進人閘門設(shè)計淺談

邢怡芳，郭富權(quán)

（中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710065）

進人閘門設(shè)計淺談

邢怡芳，郭富權(quán)

（中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710065）

本文主要論述了某水電站的進人閘門運行要求和使用條件，對進人閘門結(jié)構(gòu)及零部件設(shè)計的重點和難點進行了詳細闡述，在滿足閘門安全擋水的前提下，通過采取設(shè)計措施，可在無水狀態(tài)下通過人力開啟和關(guān)閉重達1.3t的閘門。

進人閘門；滾輪支承；無水啟閉；人力操作；自潤滑軸承；把手裝置

1 概述

在水電站中進人閘門是較特殊的一種閘門，其一般布置在施工支洞與引水洞交匯處。由于引水洞一般較長且封閉，在需要檢修時無有效的進入通道，近兩年某電站采用在施工支洞盡頭與引水隧道交匯處，設(shè)置一道進人閘門解決這個問題，進人閘門平時關(guān)閉不影響機組的正常供水，需要時打開進人閘門提供進入引水隧洞的通道。

2 總體布置

根據(jù)進人閘門的運行要求和實際條件，此類閘門一般需要滿足以下條件：一是引水隧洞在與施工支洞的交匯處，水頭都比較高，一般閘門擋水水頭均在60m以上。因此需要對閘門進行剛度、強度和穩(wěn)定性計算，確保閘門的結(jié)構(gòu)滿足安全要求；二是閘門在結(jié)構(gòu)的要求下，自重都比較大，約在1．3t左右，施工支洞內(nèi)無起吊設(shè)備，只能通過人力開啟或關(guān)閉閘門；三是施工支洞和引水隧洞之間應(yīng)無明顯高差，以便于輕便型運載工具通過。

本文通過某電站的設(shè)計具體闡述，某電站在引水隧洞不同位置設(shè)置了6條施工支洞，在其中3條施工支洞設(shè)置進人閘門，進人閘門的孔口尺寸為1．2m（寬）×1．8m（高），在3處的水頭分別為68m、70m和75m。為保證安全，3處閘門均按75m進行設(shè)計?？傮w布置如圖1，由人站在施工支洞內(nèi)向外推閘門，打開閘門。

圖1

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計采用平面假定和容許應(yīng)力方法進行分析計算。按照《水電水利工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范》規(guī)范進行設(shè)計。

進人閘門由面板、主梁、縱梁、邊梁、把手裝置、轉(zhuǎn)鉸、底輪構(gòu)成。閘門的面板、主梁、縱梁、邊梁組合構(gòu)成框架式鋼結(jié)構(gòu)，主要承擔水壓力，需按照規(guī)范要求對其進行強度、剛度及穩(wěn)定性計算。

首先對閘門進行區(qū)隔計算，并對面板進行折算應(yīng)力復算，最終選定該閘門面板采用16mm厚鋼板；其次對閘門主梁按簡支梁模型進行強度及剛度計算，確定采用類似工字鋼30b的組合梁可滿足要求，并對該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進行驗算，結(jié)論滿足要求。由計算結(jié)果分析得知，該閘門受強度因素控制。

3.1.2 轉(zhuǎn)鉸與鉸座設(shè)計

轉(zhuǎn)鉸與閘門埋件上的鉸座通過轉(zhuǎn)軸連接，該部件為閘門與埋件上的連接部件，既起到閘門開啟和關(guān)閉的定位作用，也在閘門被推動時，起到分擔閘門自重的作用，其加工和安裝精度將直接影響到進人閘門的使用功能。

考慮到轉(zhuǎn)軸與支鉸座長期在水中工作，為了減少開門或關(guān)門時的推力，在鉸座內(nèi)鑲嵌自潤滑滑動軸套，轉(zhuǎn)軸采用40Cr材料。整體連接結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖中件1為轉(zhuǎn)軸，件2和件4為焊接在埋件上的支鉸座，內(nèi)為空腔安裝有自潤滑軸套，件3為焊接在閘門上的轉(zhuǎn)鉸。在一個閘門上裝配2套此連接部件。當安裝完畢后，閘門受重力作用向下運動，受到件4的約束，通過轉(zhuǎn)軸固定，即可實現(xiàn)上述功能。

3.1.3 底輪設(shè)計

根據(jù)受力分析，閘門重量1．3t，如只采用支鉸結(jié)構(gòu)承擔，整體受力狀態(tài)成為懸臂結(jié)構(gòu)，支鉸處會受到很大的彎應(yīng)力，局部擠壓應(yīng)力過大。為改善閘門的受力情況，在閘門底部安裝1套簡支輪裝置，由簡支輪裝置承受部分重力，對于各構(gòu)件受力狀態(tài)會有極大改善。此簡支輪的輪徑由水工布置及現(xiàn)場情況確定，該輪徑原則使輪徑盡量小，以減少底坎的高度。本工程采用直徑150mm的輪子，焊接在閘門的底主梁上。使閘門在開啟和關(guān)閉時不會受到障礙物的阻礙。也滿足底坎保證封水尺寸，也不影響小型運輸機具通過此處。

