒng)的行程數(shù)據(jù)，當啟閉機行程同步誤差大于10 mm（一般設置值）時，開始糾偏，行程同步誤差大于20 mm（一般設置值）時，自動停機檢查。若行程誤差大于20 mm繼續(xù)工作時，會造成底橫軸較大扭轉(zhuǎn)變形。

6 結(jié) 語

通過對底軸驅(qū)動翻板閘門的特點及結(jié)構(gòu)布置要求的論述，能夠使水利水電工程設計者在水閘等大跨度泄水工程設計選型時選出更適合工程需要的閘門及啟閉機設備型式，處理好水工結(jié)構(gòu)布置要求，使底軸驅(qū)動翻板閘門能夠發(fā)揮應有的作用。在設計時應注意閘底板不均勻沉陷引起的底橫軸變形變位，避免閘門卡阻造成啟閉困難的問題。為了適應城市現(xiàn)代化發(fā)展，對城市河道治理等水閘工程的景觀、功能需求也日益提高，建議在金屬結(jié)構(gòu)設備選型時能充分考慮工程需要，結(jié)合工程特點，根據(jù)底軸驅(qū)動翻板閘門等新型閘門的特點，使金屬結(jié)構(gòu)成為水閘工程的核心設計，既解決工程要求泄洪與蓄水的矛盾，又利于生態(tài)環(huán)境的保護，注重景觀效果。

［1］盧新杰，石守津，韓 晶，陳文偉.蘇州河河口水閘底軸驅(qū)動式翻板閘門設計［J］.水利水電科技進展，2007（4）.

［2］江 飛.鋼壩閘門在城市景觀河道中的應用［J］.中國農(nóng)村水利水電，2011（12）.