3.1.4 把手裝置設(shè)計

在閘門上安裝把手裝置的作用主要有兩個。一是為閘門開啟和關(guān)閉提供示力作用點。二是在閘門關(guān)閉時通過手柄與閘門埋件特定結(jié)構(gòu)的配合，給予閘門水封一定的預壓力，保證閘門在充水整體過程中的穩(wěn)定性。把手裝置由手柄、自潤滑軸套、銷軸、緊固螺母、鎖定螺母、帶孔銷等組成，如圖3。手柄與閘門埋件接觸處做成楔形，以方便采用人力關(guān)閉楔緊閘門，并與閘門埋件下游側(cè)留有間隙，滿足在水壓作用下，閘門自然向施工支洞方向退卻時有活動余地。所留間隙大小，由閘門與主軌及水封與水封座板的配合尺寸確定。本工程閘門與埋件下游側(cè)留10mm間隙，實踐證明留有間隙是必要的。

圖3

3.2 埋件結(jié)構(gòu)設(shè)計

閘門埋件為澆筑在二期混凝土內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)，作用一為將閘門上的水壓力傳遞到水工建筑物上；其二是和閘門上的水封橡皮配合形成封閉結(jié)構(gòu)，阻止水進入施工支洞；其三是與閘門上的手柄配合，關(guān)閉閘門并給予閘門水封橡皮一定預壓，使閘門在引水隧洞剛充水時，不會因為水流的紊流狀態(tài)造成閘門的不穩(wěn)定。

閘門埋件主要有主軌、鉸座、止水封板、滾輪底板等組成。

主軌是主要傳力構(gòu)件，對主軌應(yīng)進行彎應(yīng)力和剪力計算，其值不應(yīng)大于相應(yīng)的允許應(yīng)力。其次對于支承主軌的二期混凝土進行壓應(yīng)力計算，根據(jù)計算得壓應(yīng)力值選擇需要澆筑的二期混凝土標號。鉸座根據(jù)受力分析對其緊接承壓應(yīng)力、緊接承拉應(yīng)力、剪力分別進行計算，并給與一定安全富裕度，本工程的鉸座安全系數(shù)為3，即允許應(yīng)力與計算數(shù)值的比值為3 。滾輪底板按閘門簡支輪實際運行軌跡進行布置，并在極限位置兩端均多出150mm富裕距離。對于滾輪底板只需計算壓應(yīng)力，構(gòu)件截面高140mm，并與一期混凝土預埋插筋牢固焊接，調(diào)平后澆筑二期混凝土，二期混凝土厚度200mm。保證構(gòu)件在水流長時間沖刷下，不會被破壞。通過對閘門埋件各個部件的受力分析和計算，得出構(gòu)件整體是安全可靠的結(jié)論。

4 安裝與運行

進人閘門門葉和埋件整體重量為2．1t。總體外形尺寸為1．88m(寬）×2．1m(高)，滿足陸地運輸?shù)某叽缫?，由此要求門槽埋件和門葉均在制造廠制造安裝完畢，并進行調(diào)試。滿足要求后整體運往工地現(xiàn)場，埋件在現(xiàn)場調(diào)平后，與伸出一期混凝土預留插筋焊接牢固，再澆筑二期混凝土。

實際運行表明，本閘門通過人力推動可開啟和關(guān)閉，閘門關(guān)閉并鎖緊把手裝置后，隧道進行充水，閘門封水效果良好。在整個充水過程中，閘門無擺動和振動現(xiàn)象。經(jīng)過3天充放水試驗及閘門關(guān)閉開啟試驗表明，整體進人閘門的設(shè)計，制造施工及運行達到了設(shè)計預想效果。

本進人閘門設(shè)計可為承受大荷載，空間狹小的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供一些借鑒。

[1]楊占英．自動翻轉(zhuǎn)閘滑、滾動鉸的設(shè)計．水土保持科技情報，2004，6．

[2]黃剛．滑動軸承標準體系現(xiàn)狀分析．機械工業(yè)標準化與質(zhì)量，2010，8．

[3]劉志奇．一種直線式全自動吹瓶機自動置把手裝置．城市建設(shè)理論研究，2013，4．

[4]任尊松．輪軌接觸幾何關(guān)系在道岔系統(tǒng)動力學中的應(yīng)用．鐵道學報，2004，1．

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